Атом, молекула. Элемент, простое вещество,

Вводный курс

Основные понятия

 

Атом, молекула. Элемент, простое вещество,

Соединение

Основная идея химии – все вещества состоят из атомов.

Атом – простейшая частица вещества, неделимая химическими методами *.Атом состоит из ядра и электронов. Основная химическая характеристика атома – заряд его ядра. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, называют химическим элементом. Атом сохраняет все химические свойства элемента.Известные к настоящему времени химические элементы сведены в периодическую систему элементов (сокращенно - ПСЭМ) Д.И.Менделеева. Каждый элемент обозначается латинским символом и имеет русское и латинское название. В таблице 1.1. приведены русские названия, символы и произношение символов при чтении химических формул ряда наиболее часто встречающихся элементов.

Таблица 1.1. Названия некоторых элементов, их символы и произношение символов в формулах

элемент	элемент
Русское название	Сим вол	Произноше- ние в фор-мулах	Русское название	Сим вол	Произноше- ние в фор-мулах
Водород	Н	аш	Сера	S	эс
Углерод	С	цэ	Хлор	Cl	хлор
Азот	N	эн	Калий	K	калий
Кислород	O	о	Кальций	Ca	кальций
Фтор	F	фтор	Хром	Cr	хром
Натрий	Na	натрий	Марганец	Mn	марганец
Магний	Mg	магний	Железо	Fe	феррум
Алюминий	Al	алюминий	Медь	Cu	купрум
Кремний	Si	силициум	Цинк	Zn	цинк
Фосфор	P	пэ	Бром	Br	бром

 

*Жирным курсивом выделен материал, обязательный для запоминания.

 

Атомы могут соединяться между собой, образуя молекулы. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Вещества делятся на простые и сложные

или соединения. Простые вещества состоят из атомов одного элемента, а соединения – из атомов различных элементов. Элемент может образовывать несколько простых веществ, например: элемент кислород образует простые вещества – кислород, состоящий из молекул О₂ (читается - о два) и озон, состоящий из молекул О₃ (читается – о три). Соединение содержит как минимум атомы двух разных элементов, например: углекислый газ или оксид углерода (IV) состоит из молекул СО₂, (читается – цэ о два), образованных одним атомом углерода и двумя атомами кислорода.

 

Моль. Молярная масса. Закон Авогадро.

В качестве единицы количества вещества в химии используют моль. Моль – количество вещества, содержащее столько структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.) сколько содержится атомов в 0,012кг изотопа углерода ¹²С. Это число точно определено, составляет 6,02^.10²³ и носит название постоянная Авогадро. Обозначается количество вещества символом n_B; например n_CaO= 2 моль, т.е. количество вещества оксида кальция равно 2 моль, т.е. содержит 2^. 6,02^.10²³=12,04^.10²³ формульных единиц СаО.

Массу одного моль вещества В называют молярной массой; обозначение М_В. Единицами измерения молярной массы являются г/моль и кг/моль.

Помимо молярной массы вещество может быть охарактеризовано относительной молярной массой, равной массе молекулы или иной структурной единицы вещества, отнесенной к 1/12 массы одного атома изотопа углерода ¹²С; обозначение M_r(B). Относительная молярная масса является величиной безразмерной. Относительные молярные массы элементов, называемые обычно относительными атомными массами (А_r(B)), приведены в ПСЭМ. Относительные атомные массы наиболее употребительных элементов необходимо запомнить (Таблица 1.2.).

Молярная масса вещества В (символ M_B, единица ^_ кг/моль) ^_ это масса вещества В (m_B), деленная на количество вещества n_B, или это масса 1 моль вещества (6,02^.10²³ формульных единиц вещества (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.)). Молярная масса вещества (М_В) численно равна относительной молярной массе, например: относительная молярная масса натрия M_r(Na)=22,98977, а молярная масса натрия равна М_Na=22,98977 г/моль. Относительные атомные массы элементов используют для вычисления молярных масс соединений.

