Законы химии

Законы химии

Составление химических уравнений

Для составления уравнения реакции потребуется пройти три этапа:

 
-Запись формул веществ, вступивших  в реакцию (слева) и продуктов  реакции (справа), соединив их по  смыслу знаками "+" и " " :

HgO

 
-Подбор коэффициентов для каждого  вещества так, чтобы количество  атомовкаждого элемента в левой и правой части уравнения было одинаково:

2HgO 

Расчеты по химическим уравнениям 

Расчеты по химическим уравнениям (стехиометрические расчеты) основаны на законе сохранения массы веществ. В реальных химических процессах из-за неполного протекания реакций и потерь масса продуктов обычно меньше теоретически рассчитаной. Выходом реакции (h)называют отношение реальной массы продукта (mp) к теоретически возможной (mт), выраженное в долях единицы или в процентах.

h= (mp / mт) · 100%

Если в условиях задач выход  продуктов реакции не указан, его в расчетах принимают за 100% (количественный выход).

Пример 1 
Сколько г меди образуется при восстановлении 8 г оксида водородом, если выход реакции составил 82% от теоретического?

Решение

CuO + H2

 
Рассчитаем теоретический выход меди по уравнению реакции: 80 г (1 моль) CuO при восстановлении может образовать 64 г (1 моль) Cu; 8 г CuO при восстановлении может образовать Х г Cu

Определим, сколько граммов меди образуется при 82% выходе продукта:

6,4 г –– 100% выход (теоретический) 
Х г –– 82% 
X = (8 · 82) / 100 = 5,25 г

Пример 2 
Определите выход реакции получения вольфрама методом алюминотермии, если из 33,14 г концентрата руды, содержащей WO3 и невосстанавливающиеся примеси (массовая доля примесей 0,3) было получено 12,72 г металла?

Решение

Определим массу (г) WO3 в 33,14 г концентрата руды

w(WO3)= 1,0 - 0,3 = 0,7 
m(WO3) = w(WO3) · mруды = 0,7 · 33,14 = 23,2 г  
 
Определим теоретический выход вольфрама в результате восстановления 23,2 г WO3 порошком алюминия.

WO3 + 2Al 

При восстановлении 232 г (1 г-моль) WO3 образуется 187 г (1 г-моль) W, а из 23,2 г WO3 –– Х г W

X = (23,2 · 187) / 232 = 18,7 г  W

Рассчитаем практический выход вольфрама

18,7 г  W –– 100%  
12,72 г  W –– Y% 
Y = (12,72 · 100) / 18,7 = 68%

Пример 3. 
Сколько граммов осадка сульфата бария образуется при слиянии растворов, содержащих  20,8 г  хлорида бария и 8,0 г сульфата натрия?

Решение  
BaCl2 + Na2SO4   BaSO4  + 2NaCl

Расчет количества продукта реакции ведут по исходному веществу, взятому в недостатке.

Предварительно определяют, какое из двух исходных веществ находится в недостатке.

Обозначим количество г Na2SO4  –– X. 
208 г (1моль) BaCl2 реагирует с 132 г (1 моль) Na2SO4; 20,8 г –– с Х г

X = (20,8 · 132) / 208 = 13,2 г Na2SO4

Мы установили, что на реакцию с 20,8 г BaCl2 затратится 13,2 г Na2SO4, а дано 18,0 г Таким образом, сульфат натрия взят в реакцию в избытке и дальнейшие вычисления следует вести по BaCl2, взятому в недостатке.

Определяем количество граммов выпавшего осадка BaSO4. 208 г (1 моль) BaCl2 образует 233 г (1 моль) BaSO4; 20,8 г –– Y г

Y = (233 · 20,8) / 208 = 23,3 г

Закон постоянства состава. Впервые сформулировал Ж.Пруст (1808 г).

Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения. 
Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

Пример. 
CuS - сульфид меди. m(Cu) : m(S) = Ar(Cu) : Ar(S) = 64 : 32 = 2 : 1 
Чтобы получить сульфид меди (CuS) необходимо смешать порошки меди и серы в массовых отношениях 2 : 1. 
Если взятые количества исходных веществ не соответствуют их соотношению в химической формуле соединения, одно из них останется в избытке.

Например, если взять 3 г меди и 1 г серы, то после реакции останется 1 г меди, который не вступил в химическую реакцию. Вещества немолекулярного строения не обладают строго постоянным составом. Их состав зависит от условий получения.

