Основные стехиометрические законы

Лекция 1

Основные понятия и стехиометрические законы химии

Химия – наука о свойствах вещества и его превращениях, она включает в себя законы и принципы, описывающие эти превращения, а так же представления и теории, позволяющие дать им объяснение.

Химия изучает главным образом вещество, организованное в атомы, молекулы, ионы и радикалы. Такие вещества принято подразделять на простые и сложные (хим. соединения).

Простые вещества образованы атомами одного хим. элемента и потому являются формой его существования в свободном состоянии, напр. сера, железо, озон, алмаз.

Сложные вещества образованы разными элементами и могут иметь состав постоянный (стехиометрические соединения или дальтониды) или меняющийся в некоторых пределах (нестехиометрические соединения или бертоллиды).

Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства.

Различным элементам соответствуют различные атомы, обозначаемые символом данного элемента (Ag, Fe, Mg).

Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек.

В настоящее время известно 118 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.

Ионы (от греч. ion – идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрический заряд.

Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально – идущий вниз),

отрицательные – анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх). В свободном состоянии существуют в газовой фазе (в плазме).

Валентность (от лат. valentia – сила), способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи.

В рамках электронной теории химической связи валентность атома определяется числом его неспаренных электронов в основном или возбужденном состоянии, участвующих в образовании общих электронных пар с электронами других атомов.

Реакции химические (от лат. re- – приставка, означающая обратное действие, и actio –действие), превращения одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов. Исходные вещества иногда называют реагентами, однако чаще (особенно в органической химии) термин "реагент" используют по отношению к одному, наиболее активному исходному соединению, определяющему направление химической реакции.

Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из Z протонов и N нейтронов, в которой сосредоточена основная масса атомов.

Заряд ядра - положительный, по величине равен количеству протонов в ядре или электронов в ней. Сумма протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N.

Изотопы - химические элементы с одинаковыми зарядами ядер, но различными массовыми числами за счет разного числа нейтронов в ядре.

Так кислород имеет изотопы с массовыми числами 16,17, 18.

Атомная масса элемента равна среднему значению из масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности. Например, природный хлор состоит из 75,4% изотопа с массовым числом 35 и из 24,6% изотопа с массовым числом 37; средняя атомная масса хлора 35, 453.

Изобары –атомы, имеющие одинаковую массу, но различные заряды ядра (атомные номера) и разные химические свойства. Они имеют одинаковое суммарное количество протонов и нейтронов в ядре, принадлежат к разным химическим элементам. Например: ⁴⁰Ar, ⁴⁰K, ⁴⁰Ca;⁵⁴Cr,⁵⁴Fe; ¹¹²Cd, ¹¹²Sn и др.

Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа

внизу от символа, обозначает число атомов в молекуле).

Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком соотношении соединены между собой в молекуле.

Молекулы простых веществ состоят из атомов одного и того же элемента.

Молекулы сложных веществ состоят из атомов различных химических элементов.

Международная единица атомных масс равна 1/12 массы изотопа ¹²C - основного изотопа природного углерода.

1 а.е.м = 1/12 • m (¹²C) = 1,66057 • 10^-27 кг

Относительная атомная масса (Ar) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома ¹²C.

Относительная молекулярная масса (Mr) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода ¹²C. Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом индексов.

Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной наа.е.м.

Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Количество вещества, моль. Означает количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С.

Число Авогадро(N_A) означает, что количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 • 10²³. моль^-1 (зная массу одного атома углерода (1,993 *10 ^-26 кг),можно вычислить число атомов N_A в 0.012 кг углерода: N_A =0,012 кг/моль / 1.993 *10^-26 = 6.02*10 ²³ моль^-1).

Молярная масса (М) вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества и численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая - безразмерная. Масса (m) и количество вещества (n)понятия разные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях, между ними существуют соотношения:

m = nM,n = m/M, M = m/n.

 

Основные стехиометрические законы

Закон сохранения массы веществ (М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.):