Школяр UA

Основні поняття, закони й теорії хімії

Предмет хімії. Значення хімії в народному господарстві та побуті

Хімія — наука про речовини, їхні властивості, будову і взаємні пере­тво­рення.
Предмет вивчення хімії — хімічні елементи та їх сполуки, а також закономірності перебігу різних хімічних реакцій.
Приклади застосування хімії в різних галузях:
— медицина — лікарські засоби та різні медичні матеріали;
— сільське господарство — добрива, засоби захисту рослин;
— харчова промисловість — барвники, ароматизатори, смакові добавки, синтезовані харчові продукти;
— металургія — процеси добування металів та їхніх сплавів;
— хімічна промисловість — хімічні реактиви, пластмаси, штучні тка­нини, барвники;
— будівництво — будівельні матеріали: цемент, шифер, цегла, оздоблювальні матеріали тощо.
Практично неможливо перелічити всі випадки використання хімічних знань, але є ще один важливий аспект їхнього застосування: без них неможливо зрозуміти сутність явищ і процесів, досліджуваних фізикою, біологією, геологією та іншими науками.

Будова і властивості речовин

Атом — електронейтральна частинка, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів.
Молекула — найменша частинка речовини, яка має її хімічні властивості. Вона може складатися з однакових або різних атомів.
Йон — частинка, що має заряд. Позитивно заряджені йони називаються катіонами, негативно заряджені — аніонами.
Радикал — електронейтральна частинка, що має один або декілька неспарених електронів.
Речовина — сукупність атомів, молекул або йонів, що має певний агрегатний стан.
Агрегатні стани: рідкий, твердий, газоподібний, плазма.

Прості та складні речовини

Речовини поділяються на прості та складні. Прості речовини утворені атомами одного елемента, складні речовини утворені атомами різних елементів. Прості речовини поділяються на метали і неметали, а складні речовини — на неорганічні й органічні. Такий розподіл умовний, оскільки не існує чіткої межі між металами та неметалами. Багато речовин мають і ті, й інші властивості, наприклад графіт, сурма та ін. Також умовним є поділ на органічні та неорганічні речовини.

Чисті речовини та суміші

Чиста речовина — це речовина, що складається з частинок певного виду (атомів, молекул, іонів) і має сталі фізичні властивості.
Суміші речовин складаються з двох або більше чистих речовин. Чисті речовини, що входять до складу сумішей, зберігають притаманні їм властивості.

Фізичні методи дозволяють розділяти суміші на складові частини, тобто на чисті речовини.
Основні способи розділення сумішей

Фізична властивість, яку використовують для розділення сумішей Основні способи розділення сумішей
Густина Відстоювання, декантація
Змочуваність Флотація
Розмір частинок Просіювання
Магнетизм Магнітна сепарація
Температура кипіння рідини Випарювання, дистиляція, сушіння
Розчинність твердої речовини Кристалізація
Адсорбція — поглинання речовини поверхнею сорбенту (наприклад фільтрувальним папером) Хроматографія
Маса Центрифугу­вання

Молекулярна та немолекулярна будова речовин

Речовини, що складаються з молекул, мають молекулярну будову, а ті, що складаються з атомів або іонів (позитивно чи негативно заряджених частинок), характеризуються немолекулярною будовою.
Будова речовин та їх властивості

Молекулярна Немолекулярна
1. За звичайних умов — гази, рідини або тверді речовини 1. За звичайних умов — тверді кристалічні речовини
2. Слабкі сили притягання між молекулами 2. Великі сили притягання між атомами або іонами
3. Низькі температури кипіння 3. Високі температури кипіння
4. Легкоплавкі, леткі 4. Тугоплавкі

Алотропія

Багато хімічних елементів утворюють декілька простих речовин, які розрізняються за будовою кристалічних ґраток або числом атомів у молекулі. Таке явище називається алотропією, а прості речовини — алотропними видозмінами,або модифікаціями.

Ізомерія

Ізомерія — явище, при якому складні речовини мають однаковий склад і однакову молярну масу, але різну будову молекул, а тому й різні властивості. Такі речовини називаються ізомерами.