 

Таблица 1.2. Округленные значения относительных атомных масс некоторых элементов.

элемент	элемент
Русское название	Сим вол	Относитель ная атом- ная масса	Русское название	Сим вол	Относитель ная атом- ная масса
Водород	Н		Фосфор	P
Углерод	С		Сера	S
Азот	N		Хлор	Cl	35,5
Кислород	O		Калий	K
Натрий	Na		Кальций	Ca
Магний	Mg		Железо	Fe
Алюминий	Al		Медь	Cu
Кремний	Si		Цинк	Zn

Пример 1.1. Найти молярную массу серной кислоты H₂SO₄.

Решение. Молярная масса серной кислоты численно равна сумме двух относительных атомных масс водорода, одной относительной атомной массы серы и четырех относительных атомных масс кислорода и измеряется в г/моль:

Химические формулы

Химические формулы выражают количественный и качественный состав соединения и, одновременно, обозначают массу, соответствующую 1 моль вещества. Например, формула азотной кислоты HNO₃ означает: 1) это вещество образовано 1 атомом водорода, 1 атомом азота и 3 атомами кислорода или одним ионом водорода (Н⁺) и одним нитрат-ионом ( ); 2) на 1 массовую часть водорода в азотной кислоте приходится 14 массовых частей азота и 48 массовых частей кислорода; 3) массу азотной кислоты, равную 63г; 4) количество вещества азотной кислоты, равное 1 моль (6,02^.10²³ формульных единиц). Химические формулы используются для разнообразных расчётов.

Пример 1.5. Найти процентное содержание кальция, водорода и кислорода в гидроксиде кальция Са(OН)₂.

Решение. Найдем молярную массу гидроксида кальция. Для этого в таблице ПСЭМ найдем относительные атомные массы кальция, кислорода и водорода и подставим их в формулу:

Можно также воспользоваться более удобной формулой:

Для нахождения процентного содержания кальция составим пропорцию:

74г Са(OН)₂ содержат 40г кальция

100г - “ - - “ - х - “ –

Следовательно, процентное содержание кальция в Са(OН)₂ составит:

Аналогично находим процентное содержание водорода и кислорода:

74г Са(OН)₂ содержат 2г водорода

100г - “ - - “ - х г - “ –

;

74г Са(OН)₂ содержат 32г кислорода

100г - “ - - “ - х г - “ –

.

Проверим правильность вычислений. Суммарное содержание всех трех элементов в гидроксиде кальция составляет:

54,05+2,70+43,24=99,99 %

Отклонение полученной величины от 100 % на 0,01% связано с округлением результатов.

Пример 1.6. Найти массу одной формульной единицы (молекулы) хлорида натрия (поваренной соли).

Решение.

1 моль NaCl содержит 6,02^.10²³ формульных единиц (молекул). Молярная масса хлорида натрия составляет

Составим пропорцию:

Масса 6,02^.10²³ молекул NaCl составляет 58,5г

Масса 1 - “ - - “ - - “ - - “ - х г

 

Пример 1.7. Найти простейшую формулу соединения, содержащего (по массе) 40 % углерода, 6,7 % водорода, 53,3 % кислорода, если плотность его паров по водороду составляет 15.

Решение. Обозначим числа атомов углерода, водорода и кислорода в простейшей формуле соединения через x, y и z. Молекулярные массы этих элементов равны 12, 1 и 16. Поэтому массы углерода, водорода и кислорода в составе соединения относятся как 12x:1y:16z. По условиям задачи это отношение равно 40:6,7:53,3. Следовательно,

12x:y:16z=40:6,7:53,3, откуда

Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим его члены на меньший из них:

Таким образом, простейшая формула соединения - СН₂О. Молекулярная масса соединения М_r=12+2+16=30. Молекулярная масса, определенная по относительной плотности, составляет

М = 2^.15=30.

Следовательно, простейшая и истинная формулы соединения совпадают.

