Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.1. Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).2. Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).3. Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц. 4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ — из различных атомов. Атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Вместе с тем оно развивает его дальше, поскольку Дальтон впервые пытался установить атомные массы известных тогда элементов. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из «сложных атомов» (в современном понимании — молекул). Отрицание Дальтоном существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии. Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в- середине XIX в.Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов. Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:

· Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.

· Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.

· Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.

· Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в газах.

· Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.

· Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами.

· При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.

· У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решето находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления.

· У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.

Объяснение физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения. Физические и химические явления получают объяснение с позиций атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами (атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы (атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием других веществ. ОТНОСИТЕЛНЫЕ АТОМНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ.МОЛЬ. ЧИСЛО АВОГАДРО.МОЛЯРНАЯ МАССА.МОЛЯРНЫЙ ОБЪЁМ.

В этом разделе познакомимся с величинами, которыми вы часто будете пользоваться при решении задач, выполнении упражнений.
Современные методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большой точностью. Так, например, масса атома углерода равна 1,993·10^-26 кг. Это очень маленька величина.Поэтому в химии используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. За единицу атомной массы принята атомная единица массы, равная 1/12 части массы атома углерода.
Относительной атомной массой химического элемента называется величина, показывающая во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода. Она обозначается буквой А_r. Относительные атомные массы указаны в периодической таблице. Например А_r(Н)=1, А_r(Р)=31. Атомные массы округляем до целых величин, исключая атом хлора- А_r(Cl)=35,5.
Относительной молекулярной массой вещества называется величина, покаывающая во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Она обозначается М_r. Вы знаете, что молекулы состоят из атомов, поэтому относительная молекулярная масса складывается из суммы атомных масс атомов, составляющих молекулу,с учётом числа атомов. Например М_r(H₂SO₄₎=1·2+32+16·4=98.
Введём ещё одну величину - количество вещества, которое измеряется в молях.
Моль-это количество вещества, содержащее столько структурных единиц(атомов, молекул, ионов), сколько атомов содержится в 12 г углерода. Обозначается буквой ν;(ню)
Зная массу атома углерода 1,993·10^-26 кг можно вычислить число атомов в 0,012 кг углерода:

N_A=0,012/1,993·10^-26=6,02·10²³

Это число называется постоянной Авогодро и обозначается N_A, размерность 1/моль или моль ^-1,и показывает число структурных единиц в моле любого вещества. Т.е. 1 моль любого вещества содержит одинаковое число структурных единиц 6,02·10²³. Используя эту величину можноопределить количество вещества по формуле:

С числом частиц работать трудно, поэтому вводится понятие молярная масса, которая показывает чему равна масса 1 моль конкретного вещества. Молярная масса равна отношению массы вещества к количеству вещества, обозначается буквой М.

Молярная масса рассчитывается так же как и относительная молекулярная масса, но в отличии от неё имеет размерность г/моль. Например М(H₂SO₄)=1·2+32+16·4=98г/моль.Это означает, что масса 1 моль серной кислоты равна 98 г.
Ещё интересно то, что один моль любого газообразного вещества занимает объём 22,4 литра. Эта закономерность была установлена итальянским учёным Амадео Авргадро. Для газов можно использовать величину молярный объём, который обозначается буквой V_m, V_m=22.4 моль/л.

где V-объём газа в л.

Эти формулы мы будем использовать при решении различных задач. С некоторыми из типов задач познакомимся на следующей странице.

Так как использовать в расчётах непосредственно количество молекул неудобно, потому что это число в реальных опытах слишком велико, вместо измерения количества молекул «в штуках», их измеряют в молях. Фактическое количество единиц вещества в 1 моле называется числом Авогадро (N_A = 6,022 141 79(30)·10²³ моль⁻¹) (правильнее — постоянная Авогадро, так как в отличие от числа эта величина имеет единицы измерения).

Количество вещества обозначается латинской n (эн) и не рекомендуется обозначать греческой буквой (ню), поскольку этой буквой в химической термодинамике обозначается стехиометрический коэффициент вещества в реакции, а он, по определению, положителен для продуктов реакции и отрицателен для реагентов. Однако в школьном курсе широко используется именно греческая буква (ню).

Для вычисления количества вещества на основании его массы пользуются понятием молярная масса: , где m — масса вещества, M — молярная масса вещества. Молярная масса — это масса, которая приходится на один моль данного вещества. Молярная масса вещества может быть получена произведениеммолекулярной массы этого вещества на количество молекул в 1 моле — на число Авогадро. Молярная масса (измеренная в г/моль) численно совпадает с относительной молекулярной массой.

По закону Авогадро, количество газообразного вещества так же можно определить на основании его объёма: = V / V_m, где V — объём газа (при нормальных условиях), V_m — молярный объём газа при Н. У., равный 22,4 л/моль.

Таким образом, справедлива формула, объединяющая основные расчёты с количеством вещества:

Атомы настолько малы, что их массу трудно выражать в привычных единицах – граммах или килограммах. Даже самые тяжелые атомы весят ничтожно мало – около 10^-22 г, т.е. 0,0 000 000 000 000 000 000 001 г. Гораздо удобнее сравнивать массу данного атома с какой-то другой очень малой массой, принятой за единицу измерения. В качестве такой единицы измерения ученые договорились использовать часть массы атома углерода. Эту единицу называют атомной единицей массы (а. е. м.). Масса атома, выраженная через эту величину, получила название относительной атомной массы. Ее обозначают A _r (индекс r – первая буква английского слова relative – относительный).