Хімічний елемент

Хімічний елемент — група атомів з однаковим позитивним зарядом ядра.
Усі відомі елементи представлені в Періодичній системі хімічних елементів Д.І.Менделєєва. Їхнє число обмежене, але комбінації цих елементів дають усе різноманіття відомих у даний час речовин (близько 10 млн).
Найпоширеніші елементи Всесвіту — Гідроген та Гелій.
Поширення хімічних елементів у літосфері Землі

Еле­мент Вміст (у грамах на 1 т земної кори)
Оксиген 466 000
Силіцій 277 200
Алюмі­ній 81 300
Ферум 50 000
Кальцій 36 300
Натрій 28 300
Калій 25 900
Проме­тій


Поширення хімічних елементів у гідросфері Землі (у воді морів і океанів)

Елемент Вміст (у грамах на 1 т води)
Оксиген 856 000
Гідроген 107 800
Хлор 19 870
Натрій 11 050
Прометій

Символи хімічних елементів

Є. Я. Берцеліус (1814 р.) запропонував для позначення символів хімічних елементів букви латинського алфавіту. При цьому використовують першу або першу й одну з наступних букв латинської назви елементу. У сучасній науковій українській літературі назви елементів пишуться з великої букви.
Назви хімічних елементів

Алюміній Aluminium Al
Аргентум Argentum Ag
Аурум Aurum Au
Бром Bromum Br
Гідроген Hydrogenium H
Ферум Ferrum Fe
Іод Iodum I
Калій Kalium K
Кальцій Calcium Ca
Оксиген Oxygenium O
Силіцій Silicium Si
Магній Magnesium Mg
Купрум Cuprum Cu
Натрій Natrium Na
Плюмбум Plimbum Pb
Сульфур Sulfur S
Карбон Carboneum C
Фосфор Phosphorus P
Флуор Fluorum F
Хлор Chlorum Cl
Цинк Zincum Zn
Меркурій Hydrargirum Hg
Хімічна формула

Склад простих і складних речовин можна записати за допомогою хімічних символів елементів та індексів, тобто написати хімічну формулу.
Індекс — число атомів даного елемента в складі молекули.

Так, до складу молекули води входять 2 атоми Гідрогену й 1 атом Оксигену, а молекула водню складається з 2 атомів Гідрогену.
Щоб показати, що число молекул чи атомів більше за 1, використовують коефіцієнт, що ставиться перед фор­мулою: — 3 молекули води; — 5 молекул водню; 2H — 2 атоми Гідрогену (порівняйте з — однією двохатомною молекулою водню).

Валентність атомів елементів. Визначення валентності й складання хімічних формул за валентністю атомів елементів

Валентність — це властивість атомів хімічного елемента утворювати хімічні зв’язки з певним числом атомів інших хімічних елементів.
За одиницю валентності прийнята валентність атома Гідрогену. Він одновалентний, тобто може утворювати тільки один зв’язок.
Кількісне значення валентності інших елементів визначається числом атомів Гідрогену, які приєднує атом даного хімічного елемента. Валентність позначається римською цифрою над символом елемента.
Наприклад:
— хлороводень — тут хлор одновалентний, тому що утримує 1 атом Гідрогену;
— амоніак — Нітроген тривалентний, тому що з’єднаний із 3 атомами Гідрогену.
Оксиген у сполуках двовалентний.
Бінарні сполуки складаються з атомів двох елементів. За формулою такої сполуки легко визначити валентність одного з елементів, знаючи валентність іншого.
Задача. Визначте валентність Фос­фору в оксиді .
Розв’язання
1) Оксиген двовалентний: .
2) Визначаємо сумарну валентність всіх атомів Оксигену: валентність (II) множимо на кількість атомів Оксигену (5): .
3) Оскільки сумарні валентності елементів повинні бути рівні, сумарна валентність Фосфору дорівнює 10.
4) 10 одиниць валентності припадають на 2 атоми Фосфору, отже, на 1 атом припадає 5 одиниць ().
Відповідь: Фосфор у даній сполуці п’ятивалентний.
Знаючи валентність елементів, можна скласти хімічну формулу, наприклад, формулу алюміній оксиду. Для цього виконуємо такі дії.
1) Записуємо хімічні символи — AlO.
2) Знаходимо найменше спільне кратне валентності: .
3) Найменше спільне кратне ділимо на валентність кожного з елементів. Отримані цифри є індексами: .
Валентність для елементів I, II, III груп Періодичної системи Менделєєва в ос­новному дорівнює номеру групи; для елементів інших груп валентність — величи­на змінна. У цьому випадку одне з її значень дорівнює номеру групи.
При змінній валентності одного з елементів у сполуці значення її вказується в дужках поруч із формулою: карбон(ІІ) оксид — СО; карбон(IV) оксид — , де II, IV — значення валентностей Карбону.