Химические уравнения

 

Химические уравнения показывают вещества, вступающие в химическую реакцию и образующиеся в результате продукты, а также количественные отношения между всеми участниками реакции. Например, уравнение

2HCl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O

означает, что в реакцию вступают 2 моль соляной кислоты и 1 моль гидроксида кальция; образуется 1 моль хлорида кальция и 2 моль воды, а массы исходных веществ и продуктов реакции удовлетворяют соотношению:

Пример 1.8. Серная кислота (H₂SO₄) реагирует с гидроксидом калия по уравнению

H₂SO₄ + 2KOH = K₂SO₄ + 2H₂O

Найти массу гидроксида калия, необходимую для реакции с 20г серной кислоты и массы сульфата калия и воды, образующиеся в результате реакции.

Решение. Молярные массы участников реакции составляют, соответственно: 98 (H₂SO₄); 56 (KOH); 176 (K₂SO₄) и 8 (H₂O) г/моль. Из уравнения реакции следует, что 1 моль серной кислоты реагирует с 2 моль гидроксида калия или 98г H₂SO₄ взаимодействуют с 2^.56=112г KOH. Составим пропорцию:

98г H₂SO₄ реагируют со 112г КОН

20г - “ - - “ - х г - “ -

Аналогично в соответствии с уравнением реакции запишем:

Из 98г H₂SO₄ образуется 176г K₂SO₄

Из 20г - “ - - “ - х г - “ -

;

Из 98г H₂SO₄ образуется 36г Н₂O

Из 20г - “ - - “ - х г - “ –

Пример 1.9. При взаимодействии серной кислоты и карбоната натрия выделилось 5,0л углекислого газа (н.у.). Найти массы серной кислоты и карбоната натрия, взятые для реакции, а также массу сульфата натрия, образовавшуюся в результате реакции.

Решение. Запишем уравнение реакции:

H₂SO₄ + Na₂CO₃ = Na₂SO₄ + CO₂ + H₂O

Из уравнения реакции следует, что в реакцию вступают 1 моль серной кислоты и 1 моль карбоната натрия и образуется по 1 моль сульфата натрия, углекислого газа и воды. Иначе говоря, в реакцию вступают 98г H₂SO₄ и106 г Na₂CO₃, а образуется 142г Na₂SO₄, 44г CO₂ и 18г H₂O. Один моль углекислого газа, или 44г, занимают при нормальных условиях объем 22, 4 дм³(л).

Молярные массы участников реакции составят: Из уравнения реакции следует:

Для получения 22,4л CO₂ необходимо взять 98г H₂SO₄

- “ - - “ - 5л - “ - - “ - х г - “ -

Количество углекислого газа можно выразить в граммах:

масса 22,4 л CO₂ составляет 44 г

- “ - 5 л - “ - - “ - х г

,

и при последующих вычислениях использовать массу газа, а не объём.

Основываясь на уравнении реакции, найдём массы Na₂CO₃, Na₂SO₄ и H₂O:

Для получения 44г CO₂ необходимо взять 106г Na₂CO₃

- “ - - “ - 9,82г - “ - - “ - х г - “ –

 

;

при получении 44г CO₂ образуется 142г Na₂SO₄

- “ - - “ - 9,82г - “ - - “ - х г - “ –

 

;

 

при получении 44г CO₂ образуется 18г H₂O

- “ - - “ - 9,82г - “ - - “ - х г - “ –

 

.

 

Контрольные вопросы и задачи

1.1.Найти количество вещества азотной кислоты, если её масса составляет 100г. Ответ: 1,59 моль.

1.2. Найти количество вещества азота, если его объем при нормальных условиях составляет 15 дм³. Ответ: 0,67 моль.

1.3. Найти число формульных единиц гидрокарбоната кальция, число атомов кальция, водорода, углерода и кислорода, содержащихся в 300г Ca(HCO₃)₂. Ответ:

1.4. Найти процентное содержание магния, азота и кислорода в нитрате магния Mg(NO₃)₂. Ответ: ω_Mg=16,2; ω_N=18,9; ω_Mg=64,9%.

