Основные понятия и законы химии

1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ
ХИМИИ
1

2.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ.
Все вещества состоят из атомов, молекул, ионов.
Из атомов состоят:
• все металлы
• многие неметаллы (инертные газы, С,Si, B, Se).
Из молекул состоят:
• практически все органические вещества
• небольшое количество неорганических
простых и сложных веществ
- Газообразные H2, O2, N2, Cl2, CO, CO2, SO2, NO, H2S, HHal);
- Жидкие( H2O, Br2,);
- Твердые ( P4, S8)
2

3.

Из ионов состоят:
• все соли
• некоторые оксиды ( CaO)
• многие гидроксиды (основания и кислоты)
Атомы, молекулы и ионы находятся
непрерывном тепловом движении.
Между
атомами,
молекулами
имеются промежутки
и
в
ионами
Между
атомами,
молекулами
и
ионами
существуют силы взаимного притяжения и
отталкивания, имеющие электростатическую
природу.
СТРУКТУРНЫЕ (ФОРМУЛЬНЫЕ)
ЕДИНИЦЫ ВЕЩЕСТВ
АТОМ наименьшая химически неделимая
частица вещества.
3

4.

АТОМ - наименьшая частица химического элемента,
сохраняющая его свойства
ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ – совокупность атомов с
одинаковым зарядом ядра.
Например химический элемент водород (Н) – это
совокупность изотопов 11H, 12H, 13H.
АТОМ электронейтральная частица, состоящая из
положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг
ядра по строго определенным орбитам отрицательно
заряженных электронов.
Основной
характеристикой
атома
является
его
относительная атомная масса (Ar) – число, показывающее во
сколько раз масса данного атома больше массы 1/12 части
атома естественного изотопа 12С, принятой за единицу и
называемой атомной единицей массы (а.е.м.)
m(а.e.м.) = 1.66 .10-24 г.
4

5.

m( A)
m( A) г
Ar ( A)
m(а.е.м.) 1.66 10 24 г
Атомы химических элементов существуют отдельно друг от друга в
свободном состоянии только при очень высоких температурах.
В остальных случаях формой существования атома
являются молекулы простых и сложных веществ.
Простое вещество - вещество, молекулы которого состоят из
атомов одного вида (одного химического элемента). Cu, S8, H2 и др.
Многие химические элементы образуют несколько простых
веществ. Это явление называется аллотропией.
Простые вещества, образованные одним и тем же
химическим элементом, называются
аллотротропными
модификациями или аллотропными видоизменениями
данного химического элемента.
5

6.

Явление аллотропии обусловлено двумя причинами:
• Различным числом атомов в молекуле (O2, O3; S2, S8; P, P4 ).
• Различным строением кристаллической решетки вещества
( алмаз, графит, карбин, фуллерен).
Простые вещества имеют
атомную (инертные газы, С, Si);
металлическую (металлы);
молекулярную структуру и встречаются только
среди неорганических веществ.
Сложное вещество - вещество, молекулы которого
состоят из атомов разного вида (разных химических
элементов). CuS, SiO2 , H2SO4 и др.
6

7.

Сложные вещества имеют
• атомную (SiO2);
• молекулярную ( все органические вещества, HCl, CO2 и др.)
• ионную (NaCl, KOH, CaO) cтруктуру.
МОЛЕКУЛА – наименьшая электронейтральная частица вещества,
сохраняющая его химические свойства.
Одной из основных характеристик вещества является относительная
молекулярная масса (Mr).
Относительной молекулярной массой (Mr) вещества называется
число, показывающее во сколько раз масса данной молекулы больше
массы 1/12 части атома 12С .
m( X )
m( X ) г
Mr
m(а.е.м.) 1.66 10 24 г
Аr и Mr величины БЕЗРАЗМЕРНЫЕ
7

8.

Единицей измерения количества
является МОЛЬ [n(X) или ν(X)] -
вещества
в
химии
- Количество вещества, содержащее столько структурных
(формульных) единиц (атомов, молекул, ионов, электронов,
эквивалентов и т.д.), сколько атомов содержится в 12 г (0,012 кг)
естественного изотопа 12С.
В 12 г естественного изотопа 12С содержится 6.02 .1023 атомов постоянная Авогадро или число Авогадро (NА ).
Моль – такое количество вещества, в котором, независимо от
агрегатного состояния, содержится 6.02.1023 структурных единиц
вещества.
8

9.

