• Тема 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ХІМІЇ
  • 1.1 1.1 Найважливіші поняття атомно-молекулярного вчення
  • 1.2 Прості та складні речовини. Алотропія
  • 1.3 Основні положенння атомно-молекулярного вчення
  • 1.4 Стехіометрична валентність
    • 1.4.1 Визначення валентностей та складання формул за валентностямями елементів
  • 1.5 Фізичні одиниці в хімії
  • 1.6 1.6. Практична частина

Тема 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ХІМІЇ

 

Хімія як наука бере початок з другої половини ХVII ст., коли були застосовані кількісні методи дослідження хімічних реакцій. За допомогою кількісних методів протягом ХVIII-XIX ст. були встановлені основні поняття і закони хімії, що зумовило подальший розвиток хімії як точної природничої науки.

ХІМІЯ – це наука про склад, властивості та будову речовин, їх перетворення, а також про залежність властивостей речовин від складу і будови, взаємодію, добування та використання

 

1.1   1.1 Найважливіші поняття атомно-молекулярного вчення

Згідно з атомно-молекулярним вченням, головними об’єктами хімії є атоми, молекули, хімічні елементи, прості та складні речовини.

Атом – це найменша частинка елемента у хімічних сполуках (визначення Канніцаро, 1860 р.).

Атом – це найменша частинка речовини, яка ніколи не змінюється при хімічних реакціях.

Сучасне визначення атома враховує його будову.

Атом – це хімічно неподільна електронейтральна система, яка складається з позитивно зарядженого ядра і негативно зарядженої електронної оболонки.

Атом – реально існуючий матеріальний об’єкт з певною масою (від 1,67 ⋅ 10^-27 до 4,42 ⋅ 10^-25 кг), розміром (r=10^-10м), складом, зарядом ядра, будовою електронної оболонки та іншими властивостями.

Кількісними характеристиками атома є заряд ядра і відносна атомна маса Аr. Ці величини вказуються у періодичній системі елементів. Заряд ядра атома дорівнює порядковому номеру елемента.

Атом – це система, що складається з протонів, нейтронів і електронів

Рис. 1.1 – Схематичне зображення атома

 

 

Протони і нейтрони знаходяться в ядрі, радіус якого приблизно в 10000 разів менше (10^-14 – 10^-15м) за радіус атома. Електрони утворюють електронну оболонку, розмір якої зумовлює розмір атома.

Позитивний заряд ядра визначається кількістю протонів і дорівнює за абсолютною величиною негативному заряду електронної оболонки, який у свою чергу відповідає кількості електронів. Внаслідок цього атом електронейтральний. Атоми – хімічно неподільні частинки, що зберігаються під час хімічних реакцій (не виникають і не руйнуються). Але при цьому може змінюватися будова електронної оболонки, внаслідок чого утворюються йони або змінюється ступінь окиснення. Одночасно руйнуються одні комбінації атомів і утворюються інші, тобто має місце перегрупування атомів у нові речовини.

Оскільки маси молекул і атомів надзвичайно малі і оперувати їх абсолютними величинами при розрахунках дуже незручно, в хімії і фізиці впроваджена позасистемна одиниця вимірювання, яка називається атомною одиницею маси (а.о.м.) і дорівнює одній дванадцятій маси атома ізотопу Карбону – 12:

1 а.о.м. = 1/12 m (ат.¹²С) = 1:12 ⋅ 19,92⋅10^-24 г = 1,66⋅10^-24 г.

Відносна атомна маса Аr – це фізична величина, що дорівнює відношенню середньої маси атома елемента до однієї дванадцятої маси атома ізотопу Карбону-12.

Наприклад, відносні атомні маси елементів Гідрогену і Урану дорівнюють:

 

Молекула – це найменша частинка речовини, яка здатна самостійно існувати і має всі хімічні властивості речовини.

Молекули складаються з атомів – одного чи декількох; інколи до складу молекул входять сотні і навіть тисячи атомів (наприклад, високомолекулярні органічні сполуки сполуки природного походженння). Молекули однієї речовини однакові, а молекули різних речовин мають різний склад, різну будову і різні властивості. При фізичних явищах молекули зберігаються, а при хімічних перетвореннях – руйнуються, тобто розпадаються на атоми або групи атомів, які сполучаються в інші комбінації, утворюючи нові речовини.