1.5.Найти массу одной молекулы хлора. Ответ:1,18^.10^-22г.

1.6. Найти массу гидроксида кальция, необходимую для реакции с 10г соляной кислоты и массы хлорида кальция и воды, образующиеся в результате реакции 2HCl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O.

Ответ:

1.7. Найти массу оксида кальция, воды и объем углекислого газа, образующихся при термическом разложении 200г гидрокарбоната кальция по реакции: Сa(HCO₃)₂=CaO+H₂O+2 CO₂.

Ответ:

 

Строение атома

 

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро состоит из заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Число протонов равно порядковому номеру элемента в ПСЭМ. Например, порядковый номер кальция в ПСЭМ равен 20, следовательно, ядро кальция содержит 20 протонов. Число нейтронов определяется как разность между атомной массой изотопа элемента и его порядковым номером. Например, порядковый номер углерода в ПСЭМ равен 6, следовательно, ядро изотопа углерода ¹²С содержит 12 – 6 = 6 нейтронов, а изотоп углерода ¹⁴С содержит 14 – 6 = 8 нейтронов. Атомные массы элементов, приведенные в ПСЭМ, представляют собой средние атомные массы природной смеси различных изотопов элементов, поэтому эти величины не всегда могут быть использованы для нахождения числа нейтронов в ядре атома.

Заряд протона принято считать положительным. Заряд протона численно равен заряду электрона, который принято считать отрицательным. Атомы элементов электронейтральны, следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов в ядре и равно порядковому номеру элемента в ПСЭМ.

Электроны в атоме образуют электронные уровни и подуровни. Число электронных уровней атома равно номеру периода в ПСЭМ, в котором располагается элемент. Например, элемент калий находится в четвертом периоде, следовательно, его электроны располагаются на 4 электронных уровнях. Электронные уровни могут быть обозначены целыми положительными числами от 1 до 7, что соответствует числу периодов в ПСЭМ. Эти числа носят название главного квантового числа, которое обозначается буквой n. В пределах электронного уровня электроны располагаются на электронных подуровнях. Максимально возможное число электронных подуровней на данном электронном уровне равно номеру уровня. Например, на 3-м электронном уровне может быть 3 электронных подуровня, однако в действительности, число электронных уровней не превышает четырёх. Так, на 5-м и 6-м уровнях имеется только по 4 подуровня. Электронные подуровни обозначаются буквами латинского алфавита s, p, d, f и носят название орбитального или побочного квантового числа. На 1-м электронном уровне имеется только один электронный подуровень – s. Это записывается как 1s. На втором электронном уровне находятся 2 электронных подуровня s и p. Эти подуровни обозначаются как 2s и 2p. Соответственно, на 3-м электронном уровне электроны располагаются на трёх подуровнях 3s, 3p и 3d, а на 4-м – на четырёх подуровнях – 4s, 4p, 4d и 4f. Максимальное количество электронов на s-подуровне составляет 2, на p-подуровне -6, на d-подуровне – 10, а на f-подуровне -14. Количество электронов, находящихся на электронном подуровне обозначается правым верхним индексом. Например, если на р-подуровне 2-го электронного уровня находится 3 электрона, то это записывается как 2p³, а 7 электронов на d-подуровне 3-го электронного уровня обозначаются как 3d⁷.

Если на электронном уровне находится несколько подуровней, то электроны в первую очередь заполняют s-подуровень, затем – p-подуровень, далее – d-подуровень и в последнюю очередь f-подуровень. Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням называется электронной формулой элемента.

Пример 2.1. Записать электронную формулу атома элемента хлор.

