Атомно-молекулярное учение. Атомы и молекулы. Относительная атомная и молекулярная масса. Моль – единица количества вещества. Молярная масса.

Лекция №1

Основные понятия и законы химии. Закон сохранения массы, состава, газовые законы.

Главной задачей нефтедобывающей отрасли является максимальное извлечение углеводородов из недр с минимальными затратами. Для ее решения необходимо знание механизма протекающих в пласте физико-химических процессов между всеми его составляющими: коллекторами (это породы, обладающие пустотным пространством, проницаемостью, в которых возможно перемещение воды, нефти, газа под действием силы тяжести и перепада пластового давления), флюидами (нефть, газ, вода), закачиваемыми агентами воздействия на пласт в конкретных условиях. В настоящее время значительно расширен спектр химических составов для добычи нефти, большое внимание уделяется пониманию механизмов процессов, протекающих в пластовых условиях.

На нынешнем этапе развития отрасли, когда подавляющее число месторождений находится на поздних стадиях разработки, на 1 т добываемой нефти приходится большое количество попутных вод различной минерализации, ионного состава, значений рН, содержания агрессивных газов и механических примесей. Это в каждом конкретном случае требует дифференцированного подхода к проблемам выбора буровых растворов.

Вот почему в этом контексте воде и водным растворам электролитов мы будем уделять особое место. А сегодня мы начнем с темы:

Атомно-молекулярное учение. Атомы и молекулы. Относительная атомная и молекулярная масса. Моль – единица количества вещества. Молярная масса.

Атомно-молекулярное учение – это учение, в основу которого положено представление о том, что наименьшими структурными единицами веществ являются атомы, молекулы и ионы. Главные положения атомно-молекулярного учения были разработаны в середине XVIII – начале XIX в., благодаря работам М.Ломоносова

Дж. Дальтона

и др. ученых, хотя впервые представления об атоме возникли еще в древней Греции. Само слово “атом” древнегреческого происхождения и означает неделимый. “Молекула”, дословно, - маленькая масса.

Атомно-молекулярное учение окончательно было признано в 1860 г., когда на Международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) были приняты определения атома и молекулы. Атомы и молекулы обозначаются посредством химических формул.

Основные положения атомно-молекулярного учения:

1. Все вещества состоят из атомов, молекул и ионов.

а) Из атомов состоят:

- все металлы (Na, Ca, Fe, Cu и т.д.),

- многие неметаллы: инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe),

- С, Si, B, Se, As, Te.

 

б) Из молекул состоят:

- практически все органические вещества,

- небольшое число неорганических: простые вещества (H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂, P₄, S₈) и сложные вещества (NH₃, CO, CO₂, SO₃, SO₂, NO₂, H₂S, H₂O, С₂Н₂ и др.).

 

в) Из ионов состоят:

- все соли (NaCl, CaSO₄, K₃PO₄, MgCO₃ и др.),

- многие основания (NaOH, KOH, NH₄OH) и кислоты (HCl, H₃PO₄, H₂SO₄).

 

2. Атомы, молекулы и ионы находятся в непрерывном тепловом движении:

- в твердых веществах атомы, молекулы и ионы совершают колебательные движения относительно некоторых равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки;

- в жидкостях молекула, после некоторого числа колебаний в одном положении, совершает скачок в соседнее положение, где также совершает некоторое число колебаний и т.д.

- в газах молекулы совершают хаотическое движение по всему представленному объему.

 

3.Между атомами, молекулами и ионами имеются промежутки:

- в твердых веществах и жидкостях эти промежутки соизмеримы с размерами атомов и молекул;

 

- в газах расстояния между молекулами значительно превосходят размеры самих молекул.

 

4.Между атомами, молекулами и ионами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания, имеющие электрическую природу. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей – в газах.

5. Простые вещества состоят из атомов или молекул, сложные – из молекул или ионов. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных – из различных.

6. Атомы химических элементов отличаются друг от друга зарядом ядра, массой, размерами и свойствами.

7. Молекула – более крупная структурная единица, чем атом. Она может содержать от двух до нескольких сотен тысяч атомов.

 

Структурные единицы веществ

Атом – наименьшая электронейтральная частица химического элемента и простого вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и далее ни химически, ни физически неделимая.

 

 

Электронейтральность атома обусловлена равенством числа электронов в электронной оболочке числу протонов в ядре. Т.к. заряды электрона и протона равны по величине и противоположны по знаку, то суммарный заряд атома равен нулю. Молекула, состоящая из электронейтральных атомов, также электронейтральна.

Молекула – наименьшая электронейтральная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и далее физически неделимая (но химически делимая).

Химические свойства атома обусловлены строением внешних (главным образом, последнего) энергетических уровней, химические свойства молекулы – ее составом и строением.