Массовая доля элементаw(Э) показывает, какую часть составляет масса данного элемента от всей массы вещества: где n - число атомов; Ar(Э) - относительная атомная масса элемента; Mr - относительная молекулярная масса вещества.

w(Э) = (n · Ar(Э)) / Mr

Зная количественный элементный состав соединения можно установить его простейшую молекулярную формулу:

Обозначают формулу соединения Ax By Cz

Рассчитывают отношение X : Y : Z через массовые доли элементов:

w(A) = (х · Ar(А)) / Mr(AxByCz) 
w(B) = (y · Ar(B)) / Mr(AxByCz) 
w(C) = (z · Ar(C)) / Mr(AxByCz)

X = (w(A) · Mr) / Ar(А)  
Y = (w(B)  · Mr) / Ar(B) 
Z = (w(C)  · Mr) / Ar(C)

x : y : z = (w(A) / Ar(А)) : (w(B) / Ar(B)) : (w(C) / Ar(C))

Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.

Записывают формулу соединения.

Закон кратных отношений (Д.Дальтон, 1803 г.)

Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

N2O          N2O3          NO2(N2O4)          N2O5

Число атомов кислорода в молекулах этих соединений, приходящиеся на два атома азота, относятся между собой как 1 : 3 : 4 : 5. 

Закон объемных отношений (Гей-Люссак, 1808 г.)

"Объемы газов, вступающих  в химические реакции, и  объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа".

Следствие. Стехиометрические коэффициенты в  уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.

Примеры.

2CO + O2 

При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.

При синтезе аммиака из элементов:

N2 + 3H2 

Один объем азота реагирует с тремя объемами водорода; образуется при этом 2 объема аммиака - объем исходной газообразной реакционной массы уменьшится в 2 раза.

Закон Авогадро ди Кваренья(1811 г.)

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т.д.) содержится одинаковое число молекул.

Закон справедлив только для газообразных веществ.

Следствия.

Одно и то же число молекул различных газов при  одинаковых условиях занимает одинаковые объемы.

При нормальных условиях (0°C = 273°К , 1 атм = 101,3 кПа) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.

Пример 1. 
Какой объем водорода при н.у. выделится при растворении 4,8 г магния в избытке соляной кислоты?

Решение. 
Mg + 2HCl   MgCl2 + H2

При растворении 24 г (1 моль) магния в HCl выделилось 22,4 л (1 моль) водорода; при растворении 4,8 г магния –– Х л водорода.

X = (4,8 · 22,4) / 24 = 4,48 л водорода

Пример 2. 
3,17 г хлора занимают объем равный 1 л (при н.у.). Вычислите по этим данным молекулярную массу хлора.

Решение. 
Находим массу 22,4 л хлора 
1 л––3,17 г  хлора  
22,4 л–– Х г  хлора 
X = 3,17 · 22,4 = 71 г

Следовательно, молекулярная масса хлора - 71.

Объединенный газовый закон - объединение трех независимых частных газовых законов: Гей-Люссака, Шарля, Бойля-Мариотта, уравнение, которое можно записать так:

P1V1 / T1 = P2V2 / T2

И наоборот, из объединенного газового закона 
при P = const (P1 = P2) можно получить  
V1 / T1 = V2 / T2  
(закон Гей-Люссака);

при Т= const (T1 = T2):  
P1V1 = P2V2  
(закон Бойля-Мариотта);

при V = const 
P1 / T1 = P2 / T2  
(закон Шарля).

Уравнение Клайперона-Менделеева

Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клайперона-Менделеева:

pV= (m / M) RT

где m - масса газа; M - молекулярная масса; p - давление; V - объем; T - абсолютная температура (°К); R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль · К) или 0,082 л атм/(моль · К)). 
Для данной массы конкретного газа отношение m / M постоянно, поэтому из уравнения Клайперона-Менделеева получается объединенный газовый закон.

Пример. 
Какой объем займет при температуре 17°C и давлении 250 кПа оксид углерода (II) массой 84 г?

Решение. 
Количество моль CO равно: 
n(CO) = m(CO) / M(CO) = 84 / 28 = 3 моль  
Объем CO при н.у. составляет 
3· 22,4 л = 67,2 л

Из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

(P · V) / T = (P0 · V0) / T0

Следует 
V(CO) = (P0 · T · V0) / (P · T0) = (101,3 · (273 + 17) · 67,2) / (250 · 273) = 28,93 л

Относительная плотность газов показывает, во сколько раз 1 моль одного газа тяжелее (или легче) 1 моля другого газа.