Решение. Порядковый номер хлора в ПСЭМ равен 17, следовательно, ядро атома хлора содержит 17 протонов и нейтральный атом имеет 17 электронов. Хлор находится в 3-м периоде ПСЭМ, следовательно, электроны расположены на трех электронных уровнях. На 1-м уровне имеется только один электронный подуровень s, на котором может находиться максимально 2 электрона (1s²). На 2-м уровне имеется 2 подуровня – s- и p, на которых могут располагаться максимально 2 и 6 электронов, соответственно (2s² и 2p⁶). На 3-м уровне может быть 3 подуровня s-, p- и d. Но на этом уровне у атома хлора находится только 17-(2+2+6)=7 электронов. Два из них находятся на s- подуровне

Таблица 2.1. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева

периоды	ряды	группы элементов
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
	I	H							He
	II	Li	Be	B	С	N	O	F	Ne
	III	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
	IV	K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni
V	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
	VI	37 Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd
VII	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
	VIII	Cs	Ba	57* La	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt
IX	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
	X	Fr	Ra	89* Ac	Ku	Ns

^{* Л А Н Т А Н И Д Ы}

^58 ^Ce

^59 ^Pr

^60 ^Nd

^61 ^Pm

^62 ^Sm

^63 ^Eu

^64 ^Gd

^65 ^Tb

^66 ^Dy

^67 ^Ho

^68 ^Er

^69 ^Tm

^70 ^Yb

^71 ^Lu

^**А К Т И Н И Д Ы

.

^90 ^Th

^91 ^Pa

^92 ^U

^93 ^Np

^94 ^Pu

^95 ^Am

^96 ^Cm

^97 ^Bk

^98 ^Cf

^99 ^Es

^100 ^Fm

^101 ^Md

^102 ^(No)

^103 ^(Lr)

(3s²) и 5 – на p-подуровне (3p⁵). Таким образом, электронная формула хлора будет иметь вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵.

Электронные формулы первых 20 элементов ПСЭМ приведены в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2. Электронные формулы элементов ПСЭМ.

Пери-од	Порядко-вый номер	Элемент	Электронная конфигурация
Сим- вол	Название
		H He	водород гелий	1s^1 1s^2
		Li Be B С N O F Ne	литий бериллий бор углерод азот кислород фтор неон	1s^22s^1 1s^22s^2 1s^22s^22p^1 1s^22s^22p^2 1s^22s^22p^3 1s^22s^22p^4 1s^22s^22p^5 1s^22s^22p^6
		Na Mg Al Si P S Cl Ar	натрий магний алюминий кремний фосфор сера хлор аргон	1s^22s^22p^63s^1 1s^22s^22p^63s^2 1s^22s^22p^63s^23p^1 1s^22s^22p^63s^23p^2 1s^22s^22p^63s^23p^3 1s^22s^22p^63s^23p^4 1s^22s^22p^63s^23p^5 1s^22s^22p^63s^23p^3
		K Ca	калий кальций	1s^22s^22p^63s^23p^34s^1 1s^22s^22p^63s^23p^34s^2

 

Отметим, что изложенное применимо в полной мере только к элементам первых трёх периодов ПСЭМ.

Периодическая система

 

Периодический закон Д.И.Менделеева формулируется так:

Металлы. Неметаллы.

Все элементы ПСЭМ делятся на металлы и неметаллы. К металлам относятся элементы главных подгрупп, расположенные в ПСЭМ ниже диагонали бор ( B), кремний (Si), мышьяк (As), теллур (Te), астат (At), все элементы побочных подгрупп, включая лантаниды и актиниды. Элементы, находящиеся в ПСЭМ выше этой диагонали, включая B, Si, Te, At, являются неметаллами. Элементы германий, мышьяк и сурьма относятся к т.н. полуметаллам. Эти элементы обладают свойствами, как металлов, так и неметаллов.

Все металлы, за исключением ртути, при стандартных условиях (298К, 101,325 кПа) являются твердыми, блестящими веществами, хорошо проводят электрический ток. Неметаллы могут быть газообразными (азот, кислород), жидкими (бром) и твердыми (углерод, фосфор).

В химических реакциях металлы обычно отдают электроны, т.е. проявляют положительные степени окисления. Между собой металлы, как правило, образуют не химические соединения определенного состава, а соединения переменного состава, называемые сплавами. Для металлов характерны химические реакции с неметаллами.

