БИЛИМ БУЛАГЫ

Закон Авогадро. Молярный объём газов

Закон Авогадро: в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

(1811 г, итальянский учёный Амедео Авогадро)

Cледствия закона Авогадро:

1 следствие:

Так, 6,02 ∙ 1023 молекул (1 моль) любого газа и любой смеси газов при (н.у.) занимает объём равный 22,4 л.

Такой объём называется молярным объёмом и обозначается V_m

Относительная атомная и молекулярная массы

Атомы имеют очень маленький размер и очень маленькую массу. Если выражать массу атома какого-нибудь химического элемента в граммах, то это будет число перед которым находится более двадцати нулей после запятой. Поэтому измерять массу атомов в граммах неудобно.

Однако, если принять какую-либо очень малую массу за единицу, то все остальные малые массы можно выражать как отношение к этой единицы. В качестве единицы измерения массы атома была выбрана 1/12 часть массы атома углерода.

Относительной атомной массой является величина, равная отношению реальной массы атома конкретного химического элемента к 1/12 реальной массы атома углерода. Это безразмерная величина, так как делятся две массы.

A_r = m_ат. / (1/12)m_угл.

Однако абсолютная атомная масса равна относительной по значению и имеет единицу измерения а.е.м.

То есть относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса конкретного атома больше 1/12 атома углерода. Если у атома A_r = 12, значит его масса в 12 раз больше 1/12 массы атома углерода, или, другими словами, в нем 12 атомных единиц массы. Такое может быть только у самого углерода (C). У атома водорода (H) A_r = 1. Это значит, что его масса равна массе 1/12 части от массы атома углерода. У кислорода (O) относительная атомная масса равна 16 а.е.м. Это значит, что атом кислорода в 16 раз массивнее 1/12 атома углерода, в нем 16 атомных единиц массы.

Самый легкий элемент — это водород. Его масса примерно равна 1 а.е.м. У самых тяжелых атомов масса приближается к 300 а.е.м.

Обычно для каждого химического элемента его значение абсолютной массы атомов, выраженных через а. е. м. округляют.

Значение атомных единиц массы записаны в таблице Менделеева.

Для молекул используется понятие относительной молекулярной массы (M_r). Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Но поскольку масса молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительную молекулярную массу можно найти, просто сложив относительные массы этих атомом. Например, в молекулу воды (H₂O) входят два атома водорода с A_r = 1 и один атом кислорода с A_r = 16. Следовательно, M_r(Н₂O) = 18.

Ряд веществ имеет немолекулярное строение, например металлы. В таком случае их относительную молекулярную массу считают равной их относительной атомной массе. В химии важным является величина, которая называется массовая доля химического элемента в молекуле или веществе. Она показывает, какая часть относительной молекулярной массы приходится на данный элемент. Например, в воде на водород приходится 2 доли (так как два атома), а на кислород 16. То есть, если смешать водород массой 1 кг и кислород массой 8 кг, то они прореагируют без остатка. Массовая доля водорода равна 2/18 = 1/9, а массовая доля кислорода 16/18 = 8/9.

В этом разделе познакомимся с величинами, которыми вы часто будете пользоваться при решении задач, выполнении упражнений.

Современные методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большой точностью. Так, например, масса атома углерода равна 1,993•10^-26 кг. Это очень маленькая величина. Поэтому в химии используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. За единицу атомной массы принята атомная единица массы, равная 1/12 части массы атома углерода. Относительной атомной массой химического элемента называется величина, показывающая во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода. Она обозначается буквой А_r.

Относительные атомные массы указаны в периодической таблице.

Стрелкой обозначена относительная атомная масса углерода

Например А_r(Н)=1, А_r(С)=12. Атомные массы округляем до целых величин, исключая атом хлора - А_r(Cl)=35,5.

Например М_r(H₂SO₄)=1•2+32+16•4=98.

Итак, чтобы узнать относительную молекулярную массу воды (Н₂O) мы складываем относительные атомные массы с учётом индексов:

Относительная атомная масса водорода равна 1 (по таблице Менделеева) по формуле мы видим,что у нас есть 2 водорода (так как после водорода стоит индекс 2);

Относительная атомная масса кислорода равна 16 (по таблице Менделеева);

Рассчитаем относительную молекулярную массу:

М_r(Н₂O)=1•2+16=16+2=18

(1•2) т.к у нас 2 водорода.

Количество вещества

Массовые отношения(массовая доля элемента)

Формула:

Где:

W_(Э) – массовая доля элемента Э в веществе

n – число атомов элемента Э в веществе (индекс)

A_r – относительная атомная масса элемента Э

M_r(в-ва) – относительная молекулярная масса вещества

Закон постоянства веществ

К основным законам химии относится закон постоянства состава:

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж.Пруст в 1808 г.

Он писал: "От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь".

В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.

Чтобы получить сульфид железа(II), мы смешивали железо и серу в соотношении 7:4. Посмотрите видео-эксперимент. Если смешать их в другой пропорции, например 10:4, то химическая реакция произойдет, но 3 г железа в реакцию не вступит. Почему наблюдается такая закономерность? Известно, что в сульфиде железа(II) на каждый один атом железа приходится один атом серы. Следовательно, для реакции нужно брать вещества в таких массовых соотношениях, чтобы сохранялось соотношение атомов железа и серы (1:1). Поскольку численные значения атомных масс Fe, S и их относительных атомных масс A_r(Fe), A_r(S) совпадают, можно записать:A_r(Fe):A_r(S) = 56:32 = 7:4.