Следует различать понятия «моль
химического элемента», «моль ионов»
вещества»,
«моль
атомов
Моль вещества содержит столько моль каждого химического
элемента, сколько атомов этого элемента содержится в одной
молекуле вещества.
Например, 1 моль вещества H2О содержит 2моль атомов
элемента Н и 1 моль атомов элемента О.
Или 1 моль вещества Na2SO4 содержит 2моль ионов Na+ и 1 моль
ионов SO42-.
9

10.

Масса 1 моль вещества Х называется молярной массой М(Х)
Численное значение молярной массы (в г/моль) совпадает с
относительной молекулярной массой.
ОСНОВНЫЕ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ
ЗАКОНЫ ХИМИИ
Стехиометрия – раздел химии, рассматривающий количественные
(массовые , объемные) соотношения между реагирующими
веществами.
Расчеты таких количественных соотношений между элементами
в соединении или между веществами в уравнениях химических
реакций, вывод формул называются стехиометрическими
расчетами.
10

11.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ: масса веществ вступивших в
химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в
результате реакции.
ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ВЕЩЕСТВА: - всякое чистое
вещества, независимо от способа его получения, имеет постоянный
качественный и количественный состав.
Закон
применим
ТОЛЬКО
К
СОЕДИНЕНИЯМ
С
МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ (дальтониды).
Из закона постоянства состава вещества следует, что атомы
элементов соединяются друг с другом
в строго
определенных количественных соотношениях.
То же можно сказать и о взаимодействии сложных веществ.
Были
введены
понятия
фактора
эквивалентности
(равноценности) и молярной массы эквивалента.
11

12.

Фактором эквивалентности (fэкв) называется число, показывающее
какая доля частицы (атома, молекулы) этого вещества равноценна
одному Н+ в реакциях обмена или одному электрону в ОВР.
Масса 1 моль эквивалента вещества Х называется
молярной массой эквивалента Мэкв .
ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ: массы реагирующих веществ прямо
пропорциональны молярным массам эквивалентов этих веществ
Или количества эквивалентов реагирующих веществ равны.
(fэкв А) = (fэкв В)
12

13.

ЗАКОНЫ ГАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ
ЗАКОНЫ ОБЪЕМНЫХ ОТНОШЕНИЙ (Ж. ГЕЙ-ЛЮССАК, 1805)
H2 + Cl2 = 2 HCl
1 моль
1 моль
2 моль
1V
1V
2V
ЗАКОН АВОГАДРО:
в равных объемах различных газов при одинаковых
условиях (Т, Р) содержится равное число молекул.
13

14.

СЛЕДСТВИЯ ИЗ ЗАКОНА АВОГАДРО:
1. При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает
одинаковый объем.
2. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем
22,4 л (молярный объем или объем Авогадро).
Vm=22,4 л/моль;
н.у. : Т = 273К; Р = 101,3 кПа
V (X )
(X )
Vm
3. Отношение масс равных объемов различных газов равно
отношению их молекулярных масс.
Отношение масс получило название относительной плотности D
первого газа по второму.
14

15.

ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ
отражают качественный и количественный состав молекулы с
помощью символов химических элементов, а также
показывают количественные соотношения между атомами в
молекуле вещества.
Например, H2O.
Молекула воды состоит из атомов двух
химических
элементов:
водорода
(Н)
и
кислорода (О) – качественный состав.
Из 2 атомов элемента водорода и 1 атома элемента кислорода
– количественный состав.
Мольное соотношение атомов в молекуле:
( H ) : (O) 2 : 1
15

16.

Различают простейшие химические формулы, которые
отражают только мольные соотношения между атомами.
Истинные
химические
формулы
количественный состав атомов
показывают
Например, при мольном соотношении
(C ) : ( H ) 1 : 2
простейшая формула CH2 , а истинная формула (СН2)n
м.б. C2H4 или С3Н6 или др.
Массовую долю химического элемента в молекуле можно
рассчитать:
m( Э )
(Э)
m(в ва )
m( Э )
(Э)%
100%
m(в ва)
16

17.

n Ar ( Э )
100%
( Э )%
M r (в ва )
Например, в Н2О.
Mr(H2O) = 2Ar(H) + Ar(O) = 2+1 = 18
n Ar ( H )
2 1
( H )
0,1111(11,11%)
M r ( H 2O )
18
n Ar (O )
1 16
(O )
0,8889(88,89%)
M r ( H 2O )
18
Можно провести обратный расчет: вывести химическую
формулу по массовым долям элемента в молекуле
вещества.
17

18.

