И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 2
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22/2005

Основные химические законы

(Периодический закон Д.И.Менделеева рассматривается отдельно.)

Атомно-молекулярное учение. В 1741 г. М.В.Ломоносов впервые высказал предположения об атомно-молекулярном строении вещества, достаточно близкие к нашим представлениям. По определению Ломоносова, все вещества состоят из элементов (атомов), которые могут соединяться в корпускулы (молекулы). Позже, в 1803 г., Дж.Дальтон также приходит к выводу о существовании атомов как мельчайших частиц вещества. Таким образом, Ломоносова и Дальтона можно в полной мере считать авторами атомно-молекулярного учения, основные положения которого следующие:

1. Все вещества состоят из молекул, т.е. химическое соединение – это совокупность одинаковых (с химической точки зрения) молекул.

Дж.Дальтон (1766–1844)

2. Молекулы состоят из атомов, причем молекулы простых веществ состоят из атомов одного вида (одного химического элемента), а молекулы сложных веществ – из атомов разных видов (разных химических элементов).

3. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Закон постоянства состава вещества (Ж.Л.Пруст, 1799 г.). Качественный и количественный состав соединений молекулярной структуры является постоянным, независимо от способа получения соединения. Закон применим к соединениям с молекулярным строением, т е. к соединениям с ковалентными связями (большинство органических соединений, неорганические кислоты, газы и т.д.).

Ж.Л.Пруст (1754–1826)

Закон сохранения массы (М.В.Ломоносов, 1748 г., А.Л.Лавуазье, 1789 г.). Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции. Этот закон является частным случаем общего закона природы – закона сохранения массы и энергии в закрытых системах.

А.Л.Лавуазье (1743–1794)

Закон Авогадро (А.Авогадро, 1811 г., С.Канниццаро, 1858 г.) В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

А.Авогадро (1776–1856)

Следствия из закона Авогадро:

1) при одинаковых условиях равные количества вещества различных газов занимают одинаковые объемы;

2) при нормальных условиях, т.е. температуре (Т = 273 К (0 °С) и давлении р = 101,3 кПа (1 атм,
760 мм рт. ст.), 1 моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л;

С.Канниццаро (1826–1910)

3) некоторые авторы формулируют еще одно следствие из закона Авогадро, применяемое при решении расчетных задач: относительной плотностью газа Х по газу Y называется величина, равная отношению молярной массы газа Х к молярной массе газа Y (при одинаковых условиях):

Закон эквивалентов (И.В.Рихтер, 1792 г.). Массы веществ, вступающих в химическую реакцию, прямо пропорциональны их эквивалентам.

И.В.Рихтер (1762–1807)

Химический эквивалент элемента – такая его масса, которая соединяется с единицей массы водорода или с 8 единицами массы кислорода или замещает эти количества в их соединениях.

Э = А/В,

где А – атомная масса элемента; В – валентность элемента, например:

Э(О) = 16/2 = 8.

Эквивалентный объем любого бинарного газа равен 11,2 л/моль.

На основе закона эквивалентов выведены формулы для расчета эквивалентных масс сложных веществ:

Э(оксида) = молярная масса оксида/(валентность элемента•число атомов элемента в оксиде), например:

Э(Al₂O₃) = 102/(3•2) = 17;

Э(кислоты) = молярная масса кислоты/основность кислоты, например:

Э(H₂SO₄) = 98/2 = 49;

Э(основания) = молярная масса основания/кислотность основания, например:

Э(Ca(OH)₂) = 74/2 = 37;

Э(соли) = молярная масса соли/(валентность металла•число атомов металла), например:

Э(Na₂SO₄) = 142/(1•2) = 71.

Уравнение Менделеева–Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) описывает соотношение между давлением газа, его объемом, количеством вещества и температурой:

pV =RT,

где p – давление, кПа; V – объем, л; – количество вещества газа, моль; R – универсальная газовая постоянная:

R = 8,314 Дж/(моль•К) = 0,082 л•атм/(моль•К);

Т – температура, К.

Объединенный газовый закон (Клапейрона):

Б.Клапейрон (1799–1864)

Тест по теме «Основные химические законы»

1. При н.у. равное число молекул содержат 5 г водорода и объем гелия, равный (в л):

а) 22,4; б) 44,8; в) 56,0; г) 112.

2. Плотность паров серы по воздуху составляет 2,21. Молекула серы при этих условиях имеет следующую молекулярную формулу:

а) S; б) S₂; в) S₆; г) S₈.

3. В баллоне объемом 50 л при 20 °С находится аргон под давлением 80 атм. Масса этого аргона равна (в кг):

а) 6,66; б) 8,93; в) 7,62; г) 9,13.

