Какими свойствами характеризуется молекула качественным составом
2.3. Молекулы. Химические формулы.
Молекулярные массы. Элементный состав веществ
Атомы
могут соединяться друг с другом. В результате этого соединения обычно
образуются более сложные частицы – молекулы. Например:
Эти
примеры показывают, что соединяться друг с другом могут атомы одного элемента и
атомы разных элементов. Число атомов, которые соединяются друг с другом, может
быть различным.
Состав
любой молекулы можно выразить химической
формулой.
Так,
молекула водорода имеет формулу Н2
. Число «2» в этой формуле показывает число атомов водорода в
молекуле водорода.
Числа
в химических формулах, которые показывают, сколько атомов данного элемента
входит в состав молекулы, называются индексами.
Молекула
хлороводорода
имеет формулу НСl, так как
она состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. Молекула воды имеет
формулу Н2О. Эта формула
показывает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома
кислорода.
Таким
образом, химические формулы показывают качественный и количественный состав
молекулы.
Согласно
закону постоянства состава (Ж.
Пруст, Франция, 1808 г.):
Каждое чистое
вещество имеет постоянный качественный и количественный состав, который не
зависит от способа получения вещества.
Так
как вещество состоит из одинаковых молекул, то состав молекулы определяет
состав всего вещества. Различия в химических свойствах веществ обусловлены
различиями в составе и строении молекул, из которых состоят эти вещества.
Поэтому можно сделать вывод:
Молекула – это
наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.
Масса
любой молекулы равна сумме масс образующих ее атомов. Если при расчете массы
молекулы используются относительные атомные массы, то получается относительная
молекулярная масса, которая обозначается символом Мr.
Например,
относительная молекулярная масса воды Н2О равна:
Относительная
молекулярная масса сульфата железа (III)равна:
Относительная
молекулярная масса вещества Мr – это число,
которое показывает, во сколько раз абсолютная масса молекулы данного вещества
больше 1/12 части абсолютной массы атома углерода С.
Например,
относительная молекулярная масса воды Мr
(Н2О)= 18. Это значит, что масса молекулы воды в 18 раз больше 1/12
части массы атома углерода.
Относительные
молекулярные массы, как и относительные атомные массы, являются величинами
безразмерными.
По
формуле вещества можно рассчитать массовую долю каждого химического элемента,
который входит в состав вещества.
Массовая доля (w) химического элемента в данном веществе равна
отношению относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его
атомов в молекуле, к относительной молекулярной массе вещества:
Массовые
доли обычно выражаются в процентах:
Рассчитаем,
например, массовые доли водорода и кислорода в воде Н2О:
УПРАЖНЕНИЯ
1.
Рассчитайте
массовую долю марганца в оксиде марганца (VII).
Решение: Молярные массы веществ равны: М(Mn) = 55
г/моль, М(О) = 16 г/моль, M(Mn2O7)=2М(Mn)+7М(О)= 222
г/моль. Следовательно, масса Mn2O7 количеством вещества 1 моль
составляет:
m(Mn2O7) = M(Mn2O7)·n(Mn2O7)
= 222·1= 222 г.
Из
формулы Mn2O7следует, что количество вещества атомов
марганца в два раза больше количества вещества оксида марганца (VII). Значит,
n(Mn) = 2n(Mn2O7)
= 2 моль,
m(Mn)= n(Mn)·M(Mn) = 2·55
= 110 г.
Таким
образом, массовая доля марганца в оксиде марганца(VII) равна:
ω(X)=m(Mn) : m(Mn2O7)
= 110:222 = 0,495 или 49,5%.
_______________________________________________________________
2.
Определите массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида
бария BaCl2 • 2H2O.
Решение: Молярная масса BaCl2 • 2H2O составляет:
М(BaCl2 • 2H2O) = 137+ 2 • 35,5 + 2 • 18 =244 г/моль.
Из формулы BaCl2 • 2H2O следует, что 1 моль
дигидрата хлорида бария содержит 2 моль Н2О. Отсюда можно определить
массу воды, содержащейся в BaCl2 • 2H2O: m(H2O) = 2 • 18 = 36 г. Находим
массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария
BaCl2 • 2H2O. ω(H2O) = m(H2O)/ m(BaCl2 • 2H2O) = 36/244 = 0,1475 =
14,75%.
_______________________________________________________________
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1.
Какие частицы обычно образуются в
результате соединения атомов.
2.
Чем можно выразить состав любой
молекулы.
3.
Что показывают химические формулы
4.
Чему равна масса молекулы
5.
Чему равна массовая доля данного
элемента в данном веществе.
6.
Опишите качественный м
количественный состав молекул следующих веществ: метан СН4, сода Na2CO3,
глюкоза C6H12O6
, хлор Cl2
, сульфат алюминия Al2(SO4)3.