Атомна маса

Абсолютні значення мас атомів елементів — дуже малі величини, і користуватися ними незручно. Тому в розрахунках застосовують відносні значення мас атомів.
Атомною одиницею маси (а. о. м.) називається 1/12 частина маси атома Карбону.
Відносною атомною масою називається число, що показує, у скільки разів маса одного атома елемента більша за 1/12 маси атома Карбону:

де m — маса атома будь-якого елемента, — маса атома Карбону.
Наприклад,

Відносна атомна маса — величина безрозмірна.

Молекулярна маса

Відносна молекулярна маса — число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси молекули вуглецю. Це безрозмірна величина, що позначається Mr.


Відносну молекулярну масу обчислюють додаванням відносних атомних мас всіх елементів, що входять у молекулу, з урахуванням індексів.
Наприклад:
;
;
.

Масова частка

Масова частка елемента в речовині (?) — це відношення його відносної атомної маси до відносної молекулярної маси речовини, до складу якої він входить. Вона виражається в частках одиниці чи у відсотках:
,
де n — кількість атомів елемента в да­ній речовині.
Задача. Знайти масові частки Гідрогену й Оксигену у воді.
Розв’язання
1) Спочатку визначаємо :
;
.

2) Знаходимо масову частку Гідрогену ?(H), що дорівнює відносній атомній масі Гідрогену, діленої на відносну молекулярну масу води: ; , або, помноживши на 100 %, одержимо 11 %.
3) Знаходимо масову частку Оксигену ?(O), що дорівнює відносній атомній масі Оксигену, діленої на відносну молекулярну масу води: , або, помноживши на 100 %, одержимо 89 %.
Відповідь:
Знаючи хімічну формулу речовини, можна знайти відношення мас елементів у її складі. Наприклад, відношення мас елементів у сірководні , або .

Кількість речовини. Стала Авоґадро. Молярна маса

Кількість речовини (n)— це визначене число будь-яких структурних одиниць (атомів, молекул, іонів тощо). Одиниця виміру кількості речовини — моль.
В 1 моль число будь-яких частинок дорівнює , тобто стільки ж, скільки міститься в 0,012 кг вуглецю. Це число визначене експериментально і називається сталою Авоґадро:
.
Використовуючи сталу Авоґадро, можна розрахувати число структурних одиниць речовини N у відомій кількості речовини n:
.
Маса 1 моль називається молярною масою (M). Її можна обчислити за формулою:
.
Розмірність молярної маси — г/моль.
Чисельні значення молярної і відносної молекулярної мас збігаються, тобто .
Наприклад:
;
г/моль.
Визначивши кількість речовини, можна знайти число молекул (атомів, іонів) у даній масі речовини.
Задача. ;
Розв’язання
Спочатку знайдемо, якій кількості речовини відповідає ця маса:
; моль;
моль.
Потім розрахуємо число молекул речовини:
; ;
(молекул).
Відповідь: молекул.
Знаючи кількість речовини і молярну масу, легко розрахувати масу речовини.
Задача. моль; m = ?
Розв’язання.
;
г/моль;
;
г.
Відповідь: 80 г.
Знаючи масу і кількість речовини, можна визначити молярну масу.
Задача. г; моль; М = ?
Розв’язання.
; ; г/моль.
Відповідь: 40 г/моль.

Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях. Закон Авоґадро

Закон об’ємних відношень Гей -Люссака

Гази реагують між собою у певних об’ємних відношеннях. У 1808 р. Ж. Л. Гей-Люс­сак установив таку закономірність:
Об’єми газів, що вступають у реакцію, відносяться один до одного і до газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.
Відкритий ученим закон відомий у хімії як закон об’ємних відношень. Для його дотримання необхідно, щоб об’єми газів, що беруть участь у реакції, вимірювалися за однакових температур і тиску.
Відношення об’ємів газів, що вступають у хімічну реакцію, відповідають коефіцієнтам рівняння, наприклад: .
У даному випадку 3 об’єми водню реагують з 1 об’ємом азоту внаслідок чого утворюються 2 об’єми аміаку, тобто витримується співвідношення .
Задача. Який об’єм водню необхідний для реакції з 2 м3 азоту?
Розв’язання
Із рівняння реакції видно, що об’єм водню повинний бути в 3 рази більшим від об’єму азоту:
об’єм водню м3.