Относительная атомная масса – отношение массы атома данного химического элемента X к массы атома углерода:

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома больше массы атома углерода. Например, A _r(H) = 1, т. е. один атом водорода имеет такую же массу, как атома углерода. Атом фтора в 19 раз тяжелее – атома углерода: A _r(F) = 19.

Относительная атомная масса – величина безразмерная, подобно всем другим относительным величинам. Ее нельзя путать с абсолютной массой атома, выраженной в атомных единицах массы (а. е. м.). Численные значения абсолютных масс атомов, выраженных в а. е. м., совпадают со значениями относительных атомных масс. В некоторых учебниках используют именно эти, абсолютные единицы: например, масса атома кислорода равна 16 а. е. м., атома серы – 32 а. е. м. и т. д. Нужно помнить о том, что 1 а. е. м. – необычайно малая величина (1 а. е. м. = 1,66 * 10^-27 кг), она меньше килограмма примерно во столько раз, во сколько масса человека меньше массы земного шара.

Атомы разных химических элементов различаются по массе не более чем в 300 раз, поэтому относительные атомные массы представляют собой сравнительно небольшие числа. Значение относительной атомной массы каждого химического элемента приведено в Периодической системе Д. И. Менделеева. На практике эти значения обычно округляют до целых чисел. Округленные значения относительных атомных масс некоторых химических элементов приведены в таблице 3 (см. с. 23).

Атомные массы некоторых химических элементов впервые определил Д. Дальтон в начале XIX в. Он, конечно, не взвешивал отдельные атомы, но сумел определить, во сколько раз одни атомы тяжелее или легче других. Известно, например, что медь реагирует с серой с образованием сульфида меди CuS, в котором на один атом меди приходится один атом серы. Опытным путем было установлено, что масса меди в этом соединении в 2 раза больше, чем масса серы. Следовательно, каждый атом меди в 2 раза тяжелее атома серы (рис. 27). Аналогично было найдено, что атом меди в 4 раза тяжелее атома кислорода. Оказалось, что самый легкий – атом водорода, поэтому долгое время его массу принимали за единицу измерения. Потом массы других атомов стали сравнивать с массы атома кислорода, а с 1961 г. – с массы атома углерода.

Относительная молекулярная масса (M _r) показывает, во сколько раз масса молекулы больше массы атома углерода. Для нахождения относительной молекулярной массы не обязательно знать массу молекулы. Гораздо проще рассчитать относительную молекулярную массу, принимая во внимание, что масса молекулы равна сумме масс атомов, из которых она состоит. Следовательно, относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомным масс химических элементов, образующих данное соединение, с учетом числа атомов каждого элемента. Например, относительная молекулярная масса воды равна сумме двух относительных атомных масс водорода и одной относительной атомной массы кислорода:

M _r(H₂O) = 2 A _r(H) + A _r(O) = 2 * 1 + 16 = 18.

Аналогично, относительная молекулярная масса газа азота, состоящего из молекул N₂, равна 28, а газа водорода H₂ равна 2:

M _r(N₂) = 2 A _r(N) = 2 * 14 = 28;
M _r(H₂) = 2 A _r(H) = 2 * 1 = 2.

Сравнивая эти значения, можно заметить, что водород в 14 раз легче азота – это самый легкий из газов.

Относительные молекулярные массы простых веществ, имеющих немолекулярное строение, а также серы и фосфора принято считать численно равными их относительным атомным массам: например, M _r(Fe) = A _r(Fe) = 56.

Химическая формула вещества заключает в себе достаточно много информации. Рассмотрим формулу воды H₂O. Во-первых, она показывает качественный состав вещества: данное вещество содержит водород и кислород. Во-вторых, химическая формула выражает количественный состав вещества. В воде на два атома водорода (их относительная масса – 2 A _r(H) = 2 * 1 = 2) приходится один атом кислорода (его масса – 2 A _r(O) = 16). Следовательно, на 2 массовые части водорода в воде приходится 16 массовых частей кислорода, или, иными словами, отношение масс водорода и кислорода равно 1: 8:

m (H): m (O) = 2: 16 = 1: 8.

Ясно, что для получения воды из водорода и кислорода их надо смешать в массовом отношении 1: 8.

По химической формуле можно рассчитать массовые доли химических элементов в соединении. Массовая доля химического элемента показывает, какая часть относительной молекулярной массы вещества приходится на данный элемент. Ее рассчитывают по формуле:

,

где w (X) – массовая доля химического элемента X, выраженная в долях единицы;
n – число атомов данного элемента, обозначенное индексом в формуле соединения;
A _r – относительная атомная масса X;
M _r – относительная молекулярная масса соединения.

Долей называют часть целого, поэтому сумма всех долей равна единице, или 100%.

Задача 1. Рассчитайте массовые доли химических элементов в красном железняке Fe₂O₃.

Решение.

Определим относительную молекулярную массу вещества:
M _r(Fe₂O₃) = 2 A _r(Fe) + З A _r(O) = 2 * 56+ 3 * 16 = 160.

Затем рассчитаем массовые доли химических элементов железа и кислорода:
, или 70%;
, или 30%.

Обратите внимание, что сумма массовых долей железа и кислорода составляет 1, или 100%.

Ответ. w (Fe) = 70%; w (O) = 30%.

Задача 2. Рассчитайте массу атомов кислорода, содержащихся в одном стакане (200 г) воды.

Решение.

Рассчитаем массовую долю кислорода в воде:
, или 88,9%.

Таким образом, m (O) = 0,889 * 200 г = 177,8 г.

Ответ. m (O) = 177,8 г.