7.
Молекула фосгена состоит из одного
атома углерода, одного атома кислорода и двух атомов хлора. Молекула мочевины
состоит из одного атома углерода, одного атома кислорода и двух атомных групп
NH2. Напишите формулы фосгена и мочевины.
8.
Подсчитайте общее число атомов в
следующих молекулах:
Рассчитайте относительные
молекулярные массы веществ, которые указаны в упражнении 6.
.
Чему равны массовые доли элементов в следующих
веществах:
В
каком из этих веществ массовая доля азота наибольшая и в каком – наименьшая.
1. Про молекулу нельзя сказать, что она: | |
а) сохраняется в химических реакциях | б) носитель химических свойств |
в) разрушается в химических реакциях | г) имеет тот же качественный состав, |
2. Нельзя утверждать, что в состав молекулы воды | |
а) два атома Н и один атом О | б) молекула Н2 и один атом |
в) атомы различных химических | г) атомы Н и О в массовом соотношении |
3. Какими свойствами | |
а) качественным составом | б) строением |
в) количественным составом | г) электрической проводимостью |
4. Что одинакового для молекул НСl и | |
а) масса | б) массовая доля водорода |
в) качественный состав | г) число атомов в молекуле |
5. Что показывает химическая формула H2SO4: | |
а) одну молекулу серной кислоты | б) относительную атомную массу серной |
в) нет верного ответа | г) пространственное строение молекулы |
6. Какие свойства характеризуют и молекулу, и | |
а) качественный состав | б) электрическая проводимость |
в) физические свойства | г) агрегатное состояние |
7. Массовая доля хлора в его оксиде равна 59,66 %. | |
а) Cl2O | б) Cl2O3 |
в) Cl2O5 | г) Cl2O7 |
8. Какова формула оксида железа, в котором массовая | |
а) FeO | б) Fe2O3 |
в) Fe3O4 | г) FeO3 |
9. Какова массовая | |
а) 11 | б) 10 |
в) 15 | г)12 |
10. Рассчитайте массовую долю фосфора в веществе H3PO4: | |
а) 32 | б) 65 |
в) 36 | г) 17 |
Ответы:
1 | а |
2 | б |
3 | г |
4 | г |
5 | а |
6 | а |
7 | б |
8 | б |
9 | а |
10 | а |
Основной структурной единицей веществ, имеющих молекулярное строение является молекула. Молекула состоит из ограниченного числа атомов, связанных друг с другом ковалентными химическими связями. Заряд молекулы также как и атома равен нулю.
Объединяясь в молекулу, атомы образуют определённую 2D или 3D-структуру (треугольник, квадрат, тетраэдр, октаэдр и т.д.).
Молекула – электронейтральная частица вещества, состоящая из конечного числа атомов, связанных между собой ковалентными связями и имеющая определённую пространственную структуру.
Отметим, что в некоторых случаях вещество может состоять из химически несвязанных атомов, но при этом иметь «молекулярное строение», например, все инертные газы. Для инертных газов понятия атом и молекула пересекаются.
Ковалентные связи между атомами образуются в результате обобществления атомами валентных электронов.
Валентные электроны — это электроны, принимающие участие в образовании химических связей.
Валентные электроны в атомах элементов главных подгрупп находятся на внешнем электронном слое. В атомах элементов побочных подгрупп часть валентных электронов находится на внешнем электронном слое, их там как правило 2, а иногда 1, с учётом эффекта провала электрона, а оставшаяся часть на d-подуровне предвнешнего электронного слоя.
При обобществлении валентных электронов атомами возникают общие электронные пары. Поэтому более точно, ковалентная связь — это связь, возникающая за счёт общих электронных пар.
Общие электронные пары могут возникать двумя способами: в результате обобществления неспаренных валентных электронов (обменный или коллигативный механизм) и в результате обобществления неподелённой электронной пары одного из атомов (донорно-акцепторный механизм). Более подробно речь об этих механизмах пойдёт в соответствующей главе.
Обобществление неспаренных электронов атомов водорода (обменный механизм образования ковалентной связи)
Валентный штрих Купера, показывающий общую электронную пару
Количество общих электронных пар, образуемых атомом принято называть его валентностью.
Валентность — это количество ковалентных связей атома с другими атомами.
Особо отметим, что если связи между атомами ковалентные, то это не свидетельство того, что вещество имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул. Например, связи между атомами кремния и кислорода в SiO2 являются ковалентными, но SiO2 имеет атомное строение.