Неметаллы в химических реакциях обычно принимают электроны и проявляют отрицательные степени окисления. Неметаллы могут реагировать как с металлами, так и между собой.

Амфотерные гидроксиды)

Основания и содержащие кислород кислоты имеют в своём составе гидроксидную группу (ОН), и называются гидроксидами. Например:

Различия в химических свойствах гидроксидов определяются различиями свойств атомов, с которыми связаны гидроксидные группировки ОН. Гидроксиды, образованные атомами с валентностью, равной 1,почти всегда являются основаниями. Большинство гидроксидов, образованных двухвалентными атомами, также относятся к основаниям. Гидроксиды, образованные атомами с валентностью от 4 до 8, относятся к кислотам. Если же валентность атомов равна 3, то их гидроксиды обычно являются амфотерными. Амфотерными являются также некоторые из гидроксидов двухвалентных и четырехвалентных атомов.

Для кислот характерны следующие основные химические свойства:

1) взаимодействие с активными металлами с образованием солей и выделением водорода:

H₂SO₄ + Mg = MgSO₄ + H_2;

2) взаимодействие с основаниями и амфотерными гидроксидами (реакция нейтрализации), в результате чего образуются соли и вода:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O;

2HNO₃ + Zn(OH)₂ = Zn(NO₃)₂ + 2H₂O;

3) взаимодействие с основными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды:

2HCl + MgO = MgCl₂ + H₂O;

2HCl + ZnO = ZnCl₂ + H₂O.

Наиболее типичными реакциями оснований являются:

1) взаимодействие с кислотами и амфотерными гидроксидами с образованием солей и воды (реакция нейтрализации):

Са(OH)₂ + H₂SO₄ = СаSO₄ + H₂O;

Са(OH)₂ + Zn(OH)₂ = СаZnO₂ + 2H₂O;

2) взаимодействие с кислотными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды:

2KOH + CO₂ = K₂CO₃ + H₂O;

2NaOH + Al₂O₃ = 2NaAlO₂ + H₂O.

Амфотерные гидроксиды ведут себя в реакциях с кислотами как основания, а в реакциях с основаниями как кислоты.

В таблице 3.1. приведены формулы и названия важнейших кислот и их солей и ряда оснований.

Соли

Соединения, содержащие в своём составе атомы металлов и кислотные остатки, называются солями.

Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металла. При полном замещении всех атомов водорода в молекуле кислоты образуются средние соли, например Na₂SO₄ – сульфат натрия. При частичном замещении атомов водорода образуются кислые соли, например NaHSO₄ – гидросульфат натрия (устаревшее название – бисульфат натрия).

Соли можно также рассматривать как продукты замещения гидроксидных групп в молекуле основания на кислотные остатки. При полном замещении всех гидроксидных групп образуются средние соли, например СаCl₂. При частичном замещении образуются основные соли, например Ca(OH)Cl – гидроксохлорид кальция. Очевидно, что

 

Таблица 3.1. Формулы и названия некоторых оснований, кислот и их солей.

Формула	Химическое название	Синоним (тривиальное название)	Химическое название солей
H2SO4	Серная кислота		Сульфаты
HNO3	Азотная кислота		Нитраты
HCl	Хлористоводородная кислота	Соляная кислота	Хлориды
H2CO3	Угольная кислота		Карбонаты
NaOH	Гидроксид натрия	Едкий натр, каустическая сода
KOH	Гидроксид калия	Едкое кали
Ca(OH)2	Гидроксид кальция	Гашеная известь
NH4OH	Гидроксид аммония	Водный ам-миак, наша-тырный спирт

основные соли не могут быть образованы гидроксидами одновалентных металлов.

Приведем некоторые химические свойства солей:

1) взаимодействие с растворимыми в воде основаниями (NaOH, КOH, Са(OH)₂); реакции протекают в том случае, если образующийся гидроксид плохо растворим в воде.:

Zn(NO₃)₂ + 2NaOH =2 NaNO₃ + Zn(OH)₂ ↓.

