Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 10 из 68)

При полном замещении получаются средние (нормальные) соли (например, Na₂CO₃- карбонат натрия). При неполном замещении водорода, например, при реакции гидроксида с избытком кислоты, получаются кислые соли (например, NaHCO₃- гидрокарбонат натрия), при неполном замещении гидроксила (при избытке гидроксида при получении соли) - основные соли (Mg(OH)Cl - хлорид гидроксомагния). Соли, образованные двумя металлами и одной кислотой, называются двойными солями, или квасцами (например, KCr(SO₄)₂ – сульфат калия-хрома, или хромокалиевые квасцы).

1.8. Химические формулы и расчѐты

Химические расчеты основаны на том, что состав химических веществ можно выразить химическими формулами, а взаимодействия между веществами - химическими уравнениями.

Химическая формула дает много сведений о веществе. Она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента в его молекуле. Формула позволяет также рассчитать ряд величин, характеризующих вещество. Так, например, из формулы серной кислоты H₂SO₄ видно, что молекула кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.

Для того чтобы определить формулу вещества, необходимо разложить определенное его количество на составные части (элементы), определить процентный состав каждого элемента и, зная атомную массу каждого элемента, проделать определенные расчеты. Так, серная кислота содержит 2 % водорода, 32 % серы и 64 % кислорода. Соответствующие атомные массы элементов равны 1, 32 и 16. Относительное содержание атомов каждого элемента (атомный фактор) равно отношению процентного содержания элемента к его атомной массе. Отсюда следует, что в молекуле серной кислоты 2 атома водорода (2%:1), 1 атом серы (32%:32) и 4 атома кислорода (64%:16).

Относительную молекулярную массу^{^[3]} рассчитывают по формуле вещества как сумму относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы с учетом количества каждого атома. Так, молекулярная масса серной кислоты равна 2∙1+ 1∙32 + 4∙16 = 98.

Молем называют количество вещества, в котором содержится число Авогадро молекул (6,02∙10²³). Это число обозначается символом N_A. Точное значение N_A определил не Авогадро, однако открытый им закон, который гласит, что масса 22,4 литра любого газа при нормальных условиях равна молекулярной массе газа, выраженной в граммах. Отсюда вытекает вывод, что в таком количестве вещества содержится одинаковое число молекул. Этот вывод применим ко всем веществам, а не только к газам. Поскольку N_A молекул содержится в количестве вещества, равном массе молекулы (атома или иона), выраженном в граммах, то массу моля (или молярную массу) любого вещества можно вычислить, определив молекулярную (атомную, ионную) массу и выразив еѐ в граммах. Так, один моль водорода весит 2 г (водород в нормальных условиях существует в виде молекулы Н₂), один моль кислорода – 32 г (по той же причине), а один моль воды Н₂О– 18 г (1х2+16). Молярную массу (массу моля) выражают в г/моль. Поскольку единицей массы атомов ныне считается 1/12 часть массы атома изотопа углерода С¹², то в 1971 году решением Генеральной конференции по мерам и весам в Париже было введено следующее понятие моля.

Моль – единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов, других частиц или специфицированных групп частиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг нуклида ¹²С (изотопа углерода с атомной массой 12).

Слово «моль» после числа и в заголовках таблиц не склоняют.

Эквивалентную массу вещества вычисляют исходя из его молекулярной массы. Эквивалентная масса элемента равна его атомной массе, деленной на валентность элемента:

_Э

(1.8)

Где Э- эквивалент элемента; А – его атомная масса, а В – валентность.

По закону эквивалентов, вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

^m¹^Э¹ (1.9)

m2 Э2

где Э - эквивалент, m – масса соответствующего элемента.

Понятие «эквивалент»^{^[4]} появилось гораздо раньше, чем атомномолекулярное учение. Например, на практике при смешении водорода с кислородом в соотношении 1:8 по массе вещества всегда реагируют без остатка (получается «хорошая» гремучая смесь). Поэтому при расчетах эквивалент кислорода принимается равным 8. Эквивалент водорода равен 1. Так как многие другие элементы вступают в реакции с кислородом и водородом, по закону эквивалентов (1.9) можно вычислить их эквиваленты. Эквивалентные массы элементов и сложных веществ могут принимать несколько значений, если элемент имеет переменную валентность, а вещество способно вступать в реакции разного типа. Величину, обратную валентности элемента, часто называют фактором эквивалентности F^{^[5]}. У азота, например, для которого характерны валентности 1, 2, 3, 4 и 5, факторы эквивалентности равны 1, ½, 1/3, ¼ и

1/5.

