УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение.
См. № 4—14, 16—28, 30—34, 37—44, 47, 48/2002;
1, 2/2003

§ 4.4. Законы атомно-молекулярной теории

Количественное (по массе или объему газа) изучение простых химических реакций приводит к стехиометрическим законам, подтверждающим атомно-молекулярное учение, т. е. существование в природе атомов и молекул. Напомним, что такое стехиометрия (не путайте со стереометрией). Это учение о количественных соотношениях между массами вступающих в реакцию веществ. Ответьте на вопрос, что такое стехиометрический коэффициент в уравнении химической реакции.
В этот раздел химии входят правила составления химических формул и уравнений химических реакций. Стехиометрия основывается на некоторых законах химических взаимодействий, которые изложены ниже.
Если вам когда-либо придется изучать историю химии, то пригодится кратчайшее знакомство с некоторыми основными законами, создавшими эту современную науку.
Закон эквивалентов. Изучение массовых соотношений, в которых одни вещества соединяются с другими, приводит к следующему выводу: массы веществ, вступающих в химическую реакцию, равны или кратны мольным (молярным) массам их эквивалентов.
Эквивалентом называется некоторая реальная или условная химическая частица, которая может присоединять или выделять в реакции один атом или ион водорода. Единица измерения количества эквивалента – моль. Масса 1 моль эквивалента – это мольная масса эквивалента.
Мольной массой эквивалента (или эквивалентной массой элемента) называют массу элемента, которая присоединяет или замещает в соединении 1,008 массовых частей водорода или 8,000 массовых частей кислорода (или 12 массовых частей углерода ¹²С).
Экспериментально найти мольную массу эквивалента несложно: следует определить массовое количество элемента, соединяющегося или с 1,008 массовыми частями водорода, или с 8 массовыми частями кислорода.

Например, при сжигании 0,253 г металлического магния получено 0,420 г оксида магния. Следовательно, 0,253 г магния прореагировало с 0,167 г кислорода (0,420 – 0,253). Узнаем количество магния, которое прореагирует с 8 г кислорода:

Отсюда х = 12,1 г.

Это и есть мольная масса эквивалента магния, она в два раза меньше атомной массы магния. Обратите внимание, что, разделив атомную массу магния на мольную массу его эквивалента, мы получим валентность магния: 24,3/12,1 = 2. Формула оксида магния – MgО (оба элемента двухвалентны).

Закон кратных отношений. Многие химические элементы образуют друг с другом более одного соединения. Согласно этому закону массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как небольшие целые числа. Подумайте, какое отношение имеет этот закон к привычному вам понятию «валентность».
Об оксидах азота как важнейших веществах, влияющих на экологию и здоровье человека, мы много раз говорили и еще будем говорить. Ниже приведены процентный состав (по массе) оксидов азота (назовите их) и отношения массы кислорода к массе азота в каждом оксиде:

Разделив в последнем столбце все отношения на 0,58 (самое малое число), получим числа, относящиеся друг к другу как 1:2:3:4:5. Что вам показалось удивительным в этих числах?
Закон объемных отношений. Объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объемам получающихся газообразных продуктов как небольшие целые числа.
Так, один объем водорода без остатка реагирует с одним объемом хлора, образуя хлороводород (запись уравнения реакции неправильная!):

Н + Cl = HCl.

На основании закона кратных отношений можно предположить, что одинаковые объемы разных газов (при равных температурах и давлениях) содержат одинаковое число атомов. Это предположение объясняет, почему один объем водорода без остатка реагирует с одним объемом хлора, но совершенно непонятно, почему в данной реакции объем системы не изменяется.
Такое противоречие возникает для большинства реакций между газами, например между водородом и кислородом или азотом и кислородом с образованием различных оксидов азота. Для объяснения этого противоречия А.Авогадро предположил, что такие газы, как водород, кислород, азот, хлор и некоторые другие, состоят не из отдельных атомов, а из двухатомных молекул (эта идея была высказана еще М.В.Ломоносовым). Правильное написание уравнения реакции между водородом и хлором приведено ниже:

Н₂ + Cl₂ = 2HCl (г.).