Отношение 7:4 сохраняется постоянно, в каких бы единицах массы ни выражать массу веществ (г, кг, т, а.е.м.). Большинство химических веществ обладает постоянным составом.

(демонстрация кристаллической решетки, рис.)

Рис. Кристаллическая решетка сульфида железа(II)

Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона), вторые - бертоллидами(в память французского химика Бертолле, предвидевшего такие соединения). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например Н₂О, НCl, ССl₄, СO₂. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям.

В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение.

Cостав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, - является постоянным независимо от способа получения. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

На основе закона постоянства состава можно производить различные расчёты, например:

В каких массовых отношениях соединяются химические элементы в серной кислоте, химическая формула которой H₂SO₄?

Решение: Используя ПСХЭ найдём относительные атомные массы химических элементов: A_r(H)=1, A_r(S)=32, A_r(O)=16.

Определим массовые отношения этих элементов в формуле H₂SO₄ m(H) : m(S) : m(O) = 2A_r(H) : A_r(S) : 4A_r(O) = 2 : 32 : 64 = 1 : 16 : 32

Таким образом, чтобы получить 49 г серной кислоты (1+16+32=49), необходимо взять 1 г - Н, 16 г - S и 32 г - О.

Закон сохранения массы веществ

Проблемный вопрос: изменится ли масса реагирующих веществ по сравнению с массой продуктов реакции?

Чтобы ответить на данный вопрос понаблюдайте за следующим экспериментом

Видео-эксперимент: Нагревание меди.

Описание эксперимента: В коническую колбу помесите 2 грамма измельченной меди. Плотно закройте колбу пробкой и взвесьте. Запомните массу колбы. Осторожно нагревайте колбу в течение 5 минут и наблюдайте за происходящими изменениями. Прекратите нагревание, и когда колба охладится, взвесьте её. Сравните массу колбы до нагревания с массой колбы после нагревания. Вывод: Масса колбы после нагревания не изменилась.

Понаблюдаем за другими видео-экспериментами:

Горение свечи в замкнутом сосуде

Сохранение массы веществ в реакциях

Вывод: Масса веществ до и после реакции не изменилась.

Формулировка закона сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

Закон сохранения массы веществ является основным законом химии, все расчеты по химическим реакциям производятся на его основе. Именно с открытием этого закона связывают возникновение современной химии как точной науки.

Закон сохранения массы был теоретически открыт в 1748 году и экспериментально подтверждён в 1756 году русским ученым М.В. Ломоносовым.

Французский учёный Антуан Лавуазье в 1789 году окончательно убедил учёный мир в универсальности этого закона. Как Ломоносов, так и Лавуазье пользовались в своих экспериментах очень точными весами. Они нагревали металлы (свинец, олово, и ртуть) в запаянных сосудах и взвешивали исходные вещества и продукты реакции.

Химические уравнения

Закон сохранения массы веществ применяется при составлении уравнений химических реакций.

Химическое уравнение – это условная запись химической реакции посредством химических формул и коэффициентов.

Посмотрим видео - эксперимент: Нагревание смеси железа и серы.

В результате химического взаимодействия серы и железа получено вещество – сульфид железа (II) – оно отличается от исходной смеси. Ни железо, ни сера не могут быть визуально обнаружены в нем. Невозможно их разделить и с помощью магнита. Произошло химическое превращение.

Запишем протекающую реакцию в виде уравнения химической реакции:

Fe + S = FeS

P + O2  

P + O2  P2O5

 P + 5O2  2P2O5

4P + 5O2  2P2O5

Глоссарий

Химическое вещество характеризуется атомной массой, а молекулы — молекулярной массой.

Атомная единица массы (а.е.м.) - ровно 1/12 часть массы атома углерода–12, в ядре которого 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронной оболочке 6 электронов. Другое название - углеродная единица. Единица, в которой измеряют массу атомов, молекул и субатомных частиц. См. также ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА и АТОМНЫЙ ВЕС.

Относительная атомная масса - обозначается символом A_r  ("r" - от английского "relative" - относительный) - отношение массы атома к массе 1/12 атома углерода–12 (см. а.е.м.). В современной научной литературе наряду с термином относительная атомная масса используюется термин АТОМНЫЙ ВЕС (как синонимы).

Относительная молекулярная масса (M_r) — величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше  1 / 12  массы атома углерода–12. Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, составляющих химическое соединение, с учетом индексов.

Моль вещества (n) — это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится их в 12 г изотопа углерода  ¹²C.

Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества равно 6,02 • 10²³. Это число называется числом Авогадро (N_A)

class="biblio"|

В 1808 Ж. Пруст сформулировал Закон постоянства состава, который гласит, что независимо от способа получения все индивидуальные вещества имеют постоянный количественный и качественный состав.

class="biblio"|

Закон сохранения вещества отражается в  законе сохранения массы, который заключается в следующем: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Вещества не исчезают и не возникают из ничего, а происходит химическое превращение. Закон является основой при составлении химических реакций и количественных расчетов в химии.

Моль - количество вещества, равное 6,022 . 10 23  структурных единиц данного вещества: молекул (если вещество состоит из молекул), атомов (если это атомарное вещество), ионов (если вещество является ионным соединением). Число 6,022 . 10 23  называется постоянной Авогадро или числом Авогадро.

Молярная масса - масса одного моля вещества в граммах называется молярной массой вещества или грамм-молем (размерность г/моль). Численное выражение молярной массы (грамм-моля) в граммах совпадает с молекулярным весом (или атомным, если вещество состоит из атомов) в единицах а.е.м.