Кількісною характеристикою молекули є відносна молекулярна маса М_r .

Відносна молекулярна маса Мr – це відношення середньої маси молекули речовини до 1/12 маси атома Карбону –12.

Відносна молекулярна маса М_r дорівнює сумі відносних атомних мас А_r елементів, що входять до складу молекули, з урахуванням кількості атомів кожного елемента.

Наприклад:

M_r (SO₂) = A_r (S) + 2 A_r (O) = 32 + 2⋅ 16 = 64 а.о.м.⋅

Абсолютна маса молекули m визначається як добуток М_r на атомну одиницю маси:

m (молекули SO₂ ) = M_r (SO₂) ⋅ 1,66 ⋅10^-24 = 64⋅ 1,66 ⋅10^-24 г

Хімічний елемент – це вид атомів з однаковим зарядом ядра і певною сукупністю властивостей.

Останнім часом відповідно до Державного стандарту України (ДСТУ 2439-94) українські назви хімічних елементів вживаються як похідні від латинських назв. Вони записуються з великої літери на відміну від назв простих речовин і атомів.

Наприклад: Гідроген (Н), Карбон (С), Нітроген (N) – елементи; а для простих речовин чи окремих атомів вживаються старі назви: водень (Н₂), вуглець (С), азот (N₂).

Ідея хімічної символіки належить Берцеліусу (1814р.), який запропонував позначати елемент першою буквою його латинської назви.

Отже, носієм хімічних властивостей елемента є атом.

Нуклід — це різновид атомів, у яких до складу ядра входить чітко визначене число протонів і нейтронів.

Але у атомів одного елемента можуть бути різні маси внаслідок явища ізотопії – існування атомів одного елемента з різними Аr – ізотопів, наприклад: ізотопи елемента Гідрогену: протій H, дейтерій D, тритій T. Інколи всі ізотопи позначаються символом Н, але при цьому обов’язково вказують їх масові числа, як це показано на рис. 1.2

Рис. 1.2 – Протій, дейтерій, тритій

 

Для кожного елемента в періодичній системі вказується середня відносна атомна маса Аr, яка деякою мірою може вважатися кількісною характеристикою елемента, але не вичерпною, оскільки за величиною Аr неможливо визначити елемент завдяки явищу ізобарії – існуванню атомів різних елементів з однаковими атомними масами А_r, які називаються ізобарами, наприклад, ізотоп Калію-40 (порядковий номер 19) та ізотоп Кальцію-40 (порядковий номер 20) є ізобарами.

Кожний елемент має декілька ізотопів, тому в періодичній системі наводиться середня Аr з урахуванням поширеності ізотопів. Так, Хлор має два ізотопи, тому відносна атомна маса елемента Хлору з урахуванням процентного вмісту ізотопів дорівнює:

Класифікація хімічних елементів може проводитися за різними ознаками: за будовою атомів; за хімічними властивостями; за походженням; за поширенням у природі. Крім зазначених типів класифікацій, існують ще інші, спеціальні.

1. За ознакою будови
   Ця залежність показує, які саме валентні енергетичні підрівні забудовуються в атомах елементів
   s-елементи (H, He, Li, Be, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr та ін.);
   p-елементи (O, N, P, C, Si, Cl, As, Pb, Br, S та ін.);
   d-елементи (Zn, Ag, Cu, Fe, Cr, Mn, Ag, Au, Pt, Os та ін.);
   f-елементи (U, Sm, Np, Cf та ін.).

2. За хімічними властивостями елементи поділяються на металічні, неметалічні та напівметали, а також на такі родини:
* лужні метали (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr);
* лужноземельні (Са, Ва, Sr, Ra);

* лантаноїди (від ₅₈Ce до ₇₁Li);
* актиноїди (від ₉₀Th до ₁₀₃Lr);
* родина заліза (Fe, Co, Ni);
* платинові (Ru, Rh,Pd,Os, Ir, Pt);
* халькогени (S, Se, Te);
* галогени (F, Cl, Br, I);
* благородні (або інертні) гази (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

3. За походженням виділяють природні та штучні елементи.

