"Химия", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. (изд. Астрель)
Массовая доля показывает, какую часть массы вещества составляет выбранный химический элемент. С её помощью сравнивают состав соединений и решают задачи, в которых нужно определить массу элемента или всего вещества. Для расчётов используют относительные атомные массы и химическую формулу. Закон постоянства состава объясняет, почему у чистого химического соединения соотношение элементов не зависит от способа его получения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Массовая доля химического элемента — это отношение массы данного элемента, входящего в состав вещества, к массе всего вещества. Её обозначают греческой буквой ω (омега): ω(E) = m(E) / m(вещества), где E — символ элемента. Эта величина нужна, чтобы сравнивать, сколько каждого элемента содержится в разных веществах.
Относительная атомная масса Ar показывает, во сколько раз масса атома элемента больше условной единицы массы. Значения Ar обычно берут из периодической таблицы; в школьных расчётах их часто округляют до целых чисел. Эта величина позволяет учитывать, что одинаковое число атомов разных элементов даёт разную массу.
Относительная молекулярная масса Mr — сумма относительных атомных масс всех атомов, указанных в формуле вещества. Например, для воды H₂O: Mr = 2 · Ar(H) + Ar(O). Она нужна, чтобы найти условную общую массу всех атомов в формульной единице и определить долю каждого элемента.
Закон постоянства состава утверждает: каждое чистое химическое соединение имеет постоянный качественный и количественный состав независимо от способа его получения. Качественный состав — это набор элементов, а количественный — их соотношение. Закон помогает понять, почему формула чистого вещества не меняется при его получении разными способами.
Химическая формула показывает, атомы каких элементов входят в вещество и сколько их приходится на одну формульную единицу. Индекс справа от символа указывает число атомов; если индекса нет, считают, что атом один. Поэтому, прежде чем вычислять состав, нужно правильно прочитать формулу: например, в CO₂ один атом углерода и два атома кислорода.
Одного числа атомов недостаточно, чтобы сравнить вклад элементов в массу вещества: атомы имеют разную массу. Поэтому число атомов каждого элемента умножают на его относительную атомную массу, а результаты складывают. Так получают Mr вещества и одновременно находят вклад каждого элемента в эту сумму.
Чтобы вычислить массовую долю элемента, его вклад в Mr делят на общее значение Mr. Для элемента E, атомы которого обозначены индексом n, используют формулу ω(E) = Ar(E) · n / Mr. Если долю нужно выразить в процентах, полученное число умножают на 100%; дробная запись и процентная запись обозначают одну и ту же величину.
Массовые доли всех элементов чистого соединения в сумме дают единицу, или 100%. Это следует из того, что массы всех элементов вместе составляют массу всего вещества. Проверка суммы помогает заметить пропущенный индекс, неверно найденное Mr или ошибку при переводе в проценты.
Постоянство состава связано с тем, что частицы одного и того же чистого соединения имеют одинаковый набор атомов в определённом соотношении. Поэтому, сколько бы вещества ни взяли и каким бы способом его ни получили, доля каждого элемента остаётся прежней. Например, в любой порции чистой воды на два атома водорода приходится один атом кислорода, а отношение их масс сохраняется.
Закон относится именно к чистым химическим соединениям, а не к смесям. В смеси вещества могут находиться в разных пропорциях, поэтому состав смеси зависит от того, как её приготовили. Это различие важно: постоянная формула соединения не означает, что всякий материал с похожими компонентами имеет постоянный состав.
| Вещество | Расчёт Mr | Массовые доли элементов |
|---|---|---|
| Вода H₂O | 2 · 1 + 16 = 18 | ω(H) = 2/18 ≈ 11,1%; ω(O) = 16/18 ≈ 88,9% |
| Углекислый газ CO₂ | 12 + 2 · 16 = 44 | ω(C) = 12/44 ≈ 27,3%; ω(O) = 32/44 ≈ 72,7% |
| Аммиак NH₃ | 14 + 3 · 1 = 17 | ω(N) = 14/17 ≈ 82,4%; ω(H) = 3/17 ≈ 17,6% |
Сначала по формуле определяют число атомов и находят Mr, а затем делят вклад каждого элемента на эту сумму. Доли в таблице округлены до десятых, поэтому при проверке сумма может отличаться от 100% на небольшую величину из-за округления.