DA(B) = r(B) / r(A) = M(B) / M(A)

Средняя молекулярная масса смеси газов равна общей массе смеси, деленной на общее число молей:

Mср = (m1 +.... + mn) / (n1 +.... + nn) = (M1 · V1 + .... Mn · Vn) / (n1 +.... + nn)

Пример1. 
Плотность некоторого газообразного вещества по водороду равна 17. Чему равна его плотность по воздуху (Мср.=29).

Решение. 
DH2= Mв-ва / M(H2)

Мв-ва= 2DH2 = 34

Dвозд = Mв-ва / Mвозд средн = Мв-ва / 29 = 34 / 29 = 1,17

Пример2. 
Определите плотность по воздуху смеси азота, аргона и углекислого газа, если массовые доли компонентов составляли 15, 50 и 35% соответственно.

Решение. 
Dсмеси(по воздуху) = Mсмеси / Mвозд. = Мсмеси / 29

Mсмеси = (15 · 28 + 50 · 40 + 35 · 44) / 100 = (420 + 2000 + 1540) / 100 = 39,6

Dсмеси(по воздуху) = Mсмеси / 29 = 39,6 / 29 = 1,37

Планетарная модель строения атома (Э.Резерфорд, 1911 г.)

Атомы химических элементов имеют сложное внутреннее строение.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.

Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточена в ядре атома(масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).

Вокруг ядра по замкнутым орбиталям движутся электроны. Их число равно заряду ядра. Поэтому атом в целом - электронейтрален.

Ядро атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре атома элемента строго определено - равно порядковому номеру элемента в периодической системе - Z. Число нейтронов в ядре атомов одного и того же элемента может быть различным - A - Z (где А - относительная атомная масса элемента; Z - порядковый номер). 
Заряд ядра атома определяется числом протонов. Масса ядра определяется суммой протонов и нейтронов.

Изотопы

Изотопы - разновидности атомов определенного химического элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов, имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. 
Относительные атомные массы элементов, приводимые в периодической системе - есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Поэтому они и отличаются от целочисленных значений.

Пример. 
Природный таллий (ат.н.81, ат. масса 204,383) состоит из двух изотопов:

таллий – 203

таллий - 205

Средняя атомная масса таллия равна:

Aср.(Tl) = (0,295 · 203 + 0,705 · 205) / 2 = 204,383

Изотопы водорода имеют специальные символы и названия: 

Химические свойства изотопов одного элемента одинаковы. Изотопы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, называются изобарами  

Радиоактивность

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, α- частиц). 
Радиоактивность, проявляемая природными изотопами элементов, называется естественной радиоактивностью. 
Самопроизвольный распад ядер описывается уравнением: mt = m0 · (1/2)t / T1/2 где mt и m0 - массы изотопа в момент времени t и в начальный момент времени; Т1/2 - период полураспада, который является постоянным для данного изотопа. За время Т1/2 распадается половина всех ядер данного изотопа.

Основные виды радиоактивного распада.

α -  распад.    Сопровождается потоком положительно заряженных ядер атома гелия 42Не (a- частиц) со скоростью 20000 км/с. При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А - на 4 единицы (в атомных единицах массы).

Z' = Z – 2 
A' = A – 4  
 
т.е. образуется атом элемента, смещенного по периодической системе на две клетки влево, от исходного радиоактивного элемента, а его массовое число на 4 единицы меньше исходного.

β - распад. Излучение ядром атома потока электронов со скоростью 100'000 - 300'000 км/с. (Электрон образуется при распаде нейтрона ядра. Нейтрон может распадаться на протон и электрон.) При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1. (Химический элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо, а его массовое число не изменяется) 

γ- распад. Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой проникающей способностью, при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд остаются неизменными. (Химический элемент не смещается в периодической системе, его массовое число не изменяется и лишь ядро его атома переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное). 
Ядерные реакции - превращения ядер, происходящие при их столкновении друг с другом или с элементарными частицами. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом (1919 г.) при бомбардировке ядер азота a- частицами: 

С помощью ядерных реакций были получены изотопы многих химических элементов и ядра всех химических элементов с порядковыми номерами от 93 до 110.