Чтобы однозначно определить имеет ли вещество молекулярное строение, необходимо знать его физические свойства: температуру кипения, температуру плавления и т.д. Вещества, имеющие молекулярное строение, как правило легкоплавки, имеют относительно низкую температуру кипения, так как связи между молекулами (межмолекулярное взаимодействие) достаточно слабые, имеющие низкие значения энергии.
Молекулы всегда имеют постоянный состав, поэтому и вещества молекулярного строения имеют постоянный состав, т.е. являются дальтонидами. Дальтониды подчиняются закону постоянства состава — закону Пруста (Ж. Л. Пруст, 1801—1808 гг.).
Для того, чтобы отразить состав молекулы применяют условную запись под названием химическая формула.
Химическая формула — условная запись, отражающая качественный и количественный состав веществ, имеющих молекулярное строение (условная запись состава молекулы).
Если вещество имеет немолекулярное строение (атомное или ионное), то его состав отражает формульная единица.
К примеру, если хлорид натрия находится при стандартных условиях, то он имеет ионное строение, а значит запись NaCl для кристаллического хлорида натрия не является химической формулой, а является записью формульной единицы.
При достаточно высоких температурах хлорид натрия можно перевести в газообразное агрегатное состояние, в этом случае резко повышается степень ковалентности связи. Это значит, что в газовой фазе существуют молекулы состава NaCl. На сей счёт имеются экспериментальные доказательства. Действительно, подобные молекулы в настоящее время удаётся получить, изолировав их друг от друга в твёрдом аргоне при температуре -2630 С. В приведённом примере запись NaCl является химической формулой, отражающей состав молекулы.
Во многих пособиях и учебниках до сих пор встречается определение молекулы, как наименьшей частицы вещества, обладающей его химическими свойствами.
Отметим, что данное определение является устаревшим и неправильным. Так молекулу определял Канницаро в 1860 году.
Ошибочность определения заключается в следующем.
Молекула не является наименьшей частицей вещества, так как существуют вещества атомного строения.
Молекула не является носителем химических свойств вещества, свойства обусловлены не единичной частицей, а их совокупностью, характером их взаимодействия.
Одна молекула тринитротолуола не обладает свойством взрывчатости, как даже две, три и большее их количество. Свойством взрывчатости будет обладать совокупность громадного числа молекул тринитротолуола — вещество.
Состав и строение молекулы определяют свойства вещества, но не молекула является носителем этих свойств.
Для наглядного изображения пространственного строения молекул применяют различные модели: шаростержневая модель, полусферическая модель Стюарта-Бриглеба, модель Драйдинга.
I. Новый материал
Эта лекция
будет посвящена следующим понятиям: «атом», «молекула»,
«вещества молекулярного и немолекулярного строения»,
«атомно-молекулярное учение».
Возникновение представлений об атомах и молекулах
Посмотрите презентацию:
Древнегреческий философ
Демокрит 2500 лет
назад высказал мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших
невидимых, непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов. Слово
“атом” в переводе означает “неделимый”. Позднее, в средние века, учение об
атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие науки в целом, и
химии в частности.
Учение о молекулах и атомах было разработано в
середине 18 века великим русским ученым Михаилом
Васильевичем Ломоносовым (1711 – 1765 гг.) Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускл (молекул),
в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ ученый
прозорливо объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным
расположением атомов в них. Удивительно верной и смелой для того времени была
мысль М. В. Ломоносова о том, что некоторые корпускулы (молекулы) могут
состоять из одинаковых элементов (атомов). Учение об атомах получило дальнейшее
развитие в трудах известного английского ученого Джона
Дальтона (1766 –
1844 гг.).
МОЛЕКУЛЫ И АТОМЫ
Можно ли опытным путем доказать, что молекулы
состоят из атомов?
То, что атомы действительно существуют,
подтверждают многие химические реакции. Так, например, при пропускании
постоянного тока через воду в одной из трубок прибора собирается газ, в котором
тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Это кислород. В другой трубке собирается вдвое
больше газа, который от зажженной лучинки загорается. Это водород.
Схема аппарата для разложения воды (аппарат
Гофмана)
Объяснить это явление можно так. Мельчайшая
частица воды – молекула состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода.
При пропускании постоянного тока через воду ее молекулы распадаются и
образуются химически неделимые частицы – атомы кислорода и водорода. Затем
атомы соединяются по два, и из двух молекул воды образуется одна – двухатомная
молекула кислорода и две водорода.
Некоторые представления об атомах и молекулах,
высказанные М. В. Ломоносовым за полвека до Д. Дальтона, оказались более
достоверными и научными. Например, английский ученый категорически отрицал
возможность существования молекул, состоящих из одинаковых атомов. Его взгляды
отрицательно сказались на развитие химии.Учение о молекулах и атомах окончательно
было принято только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлеруэ.
Итак, что такое молекулы и атомы?
