Основные законы химии
Внимание! На все задачи и упражнения даются ответы и решения.
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.
Массовая доля элемента w(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:
1. Обозначают формулу соединения Ax By Cz 2. 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))
3. Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.
4. 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.
a) 2CO + O2 --> 2CO2
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.
b) При синтезе аммиака из элементов:
n2 + 3h2 --> 2nh3
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:
1. Одно и то же число молекул различных газов при одинаковых условиях занимает одинаковые объемы.
2. При нормальных условиях (0°C = 273°К , 1 атм = 101,3 кПа) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л.
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.
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)
Планетарная модель строения атома.
(Э.Резерфорд, 1911 г.)
1. Атомы химических элементов имеют сложное внутреннее строение.
2. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома.
3. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточена в ядре атома(масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
4. 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.
Изотопы водорода имеют специальные символы и названия:
| 1 | H - протий; | 2 | D - дейтерий; | 3 | T - тритий. |
| 1 | 1 | 1 |
Химические свойства изотопов одного элемента одинаковы. Изотопы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, называются изобарами.
| ( | 40 | Ar, | 40 | K и | 40 | Ca; | 112 | Cd и | 112 | Sn | ) |
| 18 | 19 | 20 | 48 | 50 |
Радиоактивность.
Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, ?- 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.
a - 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.
| 226 | Ra --> | 222 | Rh + | 4 | He |
| 82 | 80 | 2 |
b - 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)
| 234 | Th --> | 234 | Po + | 0 | e |
| 90 | 91 | -1 |
g- 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:
| 14 | N + | 4 | He --> | 17 | O + | 1 | H |
| 7 | 2 | 8 | 1 |
С помощью ядерных реакций были получены изотопы многих химических элементов и ядра всех химических элементов с порядковыми номерами от 93 до 110.