1. Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2. Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.
3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.
Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 110 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него.
Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в котором сосредоточена основная масса атома.
Заряд ядра - положительный заряд, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N. Где: А -массовое число, Z - сумма протонов, N - сумма нейтронов.
Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.
Элемент Заряд ядра ( Z ) Массовое число (А)
Cu +29 63 и 65
Cl +17 35 и 37
Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.
Аллотропия - способность некоторых химических элементов образовывать несколько простых веществ, различающихся по строению и свойствам. (С - алмаз, графит, карбин. O - кислород, озон. S - ромбическая, моноклинная, пластическая. P - белый, красный, чёрный).
Явление аллотропии вызывается двумя причинами:
1) различным числом атомов в молекуле, например кислород O 2 и озон O 3
2) образованием различных кристаллических форм, например алмаз и графит.
Простые вещества - молекулы состоят из атомов одного и того же элемента ( O 2, O 3 , Cl 2 , S , P 4 ).
Cложные вещества - молекулы состоят из атомов различных химических элементов ( H 2 SO 4 , P 2 O 5 , KClO 3 ).
Международная единица атомных масс равна 1/12 массы изотопа 12 C - основного изотопа природного углерода.
1 а.е.м = 1/12 x m ( 12 C ) = 1,66057 x 10 - 24 г
Относительная атомная масса (Ar) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома 12 C.
Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.
Ar(Mg) = 24,312
m (Mg) = 24,312 x 1,66057 x 10 -24 = 4,037 x 10 -23 г
Относительная молекулярная масса (Mr) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12 C.
M r = m r / (1/12 m а ( 12 C))
m r - масса молекулы данного вещества;
m а ( 12 C) - масса атома углерода 12 C.
Mr = S Aг(э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.
Примеры
Mr (B 2 O 3 ) = 2 x Ar (B) + 3 x Ar (O) = 2 x 11 + 3 x 16 = 70
Mr (KAl(SO 4 ) 2 ) = 1 x Ar (K) + 1 x Ar (Al) + 1 x 2 x Ar (S) + 2 x 4 x Ar (O) = 1 x 39 + 1 x 27 + 1 x 2 x 32 + 2 x 4 x 16 = 258
Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.
Количество вещества, моль . Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n или ?, измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Число Авогадро (N A ). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 x 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1 ).
Сколько молекул содержится в 6,4 г серы?
Молекулярная масса серы равна 32 г /моль. Определяем количество г/моль вещества в 6,4 г серы:
n (S) = m ( S ) / M ( S ) = 6,4г / 32 г/моль = 0,2 моль
Определим число структурных единиц (молекул), используя постоянную Авогадро N A
N (S) = n ( S ) x N A = 0,2 x 6,02 x 10 23 = 1,2 x 10 23
Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M).
M = m / n
Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.
Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная.
M = N A x m(1 молекула) = N A x M r x 1 а.е.м. = (N A x 1 а.е.м.) x M r = M r
Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 80 а.е.м. (SO 3 ), то масса одного моля молекул равна 80 г . Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных соотношений к молярным. Все утверждения относительно молекул остаются справедливыми для молей (при замене, в случае необходимости, а.е.м. на г).
Например, уравнение реакции: 2Na + Cl 2 = 2NaCl, означает, что два атома натрия реагируют с одной молекулой хлора или, что одно и то же, два моль натрия реагируют с одним молем хлора.
Эквивалент вещества - некоторая условная единица этого вещества, которая в данной реакции соединяется с одним атомом или ионом водорода или замещает его. Например, в реакции
2 HCl + Ca ( OH ) 2 = CaCl 2 + 2 H 2 O
двум атомам водорода в HCl соответствует одна частица Са(ОН) 2 . Следовательно, одному атому водорода эквивалента условная единица, равная ? Са(ОН) 2 . Это и будет эквивалентом гидроксида кальция. Число ? носит название фактора эквивалентности , который обозначается символом f экв (В) (В - вещество). В приведенном примере f экв [ Ca ( OH ) 2 ] = ?.
Фактор эквивалентности некоторых веществ можно рассчитать по простым формулам. Для кислоты фактор эквивалентности равен обратной величине ее основности (число ионов Н + в молекуле кислоты, которое замещается в реакции на металл). Фактор эквивалентности для основания равен обратной величине его кислотности (число ионов ОН - в молекуле основания, которые в реакции замещаются на кислотные остатки):
f экв (кислоты) = 1/ N ( H + )
f экв (основания) = 1/ N (ОН - )
Фактор эквивалентности одного и того же вещества в разных реакциях может быть различным. В реакции нейтрализации фосфорной кислоты, протекающей по уравнению
H 3 PO 4 + 3 KOH = K 3 PO 4 + 3 H 2 O
три иона Н + замещаются на К + , т.е. N ( H + ) = 3. Следовательно, фактор эквивалентности фосфорной кислоты будет равен f экв (Н 3 РО 4 ) = 1/ N (Н + ) = 1/3. Если же реакция протекает по уравнению
Н 3 РО 4 + 2КОН = К 2 НРО 4 + 2Н 2 О, то N ( H + ) = 2 и
f экв (Н 3 РО 4 ) = ?
Молярная масса эквивалента вещества В (в г/моль) - произведение фактора эквивалентности на молярную массу этого вещества:
М ( f экв В) = f экв (В) . М (В)
Молярную массу эквивалента можно называть также эквивалентной массой.
Количество вещества эквивалента (в моль) - отношение массы вещества к молярной массе его эквивалента:
n ( f экв В) = m ( B ) / M ( f экв В)
Количественные соотношения между эквивалентами веществ, участвующих в химической реакции, задаются законом эквивалентов . Согласно этому закону для реакции
А + В = С + D
должно выполняться соотношение:
n ( f экв A ) = n ( f экв В) = n ( f экв C ) = n ( f экв D )
т.е. вещества взаимодействуют и образуются в количествах, которые равны количествам веществ эквивалентов.
Таким образом, для взаимодействующих веществ А и В можно записать:
n ( f экв A ) = n ( f экв В)
Используя формулу для нахождения количества вещества эквивалента, получаем
m ( A )/ M ( f экв A ) = m ( B )/ M ( f экв В) или
m (A)/m (B) = M (f экв A)/ M(f экв В )
Это соотношение является следствием закона эквивалентов.
Пример
Серная кислота массой 4,9 г прореагировала с гидроксидом калия массой 2,8 г. Определите молярную массу эквивалента серной кислоты и напишите уравнение реакции.
Решение:
Для гидроксида калия КОН всегда N (ОН - ) = 1, следовательно f экв (КОН) = 1. По формуле рассчитываем молярную массу эквивалента КОН:
М ( f экв КОН) = f экв (КОН) . М (КОН);
М ( f экв КОН) = 1 . 56 = 56 (г/моль)
Используя формулу из следствия закона эквивалентов, находим молярную массу эквивалента серной кислоты:
M (f экв Н 2 SO 4 ) = m (H 2 SO 4 )/m (KOH) . М ( f экв КОН);
M ( f экв Н 2 SO 4 ) = 4,9/2,8 . 56 = 98 (г/моль)
Фактор эквивалентности серной кислоты равен:
f экв (Н 2 SO 4 ) = M ( f экв Н 2 SO 4 ) / M (Н 2 SO 4 );
f экв (Н 2 SO 4 ) = 98/98 = 1
Следовательно, в данной реакции лишь один атом водорода в молекуле серной кислоты замещается на металл. Реакция идет по уравнению:
H 2 SO 4 + KOH = KHSO 4 + H 2 O