4. Масса порции карбоната натрия, в которой содержится 3,01•10²³ атомов натрия, равна (в г):

а) 53; б) 26,5; в) 106; г) 41,5.

5. Объем (в л, н.у.) порции метана, содержащей 4,816•10²³ атомов водорода, равен:

а) 4,48; б) 17,92; в) 35,84; г) 71,68.

6. Относительная плотность некоторого газа по воздуху равна 2. Чему равна плотность этого газа по гелию?

а) 7,25; б) 14,5; в) 29; г) 58.

7. Эквивалент сульфата аммония равен:

а) 132; б) 66; в) 264; г) 11,2.

8. При н. у. объем 10 г газообразного водорода больше объема 10 г жидкой воды приблизительно в:

а) 11 200 раз; б) 22 400 раз;

в) 44 800 раз; г) 2240 раз.

9. Абсолютная плотность (кг/м³) углекислого газа, измеренная при н.у., равна:

а) 1,25; б) 1,96; в) 1,429; г) 1,2506.

10. Соотношение масс ионов в йодиде алюминия составляет:

а) 0,54:5; б) 0,72:4,3; в) 0,54:7,62; г) 0,54:2,54.

Ключ к тесту

Задачи на основные химические законы

Закон постоянства состава вещества

1. При разложении одного образца оксида ртути из 2,16 г его получили 2 г ртути, а из 2,63 г другого образца – 2,435 г ртути. Соответствует ли это закону постоянства состава?

Ответ. Да.

2. 6 г оксида кремния(IV) получено нагреванием 2,8 г кремния в токе кислорода. При сгорании силана образовалось 60 г оксида кремния(IV) и 36 г воды. При этом было израсходовано 64 г кислорода. Согласуются ли эти данные с законом постоянства состава?

Ответ. Да.

3. При окислении 6,35 г некоторого металла получено 7,95 г оксида, а при восстановлении 1 г этого оксида образовалось 0,799 г металла. Согласуются ли эти данные с законом постоянства состава?

Ответ. Да.

Закон сохранения массы вещества

1. Прокаливанием 100 г известняка получено 56 г оксида кальция и 22,4 л (н.у.) углекислого газа. Противоречит ли это закону сохранения массы веществ?

Ответ. Нет.

2. С целью получения сульфида алюминия была подвергнута нагреванию на воздухе смесь 27 г алюминия с 60 г серы. По окончании реакции обнаружилось, что получилось 75 г продукта реакции. Противоречит ли это закону сохранения массы веществ?

Ответ. Нет.

Объединенный газовый закон
(уравнение Менделеева–Клапейрона)

Уровень А

1. 400 мл двухатомного газа при 27 °С и 133 322 Па имеют массу 0,685 г. Определить газ.

Ответ. О₂.

2. Определить объем (в л), занимаемый 0,07 кг азота при 21 °С и давлении 1065 мм рт. ст.

Ответ. 43 л.

3. Чему равно атмосферное давление на вершине Казбека, если при 0 °С масса 1 л взятого там воздуха составляет 700 мг? Ответ. 54,8 кПа.

4. При 17 °С и давлении 780 мм рт. ст. масса 624 мл газа равна 1,56 г. Вычислить молярную массу газа.

Ответ. 58 г/моль.

5. Масса колбы вместимостью 750 мл, наполненной при 27 °С кислородом, равна 83,3 г. Масса пустой колбы составляет 82,1 г. Определить давление кислорода.

Ответ. 124,71 кПа.

6. 246 л хлороводорода, измеренного при температуре 27 °С и давлении 1 атм, растворены в 1 л воды. Рассчитать массовую долю (в %) соляной кислоты в полученном растворе. Сколько литров хлора можно получить при окислении этого раствора дихроматом калия?

Ответ. 26,7%, 47,96 л.

Уровень  Б

1. Как изменится давление газовой смеси, состоящей из равных мольных долей азота и водорода, если 60% водорода прореагирует с образованием аммиака?

Ответ. Уменьшится в 1,25 раза.

2. К 20 мл сернистого газа добавили 30 мл углекислого газа (50 °С, 98 кПа). Во сколько раз число электронов в этой смеси будет меньше числа Авогадро?

Дано:

V(SO₂) = 20 мл,

V(СO₂) = 30 мл,

Т = 50 °C, или 323К,

р = 98 кПа.

Найти:

N_A/N(e).

Решение

pV = RT, = pV/RT.

1) (SO₂) = 98•0,02/(8,314•323) = 0,00073 моль.

1 моль SO₂ содержит 32 моль е, поэтому:

(e в SO₂)= 0,00073•32 = 0,02335 моль.

2) (СO₂) = 98•0,03/(8,314•323) = 0,001 моль.