Стрелка означает, что гидроксид цинка выпадает в осадок.

2) взаимодействие с кислотами; реакция протекает, если продукт реакции является летучим:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂CO₃;

Угольная кислота неустойчива, легко разлагается на воду и летучий углекислый газ. Иначе реакция может быть записана так:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂О + CO₂↑.

Стрелка означает, что углекислый газ улетучивается.

3) Соли взаимодействуют друг с другом, если один из продуктов реакции плохо растворим в воде:

Na₂CO₃ + СаCl₂ = СаCO₃↓ + 2NaCl.

 

 

Основные понятия

Степень окисления элементов в ходе химических реакций может не изменяться, и такие реакции называют обменными. Примерами обменных реакций могут быть реакции взаимодействия кислот и оснований (реакции нейтрализации).

В то же время очень многие реакции сопровождаются изменением степеней окисления участвующих в них элементов, например:

2Mg + O₂ = 2MgO.

Степень окисления магния и кислорода до реакции равна нулю. В ходе реакции магний, как типичный металл отдаёт 2 электрона и приобретает заряд 2+, а кислород, как типичный неметалл принимает 2 электрона и приобретает заряд 2-. Эти процессы можно записать в виде схем:

Mg - 2e → Mg²⁺,

O + 2e → O^2-.

Процесс потери электронов называют окислением, а вещество, отдающее электроны является восстановителем; магний является восстановителем, он окисляется. Процесс принятия электронов называют восстановлением, а вещество, принимающее электроны является окислителем; атом кислорода является окислителем, он восстанавливается.

Массовая доля

Концентрация вещества – физическая величина (размерная или безразмерная), определяющая количественный состав раствора или смеси. Ниже будут рассмотрены два способа выражения концентрации растворов – массовая доля и молярная концентрация растворенного вещества.

Массовая доля растворенного вещества В (символ ω_В, безразмерная величина) – равна отношению массы растворенного вещества В (m_B) к массе раствора (m_p):

( 5.1.)

Умножая массовую долю на сто, получают массовый процент растворенного вещества (В), называемый часто процентной концентрацией, хотя термин «процентная концентрация» не рекомендован к использованию.

Масса раствора и объем связаны между собой соотношением:

m = ρ∙V, (5.2.)

где: m – масса раствора; V – объём раствора; ρ – плотность раствора.

Отметим, что для приближенных расчётов плотность воды при температурах, не сильно отличающихся от 25^оС, принимают равной 1 г/см³.

Пример 5.1. Найти массу хлорида натрия и воды, содержащиеся в 300г раствора поваренной соли с массовой долей 0,06.

Решение. Массовая доля 0,06 означает, что в 100г раствора содержится 6г NaCl. Следовательно:

в 100г раствора содержится 6г NaCl,

а в 300г “ “ “ х г “

.

Масса раствора равна сумме массы растворителя и растворенного вещества, следовательно, масса растворителя равна разности масс раствора и растворенного вещества

300 - 18 = 282г H₂O.

Пример 5.2. Какой объем воды потребуется для приготовления раствора сульфата натрия с массовой долей 0,01 исходя из 15г соли?

Решение. Массовая доля соли равная 0,01 означает, что в 100г раствора содержится 1г растворенного вещества.

1г Na₂SO₄ содержится в 100г раствора

15г “ “ “ х г “ “

Масса раствора равна сумме массы растворителя и растворенного вещества, следовательно, масса растворителя равна разности масс раствора и растворенного вещества

1500 -15 = 1485г.

Плотность воды принимаем ρ=1 г/см³, и, следовательно, объем воды численно равен её массе и составляет 1485 см³.

Пример 5.3. Найти массы кристаллогидрата пентагидрата сульфата меди (медный купорос, CuSO₄^.5Н₂О) и воды, необходимые для приготовления 400г 5 % раствора.