* Природні – це елементи, що існують у природі в складі простих або складних сполук. До природних належать елементи від Гідрогену (₁Н) до Плутонію (₉₄Рu).

* Штучними є елементи, що утворюються під час перебігу ядерних реакцій.

4. За розповсюдженням у природі розглядають такі групи елементів:
Поширені – це, вісім елементів (О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg), які займають 98,53 % земної кори, а також Н, С, Zn, Cu, Mn, Cl, N, P, S, Ba, Sr та Cr.
Рідкісні – це малопоширені у природі або маловивчені елементи (Li, Rb, La, U, Re).
Розсіяні – це елементи з незначним вмістом у земній корі, вони не мають власних родовищ, а зустрічаються як домішки до мінералів інших елементів (In, Gf, Te, Tl, Ga, Cs).

Незалежно від того, до якого типу чи групи належать елементи, всі вони характеризується своїм вмістом у природі

 

 

 

1.2  Прості та складні речовини. Алотропія

 

Оскільки речовина – це будь яка сукупність атомів чи молекул, то за складом усі сполуки можна поділити на прості і складні.

Простими називаються речовини, які складаються з атомів одного елемента.

Налічується більш 500 простих речовин, а елементів близько 110. Той факт, що кількість простих речовин переважає кількість хімічних елементів, пояснюється явищем алотропії.

Алотропія – це здатність одного елемента утворювати декілька простих речовин, які називаються алотропними модифікаціями, або алотропами.

Наприклад, елемент Оксиген (О) утворює два алотропи: кисень О₂ і озон О₃; елемент Фосфор (Р) – декілька алотропних модифікацій: чорний, білий, червоний і жовтий фосфор; елемент Карбон (С) – алмаз, графіт, карбін (...–С≡С-С≡С–…) і фулерен С₆₀, молекула якого схожа на футбольний м’яч, тому ця модифікація іноді називається букиболом.

Складними називаються речовини, що містять атоми різних елементів.

Складні речовини можуть мати як молекулярну будову (Н₂S, CH₄, HCl, H₂O), так і немолекулярну: йонну (NaCl, Na₂O, NaOH) чи металічну (Fe₃C – карбід заліза).

Склад речовин виржають за допомогою формул, в яких окремі атоми позначається хімічними символами елементів, а кількість атомів кожного виду – індексами, тобто цифрами, що записується унизу справа від хімічного символа, наприклад: запис N₂O₅ показує, що до складу молекули входять два атоми елемента Нітрогену і п’ять атомів елемента Оксигену.

 

1.3  Основні положенння атомно-молекулярного вчення

Формулювання основних положень атомно-молекулярної теорії у різних літературних джерелах дещо відрізняються, але сучасним уявленням у найбільшій мірі відповідають наступні тези.

• Речовини мають дискретну природу. Це означає, що вони складаються з окремих частинок (структурних елементів речовини) – молекул, атомів, йонів.

• Частинки речовин безперервно рухаються.

• Між частинками речовини діють сили взаємного притягання і відштовхування.

• Між складовими частинками речовини є відстані, розмір яких залежить від агрегатного стану.

• Молекули складаються із атомів.

• Молекули зберігаються при фізичних явищах і руйнуються при хімічних реакціях.

• Атоми при хімічних процесах залишаються незмінними і неподільними, але піддаються перегрупуванню, внаслідок чого утворюються нові сполуки.

• Різноманітність речовин у природі обумовлена різними сполученнями атомів; при цьому можуть виникати речовини з молекулярною або немолекулярною будовою.

1.4  Стехіометрична валентність

Стехіометрична валентність, або просто валентність – це здатність атомів елемента сполучатися з певною кількістю атомів іншого елемента.