Задача 1.
Определить простейшую формулу соединения калия с
марганцем и кислородом, если массовые доли элементов в
этом веществе составляют, соответственно 39,6%, 27,9%,
32,5%.
Дано:
ω(K) = 39,6%
ω(Mn)= 27,9%
ω(O) = 32,5%
KxMnyOz - ?
Решение:
1. Для установления молекулярной
формулы необходимо определить
количественные соотношения между
атомами:
ν(K) : ν(Mn) : ν(O) = x : y : z
Количество вещества связано с массой вещества и
молярной массой уравнением
m( X )
(X )
M (X )
18

19.

2. Для того, чтобы перейти к массе атомов, введем дополнительное
условие:
Пусть масса вещества равна 100 г , тогда используя формулу
m( Э )
(Э)%
100%
m(в ва)
получаем, что m(Э) = ω(Э)% . Т.е.
m(K) = 39,6г
ν(K) = m(K) : M(K) =39,6г :39г/моль =1,0154 моль
m(Mn)= 27,9г
ν(Mn) = 27,9г :55г/моль =0,507 моль
m(O) = 32,5г
ν(O) =32,5г :16г/моль =2,0313 моль
3. Находим простейшее количественное соотношение атомов и
простейшую формулу
ν(K) : ν(Mn) : ν(O) = 1,0154 : 0,507 : 2,0313 = 2 : 1 : 4
K2MnO4
Ответ: простейшая формула вещества K2MnO4
19

20.

Задача 2.
Составить
истинную
молекулярную
формулу вещества
(CXHYClZ)n, если известно, что массовые доли углерода и водорода
в нем равны 0,378 и 0,063 соответственно, а плотность его паров по
воздуху 4,38.
Дано:
ω(C) = 0,378
ω(H) = 0,063
D(возд) = 4,38
Решение:
1. Для установления молекулярной
формулы
необходимо
определить
количественные
соотношения между атомами:
(CXHYClZ)n - ?
ν(C) : ν(H) : ν(Cl) = x : y : z
2. Определяем массовую долю хлора в веществе:
ω(Cl) = 1 – [ω(C) + ω(H)] = 1 - 0,378 – 0,063 = 0,559
Массовая доля атомов в % :
ω (C) = 37,8%, ω (H) = 6,3%, ω (Cl) = 55,9%.
20

21.

Далее, как в предыдущем примере:
m(С) = 37,8г
ν(C) = m(C) : M(C) =37,8г :12г/моль =3,15 моль
m(H) = 6,3г
ν(H) = 6,3г : 1г/моль = 6,3 моль
m(Cl) = 55,9г
ν(Cl) =55,9г :35,5г/моль =1,575 моль
3. Находим простейшее количественное соотношение атомов и
простейшую формулу
ν(C) : ν(H) : ν(Cl) = 3,15 : 6,3 : 1,575 = 2 : 4 : 1
C2H4Cl – простейшая формула; Mr(C2H4Cl) = 63,5
4. Используя
дополнительно сформулированное условие об
относительной плотности, находим истинную молярную массу :
Mr(C2H4Cl)n = 4,38 . 29 = 127
21

22.

Вычисляем коэффициент кратности и составляем
истинную формулу вещества:
Истинная формулу вещества C4H8Cl2
Ответ:
истинная формулу вещества C4H8Cl2
Задача 3.
При каталитическом окислении аммиака получили 89 м3
паров воды. Найдите объемы израсходованных в процессе
реакции аммиака, кислорода и полученного оксида азота (II).
22

23.

Дано:
V(H2O)г = 89м3
Решение:
1. Запишем уравнение реакции
V(NH3), V(O2),
V(NO) - ?
89м3
4 NH 3 5O2 4 NO 6H 2O
2. Т.к. все газообразные вещества находятся в одной
реакционной системе, при одинаковых условиях, то для
расчета можно использовать закон объемных отношений
Гей-Люссака.
Согласно
закону,
отношение
объемов
реагирующих
газообразных веществ и продуктов реакции соответствуют
уравнению:
V ( NH 3 ) : V (O2 ) : V ( NO) : V ( H 2 O( пар) ) 4 : 5 : 4 : 6
23

24.