Закон Авоґадро

Для пояснення простих співвідношень між об’ємами газів, що реагують, використовують закон Авоґадро: В однакових об’ємах різних газів за однакових умов (температура і тиск) міститься однакове число молекул.
Із закону Авоґадро випливають два наслідки:
1) Один моль будь-якого газу за однакових умов займає однаковий об’єм.
За нормальних умов (н. у.), тобто при температурі 273 К і тиску 101,3 кПа (1 атм), 1 моль будь-якого газу займає об’єм, що дорівнює 22,4 л. Цей об’єм називають молярним об’ємом газу й позначають як л/моль.
Молярний об’єм можна розрахувати за формулою
.
2) При постійному тиску й температурі густина газу визначається тільки його молярною масою.
Це дозволяє ввести поняття відносної густини першого газу за другим:
,
де D — відносна густина, що показує, у скільки разів перший газ важчий за другий за однакових умов.
Найчастіше використовують відносну густину газу за воднем. Тоді:
; .
Можна розрахувати відносну густину за будь-яким газом.

Довідник формул

Величина Формули
Маса m (г) ; ;
Об’єм V (л) ; ;
Кількість речовини n (моль) ; ;
Молярна маса M (г/моль) ; ;
Число частинок N ; ;
Густина
(г/мл)
Відносна густина D
Масова частка елемента в складній речовині
Масова частка (%)
Маса розчину ;
Вихід продукту реакції (%)
Об’єм газу за певних умов


Vm — молярний об’єм газу, за н. у. 22,4 л/моль,
NA — число Авоґадро, 6,02 • 1023 моль–1,
R — універсальна газова стала, 8,31 моль • ,
Ar — відносна атомна маса,
Mr — відносна молекулярна маса.

Розрахунки за хімічними рівняннями

Розрахунок кількості речовини реагентів і продуктів реакції

Задача. Яка кількість речовини водню вступить у реакцію з 2 моль азоту? Яка кількість речовини амоніаку при цьому утвориться?
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції, зрівнюємо його:
.
2) Коефіцієнти в даному рівнянні показують співвідношення кількості речовин реагентів і продуктів реакції, тобто з 1 моль азоту реагують 3 моль водню, у результаті чого утворюється 2 моль амоніаку.
3) Для розв’язання задачі можна використати пропорцію:
за рівнянням 1 моль — 3 моль ;
за даними задачі 2 моль x моль .
звідси моль .
4) Аналогічно розрахуємо кількість речовини амоніаку:
за рівнянням 1 моль — 2 моль ;
за даними задачі 2 моль x моль .
Звідси моль .
Відповідь: моль; моль.
Задача. У реакцію з воднем вступають 14 г азоту. Визначте масу і кількість речовини амоніаку, що утворився.
Розв’язання
1) Як завжди, записуємо рівняння реакції:
.
2) Переводимо масу азоту в молі за формулою ; г/моль;
(моль).
3) Тепер визначимо кількість речовини амоніаку:
за рівнянням 1 моль — 2 моль ;
за даними 0,5 моль x моль .
Звідси моль .
4) Визначимо масу цієї кількості амоніаку:
; г/моль;
(г).
Відповідь: г, моль.

Розрахунки з використанням об’ємів газів

Задача. Який об’єм азоту (н. у.) необхідний для утворення 3 моль ?
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) Знаходимо кількість речовини азоту:
за рівнянням 1 моль — 2 моль ;
за даними задачі x моль — 3 моль .
Звідси моль .
3) Переводимо кількість речовини в об’єм за формулою (оскільки об’єм азоту визначається за н. у., у розрахунках можна використовувати молярний об’єм газу, тобто 22,4 л/моль):
(л).
Відповідь: л.
Задача. Ускладнимо попередню задачу. Яку масу азоту та який об’єм водню потрібно взяти для добування 11,2 л амоніаку (н. у.)?
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) Об’єм водню можна розрахувати:
а) за законом об’ємних відношень:
; ;
б) знаходимо кількість речовини амоніаку:
; (моль);
знаходимо кількість речовини водню:
за рівнянням 3 моль — 2 моль ;
за даними x моль — 0,5 моль .
Звідси (моль).
Переходимо від кількості речовини до її об’єму:
; (л).
3) Знаходимо кількість речовини азоту. Для цього використаємо вже обчислену кількість речовини амоніаку:
за рівнянням 1 моль — 2 моль ;
за даними x моль — 0,5 моль .
Звідси (моль).
4) Переходимо від кількості речовини азоту до її маси:
; г/моль;
(г).
Відповідь: г, л.