1 моль СO₂ содержит 22 моль е, поэтому:

(e в СO₂) = 0,001•22 = 0,024 моль.

(e в смеси) = 0,024 + 0,02335 = 0,04735 моль.

N_A/N(e в смеси) = (N_A)/(e в смеси) = 1 моль/(e в смеси) = 1/0,04735 = 21 раз.

Ответ. в 21 раз.

3. Газ, полученный при прокаливании 4,9 г бертолетовой соли, смешали в сосуде емкостью 4 л с газом, полученным при взаимодействии 6 г кальция с избытком воды. Определить объемные доли (в %) газов в смеси и давление в сосуде (температура 0 °С, давлением водяных паров пренебречь).

Ответ. 119,16 кПа, 28,6% и 71,4%.

4. Азот смешали с водородом в молярном соотношении 1:5 при давлении 10,13 мПа и температуре 450 °С, полученную смесь пропустили через контактный аппарат для синтеза аммиака. Объем газов, вышедших из аппарата при 450 °С и 8,78 мПа, оказался равен исходному объему газов, измеренному до реакции. Определить объемную долю аммиака в реакционной смеси и степень превращения (в %) азота в аммиак. Ответ. 15,4% и 40%.

5. Сернистый газ растворили в воде при повышенном давлении. К раствору прилили бромную воду до исчезновения окраски брома, а затем избыток хлорида бария. Отфильтрованный и высушенный осадок имел массу 23,3 г. Какой объем сернистого газа, измеренного при температуре 17 °С и давлении 120,5 кПа, был растворен в воде?

Ответ. 2 л.

6. Угарный газ смешали с водородом в соотношении 1:2,5 при давлении 98,7 кПа и температуре 300 °С. Полученную смесь пропустили через контактный аппарат для синтеза метанола. Объем газов, вышедших из аппарата при температуре 300 °С и давлении 78,9 кПа, оказался равен исходному объему газов, измеренному до реакции. Определить объемную долю паров метанола в смеси и степень превращения (в %) угарного газа в метанол.

Ответ. 12,5% и 35%.

7. В закрытый сосуд объемом 10 л при температуре 27 °С ввели 140 г угарного газа и 256 г кислорода. После нагревания до 427 °С прореагировало 50% угарного газа и установилось равновесие. Как изменилось давление в сосуде после установления равновесия? Ответ. Увеличилось в 2,1 раза.

Закон эквивалентов

1. При прокаливании на воздухе 5,4 г металла получено 10,2 г его оксида. Определить металл.

Ответ. Al.

2. Некоторое количество металла, эквивалент которого равен 28, вытесняет из кислоты 0,7 л водорода (н.у.). Определить массу металла.

Ответ. 1,75 г.

3. При сгорании 5 г металла образуется 9,44 г его оксида. Определить металл.

Ответ. Al.

4. Определить металл, для окисления 4,17 г которого требуется 0,68 л кислорода (н.у.).

Ответ. Ba.

5. Для растворения 16,8 г металла потребовалось 14,7 г серной кислоты. Определить металл и рассчитать объем выделившегося водорода.

Ответ. Cd, 3,36 л.

6. При взаимодействии 1,28 г металла с водой выделилось 380 мл водорода, измеренного при 21 °С и давлении 104,5 кПа. Определить металл.

Ответ. K.

7. Докажите, что существуют бинарные соединения, содержащие 12,5% водорода (по массе).

Решение

Пусть масса образца m(образца) = 100 г, тогда

m(Н) = 12,5 г, m(Х) = 100 – 12,5 = 87,5 г.

Эквивалент водорода:

Э(Н) = A_r(H)/валентность = 1/1 = 1.

По закону эквивалентов:

m(Х)/m(Н) = Э(Х)/Э(Н).

Отсюда Э(Х) = m(Х)•Э(Н)/m(Н) = 87,5•1/12,5 = 7.

Валентность (Х) равна I Ю A_r(X) = 1•7 = 7 (Li), бинарное соединение LiH;

X(II) A_r(X) = 14 (N), [NH₂] N₂H₄ (гидразин);

X(III) A_r(X) = 21 (–), нет элемента, гидрид которого ²¹ЭН₃; X(IV) A_r(X) = 28 (Si), SiH₄;

X(V) A_r(X) = 35 (–); X(VI) Ю A_r(X) = 42 (–);

X(VII) A_r(X) = 49 (–).

Ответ. LiH, N₂H₄, SiH₄.

8. При взаимодействии 6,85 г металла с водой выделяется 1,12 л водорода (н.у.). Определить металл.

Ответ. Ba.

9. При взаимодействии 1,04 г некоторого металла с избытком кислоты выделилось 0,448 л водорода (н.у.). Определить металл.

Ответ. Cr.