89м3
4 NH 3 5O2 4 NO 6 H 2O
V(NO) = 4/6 V(H2O) = 4/6 . 89 = 59,3 (м3)
V(O2) = 5/6 V(H2O) = 5/6 . 89 = 71,2 (м3)
V(NH3) = 4/6 V(H2O) = 4/6 . 89 = 59,3 (м3)
Ответ: V(NO) = 59,3 (м3); V(O2) = 71,2 (м3); V(NH3) = 59,3 (м3).
Задача 4.
Какой газ и в каком объеме останется в избытке после
взаимодействия 40 л азота и 40 л водорода?
Дано:
V(H2) = 40 л
V(N2) = 40 л
V(газа)изб. -?
Решение:
1. Запишем уравнение реакции
N 2 3H 2 2 NH 3
1V
40 л
3V
40 л
24

25.

2. Т.к. все газообразные вещества находятся в одной
реакционной системе, при одинаковых условиях, то для
расчета можно использовать закон объемных отношений
Гей-Люссака.
Согласно
закону,
отношение
объемов
реагирующих
газообразных веществ и продуктов реакции соответствуют
уравнению:
V(N2) : V(H2) = 1 : 3
По условию отношение объемов реагирующих газообразных
веществ
V(N2) : V(H2) = 40 л : 40 л = 1 : 1
Следовательно водород в недостатке.
Расчет ведем по объему водорода.
13,3 л
40 л
N 2 3H 2 2 NH 3
40 л
Ответ: V(N2)изб = 26,7 (л)
V(N2) = 1/3 V(H2) = 1/3 . 40 = 13,3 (л)
V(N2)изб = 40 - 13,3 = 26,7 (л)
25

26.

Задача 5.
При сгорании 24,6г вещества образовалось 26,88 л (н.у.)
углекислого газа, 9 г воды и 2,24 л (н.у.) азота. 1 л паров
этого вещества (при н.у.) имеет массу 5,491 г. Установите
формулу вещества
Дано:
m(в-ва) = 24,6 г
V(CO2) = 26,88 л (н.у.)
V(N2) = 2,24 л (н.у.)
m(H2O) = 9 г
m(паров в-ва) = 5,491 г
V((паров в-ва) = 1л
Cx HyNz(Om) - ?
Решение:
1. Напишем схему реакции:
CxHyNz(Om) + O2 → CO2 + H2O + N2
2. Так как в составе продуктов сгорания
содержатся :
-СО2 , то в-во в своем составе
имеет С;
- Н2О, то в-во в своем составе
имеет Н;
- N2 , то в-во в своем составе
имеет N

27.

3. Рассчитаем количество элементов, действительно входящих в
состав вещества.
V (CO2 )
26,88 л
(CO2 )
1,2 моль
Vm
22,4 л / моль
(C) (CO2 ) 1,2 моль;
m( H 2 O)
9г
( H 2 O)
0,5 моль
M ( H 2 O) 18г / моль
( H ) 2 (H 2O) 1,0 моль;
V (N2 )
2,24 л
(N2 )
0,1моль
Vm
22,4 л / моль
( N ) 2 ( N 2 ) 0,2 моль;

28.

4. Необходимо проверить наличие атомов кислорода в молекуле
вещества.
Поскольку нам дана масса исходного вещества, то можно
определить суммарную массу атомов углерода, водорода и
азота.
m(С ) (С ) M (С ) 1,2 моль 12г / моль 14,4г;
m( Н ) ( Н ) M ( Н ) 1,0 моль 1г / моль 1,0г;
m( N ) ( N ) M ( N ) 0,2 моль 14г / моль 2,8г;
m(C ) m( H ) m( N ) 18,2г;
5. На массу атомов кислорода приходится:
m(O) = 24,6 – 18,2 = 6,4 (г)
m(O)
6,4г
(O)
0,4 моль
M (O) 16г / моль

29.

5. Находим простейшее количественное
атомов и простейшую формулу
соотношение
ν(С) : ν(Н) : ν(N) : ν(O) = 1,2 : 1 : 0,2 : 0,4 = 6 : 5 : 1 : 2
простейшая формула вещества C6H5NO2 ;
М(прост.) = 123 г/моль
6. Используя дополнительно сформулированное условие о массе
1 л паров вещества, находим истинную молярную массу :
m(в ва) Vm 5,491г 22,4 л / моль
M (ист)
123г / моль
V (в ва) пар
1л
Истинная формула вещества C6H5NO2