Розрахункові задачі на надлишок одного з реагентів

Реагенти цілком вступають у реакцію тільки в тому випадку, якщо вони взяті в еквімолярних відношеннях. Часто кількість речовини одного з реагентів перевищує кількість, необхідну для повної взаємодії з іншим реагентом, тобто він узятий у надлишку. У такому випадку іншого реагенту недостатньо, тобто він узятий у недостачі.
Задача. Яку масу сульфур(VI) оксиду можна одержати з 10 г сульфур(IV) оксиду і 5,6 л кисню (н. у.)?
Розв’язання
1) Запишемо рівняння реакції:

2) Приймемо, що маса (об’єм) одного з реагентів невідома, тобто дорівнює y. Нехай це буде маса сульфур(IV) оксиду. Складемо пропорцію й обчислимо масу сульфур(IV) оксиду за відомим об’ємом кисню:
;
(г).
3) Маса сульфур(IV) оксиду (32 г), необхідна для взаємодії з даним об’ємом кисню (5,6 л), більше маси суль­фур(IV) оксиду, даної в умові задачі (10 г). Отже, сульфур(IV) оксид надано у недостачі, а кисень — у надлишку.
4) Обчислення кінцевого продукту потрібно вести по недостачі (по сульфур(IV) оксиду). Обчислимо масу сульфур(VI) оксиду:
;
.
Відповідь: г.
Задача. Який об’єм амоніаку утвориться з 6 л водню і 4 л азоту? Який газ залишиться в надлишку? Знайдіть об’єм надлишку. (Усі об’єми газів дано при н. у.)
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) Керуючись законом Гей-Люссака, об’єми газів легко порівняти.
За рівнянням реакції: .
За даними задачі: .
Очевидно, що азот узятий у надлишку, а водень у недостачі. Об’єм отриманого амоніаку обчислюємо за воднем:
; .
3) Для визначення об’єму надлишку обчислюємо необхідний об’єм азоту, прийнявши його за y:
; .
Надлишковий об’єм азоту: .
Відповідь: , надлишковий об’єм азоту — 2 л.

Розрахункові задачі з урахуванням виходу продукту реакції

Вихід продукту реакції — це відношення маси (об’єму, кількості речовини) фактично отриманого продукту до максимально можливого, обчисленого за рівнянням реакції. Виражається в частках одиниці чи відсотках і обчислюється за формулою:
.
Задача. Яку масу сульфатної кислоти можна одержати з 40 г сульфур(VI) оксиду, якщо вихід реакції 80 % (0,8)?
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) Знайдемо кількість речовини суль­фур(VI) оксиду:
; ;
.
3) Відповідно до рівняння реакції:
моль.
4) Визначимо, яку масу мають 0,5 моль сульфатної кислоти:
; ;
(г).
Масу продукту реакції, обчислену без обліку втрат за рівнянням реакції, називають теоретичним виходом . Він завжди дорівнює 100 %.
5) Обчислимо практично отриману масу сульфатної кислоти , чи практичний вихід:
, .
Практично отримана маса повинна бути меншою за масу, обчислену за рівнянням реакції: 39,2 г < 49 г.
Відповідь: г.
Задача. Яку масу сульфур(VI) оксиду необхідно взяти для одержання 73,5 г сульфатної кислоти, якщо вихід реакції 75 %?
Розв’язання
У задачі дано масу сульфатної кислоти, яку треба одержати фактично. Використовувати практичні дані для розрахунків за хімічними рівняннями не можна, необхідно перейти до теоретичних даних.
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) За розраховуємо масу сульфатної кислоти, необхідну для теоретичних розрахунків :
,
.
3) Визначимо кількість речовини сульфатної кислоти:
; ;
.
4) За рівнянням реакції кількості сульфатної кислоти й сульфур(VI) оксиду рівні, отже, .
5) Знаходимо масу витраченого сульфур(VI) оксиду:
; ; .
Відповідь: г.
Задача. Із сульфур(VI) оксиду масою 40 г було отримано 41,16 г сульфатної кислоти. Обчисліть вихід продукту реакції.
Розв’язання
1) Записуємо рівняння реакції:
.
2) Практично отримана маса сульфатної кислоти г. Для визначення виходу продукту реакції потрібна ще й теоретично обчислена маса.
3) Знайдемо кількість речовини сульфур(VI) оксиду:
; ;
.
4) За рівнянням реакції кількості сульфатної кислоти й сульфур(VI) оксиду рівні, отже, .
5) Обчислимо масу сульфатної кислоти за рівнянням реакції :
; ;
.
6) Знайдемо вихід продукту реакції:
; .
Відповідь: %.

 

© 2009-2019 Школяр UA

Натисніть клавішу Enter для пошуку
Натисніть клавішу Enter для пошуку