Основні поняття

Розділ 1. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНА ТЕОРІЯ

 

Розглянуто основні поняття, такі

як атом, молекула, моль, еквівалент тощо, а також стехіометричні закони,

які є підґрунтям сучасної хімії.

Основні поняття

Усі речовини складаються з атомів хімічних елементів. Наприклад, складовими частинами води Н₂О є елементи Гідроген і Оксиген.

Хімічний елемент – вид атомів, що характеризується однаковим зарядом ядра.

Атом – найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає його властивості.

Маси окремих атомів елементів періодичної системи знаходяться в межах величин 10^-22 – 10^-24г. Вірогідно, масу атома доцільніше виражати у вигляді відносної величини в атомних одиницях маси (а. о. м.). Атомна одиниця маси – дуже мала величина, що дорівнює 1/12 маси атома ізотопу Карбону ¹²С.

В 12 г Карбону ¹²С міститься точно 6,02 × 10²³ атомів, відповідно

m_а.о.м ^-24 г/а.о.м.

Відносна атомна маса елемента A_r – це відношення маси атома даного елемента (m_a ) до маси 1 а. о. м.:

A_r = .

 

Відносна атомна маса виражається в а. о. м., відповідно маса атома – в грамах:

m_a = A_r m _а.о.м.

 

Молекула – найменша частинка простої або складної речовини, яка здатна існувати самостійно і зберігати хімічні властивості цієї речовини.

Проста речовина – одна з форм існування хімічного елемента, молекула якої складається з атомів одного елемента.

Простих речовин у природі більше, ніж хімічних елементів, оскільки атоми одного і того ж елемента можуть утворювати кілька простих речовин. Це явище називається алотропією. Наприклад, елемент Оксиген утворює дві прості речовини – звичайний кисень О₂ і озон О₃.

Складні речовини утворюються з атомів різних елементів. Наприклад, молекула калій нітрату KNO₃ складається з атомів Калію, Нітроґену і Оксигену.

Відносною молекулярною масою хімічної сполуки (M_r) є відношення маси однієї молекули даної сполуки m_м до маси 1 а.о.м:

 

M_r = .

 

Відносна молекулярна маса виражається в а.о.м., відповідно маса молекули – у грамах.

Символ M_r, запропонований Міжнародною спілкою теоретичної та прикладної хімії (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry), cвідчить про відносний характер молекулярної маси (r – relative – відносний).

У системі СІ за одиницю кількості речовини прийнято моль.

Моль – це така кількість речовини, яка містить стільки молекул, атомів, іонів або інших структурних одиниць, скільки міститься атомів у 12 г ізотопу Карбону ¹²С.

Число структурних одиниць, що міститься в одному молі будь-якої речовини, називається сталою Авогадро ( N_А ) і дорівнює 6,02·10²³ моль^-1.

Маса одного моля речовини називається молярною масою (М) і виражається в г/моль.

Молярна маса чисельно дорівнює відносній атомній або молекулярній масі.

Наприклад, молярна маса сульфатної кислоти дорівнює 98 г/моль, оскільки відносна молекулярна маса H₂SO₄ складає 98 а.о.м.

Для проведення розрахунків часто необхідно знати масу декількох молей або, навпаки, знайти кількість речовини, яка міститься в даній її масі. Кількість речовини n(x) знаходять з відношення маси m(x) цієї речовини до її молярної маси М(x):

n(x) = .

В одному молі сполуки вміщується певна кількість молей атомів елементів. Наприклад, в одному молі магній хлориду MgCl₂ вміщується 1 моль атомів Магнію і 2 молі атомів Хлору.

У 1794 р. німецьким вченим Ріхтером упроваджено поняття еквівалента. Еквівалентом елемента або хімічної сполуки називається така їх кількість, яка поєднується з 1 молем атомів Гідрогену або заміщує ту ж саму кількість атомів Гідрогену у хімічних реакціях. Одиницею кількості речовини є моль, тому еквіваленти також вимірюються у молях.

Наприклад, у сполуках HCl, H₂S, NH₃ еквіваленти Хлору, Сульфуру, Нітроґену відповідно дорівнюють 1 молю атомів Хлору, 1/2 моля атомів Сульфуру, 1/3 моля атомів Нітроґену.

Еквівалент елемента може бути визначений не тільки за Гідрогеном, але й за будь-яким іншим елементом, еквівалент якого відомий. Так, еквівалент Оксигену дорівнює 1/2 моля атома. Тоді у діоксиді сульфуру SO₂, у молі якого вміщується 1 моль атомів Сульфуру й 2 моля атомів Оксигену, еквівалент Сульфуру дорівнюватиме 1/4 молю S, а у триоксиді SO₃ – 1/6 молю S.

Маса одного еквівалента елемента або сполуки, виражена в грамах, називається молярною масою еквівалента М_е. Так, в сполуках HCl, H₂S, NH₃ молярна маса еквівалента Хлору, Сульфуру, Нітроґену відповідно дорівнює 35,5; 32,2 і 14,3 г/моль.

Молярну масу еквівалента елемента М_е легко розрахувати, якщо поділити його молярну масу на валентність (В):

М_е = .

 

Наприклад, молярні маси еквівалента фосфору в сполуках PCl₃ і PCl₅ будуть відповідно:

М_е = = 10,03 г/моль;

 

М_е= = 6,2 г/моль.

 

Молярні маси еквівалентів складних речовин розраховують за наведеними нижче формулами:

М_е оксиду = ;

 

М_е оксиду = М_е елемента + М_е кисню;

 

М_е кислоти = .

 

Основність кислоти дорівнює числу іонів Гідрогену, що заміщуються на катіони металу в кислоті.

 

М_е основи = .

 

Кислотність основи дорівнює числу гідроксильних груп, що заміщуються на кислотний залишок в основі.

М_е солі = .

 

В окисно-відновних реакціях молярна маса еквівалента речовини визначається кількістю електронів, приєднаних або відданих атомом елементу в цій речовині.

Часто замість поняття “молярна маса еквівалента” користуються поняттям “молярний об’єм еквівалента”.

Молярний об’єм еквівалента (V_е) – це об’єм, що займає один еквівалент даної газоподібної речовини за нормальних умов.

Так, еквівалент Гідрогену дорівнює 1 молю, а 1 моль Н₂ містить 2 молі атомів Гідрогену. Об’єм моля молекул водню за нормальних умов дорівнює 22,4 л. Тому молярний об’єм еквівалента Н₂

V_е(Н₂) = 1/2 × 22,4 = 11,2 л/моль.

Аналогічно еквівалент атомів Оксигену дорівнює 1/2 моля атомів О, що відповідає 1/4 моля молекул О₂, молярний об’єм еквівалента О₂

V_е (О₂) = 1/4 × 22,4 = 5,6 л/моль.