Задача: найдите массовые доли водорода и кислорода в воде H₂O, если Ar(H) = 1, а Ar(O) = 16. Сначала разберём, какую часть общей массы создают атомы каждого элемента. В формуле воды два атома водорода и один атом кислорода, поэтому при расчёте нельзя забывать индекс 2 у водорода.
Записываем число атомов каждого элемента: два атома H и один атом O. Их относительные вклады в массу равны 2 · 1 = 2 для водорода и 1 · 16 = 16 для кислорода. Эти числа показывают вклад элементов в одну формульную единицу воды.
Находим относительную молекулярную массу воды: Mr(H₂O) = 2 · 1 + 16 = 18. Это сумма вкладов всех атомов, то есть общий знаменатель для расчёта обеих долей. Проверяем, что слагаемые относятся ко всем атомам, записанным в формуле.
Находим долю водорода: ω(H) = 2/18 = 1/9 ≈ 0,111. Переводим её в проценты: 0,111 · 100% ≈ 11,1%. Значит, примерно 11,1% массы воды приходится на водород.
Находим долю кислорода: ω(O) = 16/18 ≈ 0,889, или около 88,9%. Для проверки складываем результаты: 11,1% + 88,9% = 100%. Сумма подтверждает, что учтены оба элемента и расчёт согласуется с массой всего вещества.
Ответ: массовая доля водорода в воде составляет примерно 11,1%, кислорода — примерно 88,9%. Если бы требовалась масса элемента в конкретной порции воды, найденную долю следовало бы умножить на массу этой порции. При работе с округлёнными Ar и долями ответ также может быть приближённым.
Ученик принимает индекс в формуле за массу атома или не учитывает его вовсе. Так происходит, если формулу читают как набор символов, не связывая индексы с количеством атомов. Проверьте каждый элемент отдельно: его вклад равен Ar, умноженной на число атомов, а отсутствие индекса означает один атом.
В знаменатель подставляют атомную массу одного элемента вместо Mr всего вещества. Причина — забывают, что массовая доля сравнивает вклад элемента с полной массой соединения. Перед делением сложите вклады всех элементов и убедитесь, что каждый атом из формулы учтён.
Дробную долю записывают как проценты без умножения на 100 или, наоборот, умножают на 100 дважды. Ошибка возникает из-за смешения двух форм записи. Проверьте результат: доля в виде числа должна быть от 0 до 1, а процент — от 0% до 100%.
Ожидают, что массовые доли элементов в смеси тоже всегда постоянны. Это неверно, потому что количества компонентов смеси можно менять, не превращая её в одно чистое соединение. Спросите себя, есть ли у рассматриваемого образца одна определённая химическая формула; если нет, закон постоянства состава к нему неприменим.
Для расчёта массовой доли нужны химические формулы: по индексам определяют число атомов каждого элемента. Значения Ar находят в периодической таблице, а из них складывают Mr вещества. Поэтому тема соединяет чтение формул, сведения о строении веществ и вычисления с относительными атомными массами.
Массовые доли помогают перейти от формулы вещества к числовому описанию его состава и пригодятся при решении задач на массу элементов. Закон постоянства состава также помогает отличать химическое соединение от смеси. Это основа для дальнейшего изучения количественных отношений в химических реакциях.
Массовая доля элемента: ω(E) = m(E) / m(вещества); в процентах результат умножают на 100%.
Для расчёта по формуле используют ω(E) = Ar(E) · n / Mr(вещества), где n — число атомов элемента.
Mr находят сложением вкладов всех атомов, указанных в химической формуле.
Сумма массовых долей всех элементов чистого соединения равна 1, или 100%.
У чистого химического соединения состав постоянен независимо от способа получения; состав смеси может меняться.
§ 9. Массовая доля химического элемента в веществе. Закон постоянства состава вещества