Физические свойства определяются совокупностью атомов или молекул. Бессмысленно говорить о физических свойствах, например, температуре кипения или температуре плавления отдельного атома или молекулы.

 

Массы и размеры атомов и молекул чрезвычайно малы.

Так, масса атома водорода m_(H)=1,67•10^{-27 кг, диаметр – 1,06•10-10 м.}

 

Ион –наименьшая частица сложного вещества, представляющая собой атом или группу атомов, которые отдали или присоединили один или несколько электронов и в результате чего приобрели избыточный положительный или отрицательный заряд.

Например: Al⁰ – 3e^- → Al³⁺,

S⁰ + 2e^- → S^2-

 

Абсолютная и относительная масса атомов и молекул

Масса атомов и молекул, выраженная в граммах или килограммах (г, кг), называется абсолютной (обозначается m).

На практике пользоваться абсолютными массами атомов и молекул часто оказывается неудобно, прежде всего из-за их величины (например, m_(С)= 1,993•10^{-26 кг), поэтому, наряду с абсолютными, пользуются относительными массами атомов и молекул, т.е. массами определенными относительно 1/12 части массы атома углерода 12}С, принятой за единицу и называемой атомной единицей массы (а.е.м.).

 

Абсолютная масса атомной единицы массы:

m(а.е.м.)= 1/12 m_(С)=1/12•1,993•10^-26кг = 1,66•10^-27 кг= 1,66•10^{-24 г}

 

Относительной атомной массой (А_r) (r – от «relative» - относительный) химического элемента называется число, показывающее во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 части атома ¹²С.

Значение А_r приведены в таблице химических элементов Д.И.Менделеева.

 

Относительной молекулярной массой (М_r) вещества называется число, показывающее во сколько раз данная молекула тяжелее ¹/₁₂ атома ¹²С.

Из формул (1) и (2) следует, что А_r и M_r величины безразмерные.

Из формул (1) и (2) вытекает также связь между абсолютной и относительной массами атома и молекулы:

m_(атома) = A_r • 1,66•10^{-27 кг}

m_{(молекулы)} = М_r • 1,66•10^{-27 кг}

Масса молекулы равна сумме масс атомов, из которых молекула состоит

М_r = ∑ A_r

Например, М_{r (О2)} = 2 A_{r (O)} = 2•16=32,

М_{r (H2O)} = 2 A_{r (H)} + A_{r (O)} = 2•1 + 16=18,

М_{r (Н2SO4)} = 2 A_{r (H)} + A_{r (S)} + 4A_{r (O)} = 2•1+32+ 4•16=98.

 

При определении М_r ионных соединений (солей, кислот и щелочей) структурной единицей вещества условно считается молекула.

Относительная молекулярная масса кристаллогидрата:

М_{r (кристаллогидрата)}=М_{r(безводной соли)} +n M_r(H2O)

Например:

М_{r(Na2SO4•10H2O)} = М_{r (Na2SO4)} + 10•М_r(H2O) = 142 + 10•18 =322

При определении М_r кристаллогидратов структурной единицей вещества условно считается ассоциация, состоящая из одной молекулы соли и n молекул воды, связанных с ней.

Допускается также выражение относительной атомной и молекулярной масс в а.е.м.

Например:

М_r(O2) = 32 а.е.м., М_r(H2O) = 18 а.е.м., М_r(Н2SO4) = 98 а.е.м.

 

A_r - одна из основных характеристик химического элемента.

М_r - одна из основных характеристик вещества.

 

Количество вещества. Единица количества вещества.

Под количеством вещества (ν) понимают определенное число структурных единиц этого вещества. За единицу количества вещества принят 1 моль.

 

1 моль - количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул или других частиц), сколько их содержится в 12 г (0,012 кг) изотопа углерода ¹²С.

 

Т.к. масса ¹²С равна 1,993·10^{-23 г, то в 12 г углерода 12}С содержится N = 12г/1,993·10^{-23 г = 6,02·1023} атомов.

Поэтому можно дать следующее определение моля:

 

Моль - это такое количество вещества, в котором, независимо от агрегатного состояния, содержится 6,02·10²³ структурных единиц вещества.

 

Говоря о количестве вещества, всегда надо точно знать, из каких структурных единиц состоит вещество. Например:

· 1 моль железа – это 6,02•10²³ атомов Fe, т.к. железо состоит из атомов.

· 1 моль воды – это 6,02•10²³ молекул H₂O, т.к. вода состоит из молекул.

· 1 моль хлорида натрия - это 6,02•10²³ условных молекул NaCl (хлорид натрия состоит из ионов).

· 1 моль CuSO₄•5H₂O - это 6,02•10²³ структурных единиц, каждая из которых состоит из одной условной молекулы CuSO₄ и пяти молекул H₂O.