 

Валентність є важливою кількісною характеристикою, яка показує, скільки хімічних зв’язків може утворювати атом елемента. Атоми деяких елементів здатні утворювати строго визначену кількість зв’язків – такі елементи мають постійну валентність, наприклад:

Одновалентні елементи	H, Li, Na, K, Rb, Ag, Cs, F
Двохвалентні елементи	O, Ca, Ba, Mg, Sr, Zn, Cd, Hg
Тривалентні елементи	Al, B

Атоми більшості елементів можуть утворювати різну кількість зв’язків, тому ці елементи мають змінну валентність. Валентність записують римськими цифрами над хімічними символами елементів:

 

 

 

1.4.1  Визначення валентностей та складання формул за валентностямями елементів

 

Для визначення валентності всіх елементів в складних сполуках існує певний алгоритм, який зручно розглядати на загальних і конкретних прикладах.

У загальному випадку для бінарної сполуки А_x В_y позначимо індекси буквами x i y, а валентності атомів – буквами m i n. Тоді розрахунок валентності одного з елементів виконується на підставі рівняння mx = ny, виходячи з відомої валентності іншого елемента.

m n Аx Вy

Доречі, у конкретних сполуках валентність слід вказувати римськими цифрами над символами хімічних елементів.

Приклад 1.1. Визначити валентності Хрому в таких оксидах: CrO, Cr₂O₃, CrO₃.

Визначення валентностей та складання формул по валентностям.

1. Визначити валентності всіх елементів в сполуках.

Для бінарної сполуки

m  n Аx Вy

де x i y – індекси, m i n – валентності - справедливе рівняння mx = ny

Приклад 1. Визначити валентності хрому в його оксидах: CrO, Cr₂O₃, CrO₃.

Розв’язок.

 - CrO -  індекси(x i y) = 1; валентність Оксигену постійна =2, тоді:   m× 1=2 × 1 отже m=2

ІІ  ІІ Cr O

-Cr₂O₃, -  індекси  x =2 i y = 3; валентність Оксигену постійна =2, тоді:   m× 2=2 × 3 отже m=3

ІІІ   ІІ Cr2 O3

CrO₃,  -  індекси  x =1 i y = 3; валентність Оксигену постійна =2, тоді:m× 1=2 × 3 отже m=6

VI  II Cr O3

 

2. Скласти формулу сполуки по відомих валентностях.

Припустимо, що в сполуці АВ валентність елемента  А =3 , а валентність В =2. Знайдемо найменше спільне кратне їх валентностей. Найменше спільне кратне між 2 і 3 = 6 

ІІІ 6 ІІ А     В

Послідовно поділимо найменше спільне кратне 6 на відповідні валентності, а результат запишемо у вигляді індексів

ІІІ 6 ІІ А2  В3

Таким чином формула буде мати вигляд А₂В₃

 

Наступний тип задач – складання формули речовини, якщо вона містить три елемента з відомими валентностями, один з яких Оксиген: А_xВ_yО_z.

Припустимо, що в сполуці АВО валентність елемента А дорівнює ІІ, а валентність В – ІV.

Сумарна валентність всіх атомів Оксигену дорівнює сумарній валентності атомів інших двох елементів (ІІ∙z = ІІ∙х + ІV∙y)Для визначення шуканих індексів у сполуці вигляду А_x В_y О_z застосуємо правило:

Припускаємо, що індекси біля перших двох елементах однакові і дорівнюють 1. Тоді х = у = 1. Отже, сумарна валентність на першому елементі А буде (ІІ∙1=2), а на елементі В (ІV∙1=4) Їх сума ІІ∙1 + ІV∙1 =6.

Значить і сумарна валентність на Оксисені також має бути 6, тоді z =3

Формула такої сполуки має вигляд: АВО₃

Приклад 1.3. Скласти формулу сполуки K_xMn_yO_z , якщо валентність Мангану дорівнює VII.

Розв’язок. Валентності елементів К і О – постійні і дорівнюють відповідно: для Калію – І , для Oксигену – ІІ.

Тоді при мінімальних значеннях х і у (припустимо що вони дорівнюють 1) одержимо 1 + 7 = 2⋅ z ; 8 = 2⋅ z ; z = 4 . Формула : KMnO4

 

1.5  Фізичні одиниці в хімії

 

Кількість речовини ( ν або n) – це фізична величина, що визначається числом часток – структурних елементів речовини: молекул, атомів, йонів тощо.

Одиницею вимірювання кількості речовини є моль – одна з основних одиниць CI.