Каковы объемные соотношения при образовании воды из простых веществ?
И снова знакомый вам вопрос: какая связь между законом кратных отношений и валентностью атомов, реагирующих веществ? Этот и подобные вопросы задают вам в основном не для того, чтобы вы запоминали химические факты (валентность и т. п.), а учились при формулировании ответа научно выражать мысль.
Закон Авогадро. В равных объемах любых газов, независимо от того, из какого числа атомов состоят их молекулы, при одинаковых температуре и давлении содержится равное число молекул.

Невозможно оценить значение этого закона для развития химии и других областей науки – физики, биологии, медицины, – а также различных технологий. Представьте себе, что при сгорании углерода (уголь, древесина) на один объем кислорода приходится в два раза больший объем образующегося углекислого газа. К каким последствиям это может привести? А если при равных объемах этих двух газов в них содержались бы различные количества молекул? Каково соотношение объемов кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе? Как человек дышал, если бы в равных объемах кислорода и углекислого газа содержалось разное число молекул?

В реакциях с водородом, кислородом, азотом, хлором и другими простыми газами объем газообразного продукта не бывает больше, чем удвоенный объем прореагировавшего газа. Из этого следует, что молекулы простых газов состоят из двух атомов каждая. Запомните на всю жизнь формулы хотя бы водорода, кислорода, хлора, азота.
Для разных веществ массы 1 моль различны, но число молекул в каждом 1 моль вещества одно и то же и равно постоянной Авогадро:

N = 6,02•1023.

Из этого вытекает, что при одних и тех же условиях (температура, давление) объемы
1 моль газообразных веществ одинаковы. При нормальных условиях (t = 0 °С , Т = 273 К, р = 101 325 Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.) этот мольный объем газа равен 22,4 л. Очевидно, что масса 22,4 л газа при нормальных условиях равна его мольной массе. На этом основан способ определения мольных масс газообразных веществ.
Масса 22,4 л воздуха равна 28,9 г. Из этого следует, что средняя мольная масса воздуха равна 28,9 г. Не удивляйтесь, мы говорим о мольной массе воздуха, который состоит из смеси (% об.): азот – 78,09, кислород – 20,95, углекислый газ – 0,03, благородные газы – 0,94. Мольную массу воздуха нужно запомнить, т. к. с ее помощью вы всегда сможете определить, легче или тяжелее воздуха данный газ.
Рассчитайте плотности кислорода, углекислого газа и воздуха (г/л).
Как быстро узнать, что интересующий вас газ (кислород, водород, азот, хлор, гелий или углекислый газ) легче или тяжелее воздуха? Эти газы на воздухе будут подниматься или опускаться? Докажите ваш вывод расчетами.

Иногда в научной литературе используют плотность газа по воздуху. Плотность газа по воздуху равна частному от деления мольной массы газа на мольную массу воздуха:

= М/28,9.

Кроме того, плотность обозначают также буквой d.
Иногда используют плотности газа по водороду, азоту и другим газам, но практического значения эти величины не имеют.

О.С.ЗАЙЦЕВ

Ответы на тестовые задания к пособию

«Органическая химия в тестовых заданиях»

к главе 26 «Амины»
(см. № 47, 48/2002)

1 – 2; 2 – 2; 3 – 6; 4 – 3; 5 – 1; 6 – 3; 7 – 2; 8 – 1; 9 – 2; 10 – 5; 11 – 1; 12 – 3; 13 – 2; 14 – 4; 15 – 4; 16 – 6; 17 – 4;
18 – 1; 19 – 6; 20 – 3; 21 – 2; 22 – 2; 23 – 2; 24 – 4; 25 – 3; 26 – 1; 27 – 2; 28 – 5.