Решение. Концентрация 5% означает, что в 100г раствора содержится 5г безводной соли, т.е. сульфата меди CuSO₄ (концентрация всегда выражает содержание безводной соли). Следовательно, источником части воды, входящей в состав раствора будет кристаллогидрат CuSO₄^.5Н₂О.

Найдем массу безводной соли, используя пропорцию:

100г раствора содержат 5г CuSO₄

400г “ “ x г “

.

Найдём массу кристаллогидрата, соответствующую 20г безводной соли, исходя из молярных масс CuSO₄^.5Н₂О (М=250 г/моль) и CuSO₄ (М=160 г/моль):

160г CuSO₄ содержатся в 250г CuSO₄^.5Н₂О

20г “ “ x г “

Следовательно, для приготовления 400г 5 % раствора CuSO₄, необходимо взять 31,25г CuSO₄^.5Н₂О и 400 – 31,25 = 368,75г воды. При этом в 400г раствора будет содержаться 20г CuSO₄ и 380г воды.

Пример 5.4. Найти массовую долю хлороводорода в растворе, полученном смешением 100 мл 5 % (ρ=1,023 г/см³) и 200 мл 20 % (ρ=1,098 г/см³) соляной кислоты.

Решение. Найдём массы исходных растворов:

m_5%=100^.1,023=102,3г; m_10%=200^.1,098=219,6г.

Масса раствора после смешения составит:

m=102,3+219,6=321,9г.

Найдём массы HCl, содержащиеся в исходных растворах по формуле:

m_HCl=m_р-р^.ω.

m=102,3^.0,05=5,115г;

m=219,6^.0,20=43,92г.

Масса хлороводорода в растворе после смешения составит:

m= 5,115 + 43,92 = 49,035г,

а массовая доля HCl будет:

Пример 5.5. В результате упаривания 500г 2 % раствора сульфата натрия получено 300г раствора. Найти массовую долю растворённого вещества в полученном растворе.

Решение. В процессе упаривания из раствора улетучивалась вода, т.к. сульфат натрия практически не летуч. Следовательно, масса растворённого вещества не изменилась и составляет

500^.0,02=10г Na₂SO₄.

Массовая доля сульфата натрия в растворе после упаривания составит:

.

Пример 5.6. Какой объём 98 % серной кислоты (ρ=1,8365 г/см³) и воды потребуется для приготовления 1л 5 % раствора (ρ=1,0315 г/см³)?

Решение. Найдём массу 1л 5 % раствора:

m=1000^.1,0315=1031,5г.

Масса серной кислоты в 5 % растворе составит:

m=1031,5^.0,05=51,55г.

Найдём массу 98% раствора, в которой содержится 65,75г серной кислоты:

100г 98 % раствора содержат 98г Н₂SO₄

х г “ “ “ 51,55г “

.

Объём 98 % раствора составит:

Определим массу воды, необходимую для приготовления раствора:

m=1031,5 – 52,6 =978,9г.

Принимая плотность воды равной 1,0 г/см³, получим объём воды, необходимый для приготовления 1л 5 % раствора, равный 978,9 мл.

Пример 5.7. Какой объём 2% соляной кислоты (ρ=1,008 г/см³) потребуется для получения 0,2866г хлорида серебра в результате реакции с раствором нитрата серебра?

Решение. Из уравнения реакции

HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃

следует, что

для получения 143,5г AgCl необходимо 36,5г HCl

“ 0,2666г “ “ х г “

.

В 100г раствора содержится 2г HCl

“ x г “ “ 0,0678г HCl

.

Объём 2% раствора соляной кислоты, необходимый для реакции, составит:

.

Контрольные вопросы и задачи

 

5.1. Сколько граммов серной кислоты содержится в 500г 10 % раствора? Ответ: 50г.

5.2. Какой объём воды необходим для приготовления 200г 5 % раствора хлорида калия? Ответ:190 см³.

5.3. Сколько граммов железного купороса (гептагидрат сульфата железа FeSO₄ ^.7Н₂О) необходимо для приготовления 600г 8 % раствора? Ответ: 87,8г.