Моль – це кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів речовини (атомів, йонів, молекул), скільки атомів міститься в ізотопі Карбону-12 масою 12г.

Встановлено, що маса атома ізотопу Карбону-12 складає 19,92 ⋅ 10^-24г. Тоді число атомів N в 12г дорівнює

Число, що дорівнює 6,02 ⋅ 10²³ моль^-1 називається сталою Авогадро (N_A).

Наприклад: 1 моль Н₂О містить 6,02 ⋅ 10²³ молекул води, що складається з 2 моль (або 2 ⋅ 6,02 ⋅10²³) атомів Н і 1 моль (або 6,02 ⋅ 10²³) атомів О; 1 моль SO₄^2– містить 6,02 ⋅ 10²³ йонів SO₄^2–, у тому числі 1 моль (6,02 ⋅ 10²³) атомів S і 4 моль (4 ⋅ 6,02 ⋅ 10²³) атомів О.

Кількість речовини пов’язана з числом часток N і сталою Авогадро N_A залежністю:

Отже, моль будь-яких структурних елементів – це така кількість речовини, що містить 6,02 ⋅ 10²³ структурних часток цієї речовини.

Маса одного моль речовини є її молярною масою, вона позначається через М.

Молярна маса (М) – це фізична величина, що визначається відношенням маси речовини до кількості речовини, яка відповідає цій кількості:

, тоді .

Одиницею вимірювання молярної маси в системі СІ є кг/кмоль, але в хімії частіше користуються позасистемною величиною г/моль .

Молярна маса М пов’язана з відносною молекулярною масою M_r і сталою Авогадро N_A залежністю

М = М_r ⋅ N_A ⋅ 1 а.о.м.

Наприклад: відносна молекулярна маса Карбон (ІV) оксиду дорівнює М_r(CO₂) = 12 + 2 ⋅ 16 = 44, а атомна одиниця маси складає 1 а.о.м. = 1,66 ⋅ 10^-24г, тоді молярна маса буде:М(СО₂) = 44 ⋅ 6,02 ⋅ 10²³ ⋅ 1,66 ⋅ 10^-24 = 44 г/моль.

Тобто молярна маса чисельно дорівнює відносній молекулярній масі, але має зовсім інший фізичний зміст: М_r характеризує масу однієї молекули, а М – масу одного моля, тобто 6,02 ⋅ 10²³ молекул.

 

 

1.6    1.6. Практична частина

 

Розрахунки за хімічними формулами

Приклад 1.4. Розрахувати кількість речовини і число молекул в сульфатній (сірчаній) кислоті масою 49 г, а також масу однієї молекули Н₂SO₄.

Розв’язок: Відносна молекулярна і молярна маси Н₂SO₄дорівнюють:

М_r(H₂SO₄) = 2 ⋅ 1 + 32 ⋅ 4 ⋅ 16 = 98, М(H₂SO₄) = 98 г/моль.

Тоді кількість речовини і число молекул в сульфатній кислоті масою 49г становить:

N = ν ⋅ N_A = 0,5 моль ⋅ 6,02 ⋅ 10²³ молекул/моль = 3,01 ⋅ 10²³ молекул.

Маса однієї молекули Н₂SO₄ визначається відношенням молярної маси, яка характеризує масу одного молю, до числа Авогадро, що вказує на кількість молекул в одному молі речовини:

N = М / N_A = 98 / 6,02 ⋅ 10²³ = 5,9 ⋅ 10^-21г.

Приклад 1.5. В якій масі NH₃ міститься стільки молекул, скільки їх в 10 г СаСО₃.

Розв’язок:

М_r(СаСО₃) = 40 + 12 + 16 ⋅ 3 = 100, М(СаСО₃) = 100 г/моль; М_r(NH₃) = 14 + 1 ⋅ 3 = 17, М(NH₃) = 17 г/моль.

Згідно з умовою задачі ν(CaCO₃) = ν(NH₃). Отже, якщо ν(NH₃)= 0,1 моль ,

тоді: m(NH₃)= M(NH₃)⋅⋅= 17г/моль ⋅ 0,1 моль = 1,7 г.