Теоретические основы химии

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Каждый элемент имеет порядковый номер в периодической таблице и символ, например кислород O с номером 8. Понятие элемента нужно, чтобы различать виды атомов независимо от того, в составе какого вещества они находятся.

Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. Ядро содержит протоны и нейтроны, а электроны образуют оболочку; именно заряд ядра и строение электронной оболочки определяют свойства атома. Атом рассматривают как исходную частицу химических превращений.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из связанных атомов, тогда как атом является одной частицей элемента, а ион имеет электрический заряд. Это различие помогает понимать, чем отличаются, например, молекула воды H₂O и ион Na⁺.

Количество вещества характеризует число структурных частиц в образце и обозначается n. Единица измерения — моль: 1 моль содержит постоянное число Авогадро Nₐ = 6,022 · 10²³ частиц. Массу одного моля называют молярной массой M и измеряют в г/моль.

Как это устроено

Принадлежность атома к элементу определяется зарядом ядра, то есть числом протонов. Если протонов 8, это всегда кислород, а если 11 — натрий. Число нейтронов может различаться, образуя изотопы, но элемент при этом не меняется; у нейтрального атома число электронов равно числу протонов.

Атомы образуют молекулы и другие частицы, потому что их электроны взаимодействуют. Связавшись, атомы переходят в более устойчивое состояние, а свойства получившейся частицы отличаются от свойств исходных атомов. Состав записывают формулой: индексы показывают число атомов, а отсутствие индекса означает один атом.

Химическая реакция состоит в разрыве одних связей и образовании других. Ядра атомов при обычных химических превращениях не изменяются, поэтому атомы не исчезают и не возникают, а только переходят из одних веществ в другие. Отсюда следует закон сохранения массы веществ: масса реагентов равна массе продуктов реакции.

Формула одновременно показывает качественный и количественный состав вещества. Например, H₂SO₄ содержит водород, серу и кислород, причём на одну частицу приходятся два атома H, один S и четыре O. По этим индексам вычисляют относительную молекулярную массу: Mᵣ = 2Aᵣ(H) + Aᵣ(S) + 4Aᵣ(O).

Масса, количество вещества и число частиц связаны через молярную массу и постоянную Авогадро. Если известна масса, количество находят по формуле n = m/M, а число частиц — по формуле N = nNₐ. Поэтому макроскопическую массу образца можно связать с невидимым числом атомов или молекул.

Основные объекты и величины теоретической химии

Сначала определите, что именно дано в задаче: масса, число частиц или формула вещества. Затем выберите строку таблицы и примените связанную с ней формулу. Не смешивайте относительные величины Aᵣ и Mᵣ, не имеющие единиц, с молярной массой M, измеряемой в г/моль.

Разбор задач

1. Чтение формулы Al₂(SO₄)₃

Нужно определить элементы и число атомов каждого элемента в одной формульной единице. Индекс 2 относится к алюминию, а индекс 3 после скобок умножает каждый атом внутри скобок. Поэтому сначала читаем внутреннюю группу SO₄, затем учитываем внешний индекс.

1. Элементы: Al, S и O.
2. Алюминия — 2 атома.
3. Серы — 1 · 3 = 3 атома.
4. Кислорода — 4 · 3 = 12 атомов.

Ответ: в формульной единице Al₂(SO₄)₃ содержатся 2 атома Al, 3 атома S и 12 атомов O, всего 17 атомов.

2. Состав H₂SO₄

Используем относительные атомные массы: Aᵣ(H) = 1, Aᵣ(S) = 32, Aᵣ(O) = 16. Сначала найдём сумму масс всех атомов в частице, затем разделим вклад каждого элемента на эту сумму. Массовую долю выражают дробью или процентами.

1. Mᵣ(H₂SO₄) = 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 98.
2. ω(H) = 2/98 · 100% ≈ 2,04%.
3. ω(S) = 32/98 · 100% ≈ 32,65%.
4. ω(O) = 64/98 · 100% ≈ 65,31%.

Ответ: Mᵣ(H₂SO₄) = 98; массовые доли водорода, серы и кислорода примерно равны 2,04%, 32,65% и 65,31%.

3. Вода массой 36 г

Дана масса воды, поэтому сначала найдём количество вещества, а затем число молекул. Для воды M(H₂O) = 2 · 1 + 16 = 18 г/моль. После вычисления проверим, что результат для числа молекул имеет порядок 10²⁴.

1. n = m/M = 36 г / 18 г/моль = 2 моль.
2. N = nNₐ = 2 · 6,022 · 10²³ = 1,2044 · 10²⁴ молекул.

Ответ: в образце содержится 2 моль воды и примерно 1,204 · 10²⁴ молекул.

Типичные ошибки

Элемент смешивают с простым веществом: кислород как элемент — это вид атомов O, а кислородный газ O₂ — вещество. Ошибка возникает из-за одинакового названия. Проверяйте, говорится ли о виде атомов или о конкретном образце вещества.

Индекс в формуле путают с коэффициентом перед формулой. Индекс меняет состав одной частицы, а коэффициент показывает число частиц или порций вещества в уравнении. Чтобы проверить себя, посчитайте атомы в одной частице, а затем отдельно умножьте их на коэффициент.

При вычислении Mᵣ забывают индексы или скобки. Например, в Al₂(SO₄)₃ индекс 3 относится и к сере, и к кислороду. Запишите вклад каждого элемента отдельно и сложите его только после умножения на индекс.

Количество вещества принимают за массу или число частиц. У этих величин разные обозначения и единицы: n измеряют в молях, m — в граммах, N — счётом частиц. Перед решением выпишите данные и проверьте размерность результата.

Связь с другими темами

Для темы нужны строение атома, символы элементов, периодическая таблица и единицы массы. Дальше эти понятия используются при составлении и уравнивании реакций, а также в расчётах по формулам и уравнениям.

Связь с физикой проявляется в переходе от массы образца к числу частиц. Биология и геохимия используют те же представления, когда изучают состав веществ, обмен атомами и превращения соединений в организмах и природных системах.

Что запомнить

• Химический элемент определяется зарядом ядра атома.
• Атомы могут объединяться в молекулы и другие частицы вещества.
• Химическая формула показывает состав вещества и соотношение его атомов.
• В химической реакции атомы сохраняются и перегруппировываются.
• Один моль содержит 6,022 · 10²³ частиц.
• Количество вещества рассчитывают через массу и молярную массу: n = m/M.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс с учётом индексов.