Эквиваленты сложных соединений рассчитывают следующим образом:

Эквивалент кислоты Э_к-ты равен ее молекулярной массе М, деленной на основность кислоты (количество атомов водорода в ее молекуле) n(H):

Э_{к ты}^М^{к ты} (1.10)

n(H)

Фактором эквивалентности кислоты является величина, обратная

основности кислоты, или F

n(H)

Эквивалент гидроксида Э_г-да равен его молекулярной массе M, деленной на кислотность гидроксида (число гидроксильных групп в его молекуле) n(OH):

Э_{г да}^М^{г да} (1.11)

n(ОH)

Фактор эквивалентности гидроксида – это величина, обратная его

кислотности, или F

n(OH)

Эквивалент соли Э_соли равен ее молекулярной массе M, деленной на валентность металла (В) умноженную на количество его атомов в молекуле (m):

М ^соли

Э (1.12) соли В т

Фактор эквивалентности соли определяется соотношением: F

Молярной массой эквивалента (или молем эквивалента) называют количество вещества, равное его эквивалентной массе (эквиваленту), выраженной в граммах. Так как моль-эквивалент составляет дробную часть моля или равен ему, его, в соответствии с рекомендациями ИЮПАК, рекомендуется называть просто молем с указанием фактора эквивалентности. В общем случае, фактор эквивалентности вещества F равен молекулярной массе этого вещества M, делѐнной на массу его эквивалента Э:

M (1.13)

Любую реакцию можно выразить химическим уравнением. Написав уравнение реакции, где в левой части приводятся формулы исходных веществ, а в правой – формулы продуктов реакции, следует соблюсти закон сохранения вещества, так как атомы не могут исчезать или появляться ниоткуда. Поэтому при составлении химического уравнения всегда уравнивают количества атомов в правой и левой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя.

Каждая формула в уравнении обозначает 1 молекулу вещества. Однако при количественном проведении реакции понятие «молекула» можно заменить понятием «моль», так как 1 моль любого вещества содержит одно и то число молекул - число Авогадро. Поэтому, зная молярные массы веществ - участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между исходными веществами и продуктами реакции. Например, в уравнении 2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

2 молекулы гидроксида натрия вступают в реакцию с 1 молекулой серной кислоты. При этом получается 1 молекула сульфата натрия и 2 молекулы воды. Молекула – структурная единица микромира. Отсчитать молекулы «поштучно» с тем, чтобы в результате реакции все исходные вещества прореагировали целиком, без избытка одних и недостатка других, в макромире было бы невозможно. Но если в качестве «макромолекулы» взять число Авогадро (N_A), то для приведенной выше реакции справедлив следующий вывод: 2 N_A молекул гидроксида натрия вступают в реакцию с N_A молекул серной кислоты, при этом получается N_A молекул сульфата натрия и 2 N_A молекул воды, или 2 моль гидроксида натрия вступают в реакцию с 1 моль серной кислоты, при этом получается 1 моль сульфата натрия и 2 моль воды. Учитывая, что массы моля, или молярные массы, участвующих в реакции веществ равны соответственно 40, 98, 142 и 18 г/моль, уравнение можно прочесть так: 80г гидроксида натрия нацело взаимодействуют с 98 г серной кислоты с образованием 142 г сульфата натрия и 36 г воды. Моль является очень важной количественной характеристикой вещества, так как связывает структурные элементы микромира и макромира. Отвесив точно 1 моль любого вещества, мы всегда получаем строго определѐнное и точно известное (хотя и невообразимо большое) число молекул, а именно 6,02∙10²³. Исходя из уравнений реакции, по молярным соотношениям можно найти любую неизвестную величину, если известна масса хотя бы одного из участников реакции.