Молекулы – мельчайшие частицы вещества, состав
которых и химические свойства такие же, как у данного вещества. Молекулы –
предельный результат механического дробления вещества.
Атомы – это мельчайшие химически неделимые
частицы, из которых состоят молекулы. Молекулы, в отличие от атомов, являются
химически делимыми частицами.
Молекулярные вещества
Молекулярные вещества — это вещества, мельчайшими
структурными частицами которых являются молекулы
Молекулы — наименьшая частица молекулярного вещества,
способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.
Молекулярные вещества имеют низкие температуры
плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или
газообразном состоянии.
Например: Вода — жидкость, tпл=0°С; tкип=100°С
Вода – самое известное и весьма
распространенное вещество на нашей планете: поверхность Земли на 3/4
покрыта водой, человек на 65 % состоит из воды, без воды невозможна жизнь, так
как в водном растворе протекают все клеточные процессы организма. Вода –
молекулярное вещество. Это одно из немногих веществ, которое в природных
условиях встречается в твердом, жидком и газообразном состояниях, и
единственное вещество, для которого в каждом из этих состояний есть свое
название.
Особенностями строения воды вызваны ее необычные свойства. Например, при
замерзании вода увеличивается в объеме, поэтому лед плавает в своем расплаве –
жидкой воде, а наибольшая плотность воды наблюдается при 4 oС,
поэтому зимой большие водоемы до дна не промерзают. На свойствах воды основана
и сама шкала температур Цельсия (0 o – температура замерзания, 100 o
– температура кипения). С причинами этих явлений и с химическими свойствами
воды вы познакомитесь позже.
Немолекулярные вещества
Немолекулярные вещества — это вещества, мельчайшими
структурными частицами которых являются атомы или ионы.
Ион — это атом или группа атомов, обладающих
положительным или отрицательным зарядом.
Например: Na+, Cl-.
Немолекулярные вещества находятся в стандартных
условиях в твердом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и
кипения.
Например: Поваренная соль — твердое вещество, tпл=801°С;
tкип=1465°С; Железо
Железо – серебристо-белый, блестящий, ковкий
металл. Это немолекулярное вещество. Среди металлов железо занимает второе
место после алюминия по распространенности в природе и первое место по значению
для человечества. вместе с другим металлом – никелем – оно образует ядро нашей
планеты. Чистое железо не имеет широкого практического применения. Знаменитая
Кутубская колонна, расположенная в окрестностях Дели, высотой около семи метров
и весом 6,5 т, имеющая возраст почти 2800 лет (она поставлена в IX в. до н. э.)
– один из немногих примеров использования чистого железа (99,72 %); возможно,
что именно чистотой материала и объясняется долговечность и коррозионная
устойчивость этого сооружения.
В виде чугуна, стали и других сплавов железо используется буквально во всех
отраслях техники. Его ценные магнитные свойства используются в генераторах
электрического тока и электромоторах. Железо является жизненно необходимым
элементом для человека и животных, так как оно входит в состав гемоглобина
крови. При его недостатке клетки тканей получают недостаточно кислорода, что
ведет к очень тяжелым последствиям.
Атомно-молекулярное
учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый Ломоносов.
Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.
1. Все вещества состоят из «корпускул» (так Ломоносов называл молекулы).
2.
Молекулы состоят из «элементов» (так Ломоносов называл атомы).
3.
Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое
состояние тел есть результат движения их частиц.
4.
Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ
— из различных атомов.
Атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей
основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Вместе с тем оно развивает
его дальше, поскольку Дальтон впервые пытался установить атомные массы
известных тогда элементов. Однако Дальтон отрицал существование молекул у
простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По
Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества —
из «сложных атомов» (в современном понимании — молекул). Отрицание Дальтоном
существования молекул простых веществ мешало дальнейшему развитию химии.
Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в- середине
XIX в.Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его
химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и
химическим строением. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая
в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента
определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома,
соответствующее современным представлениям: атом — это электронейтральная
частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно
заряженных электронов. Согласно современным представлениям из молекул состоят
вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из
молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет
молекулярную структуру.
Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:
- Существуют
вещества с молекулярным и немолекулярным строением. - Между
молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного
состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между
молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее
сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В
твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они
почти не сжимаются. - Молекулы
находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от
температуры. С повышением температуры скорость движения молекул
возрастает. - Между
молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В
наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей — в
газах. - Молекулы
состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном
движении. - Атомы
одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами. - При
физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило,
разрушаются. - У веществ
с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических
решето находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах
кристаллической решетки, слабые и при нагревании разрываются. Поэтому
вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры
плавления. - У веществ
с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы
или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические
связи, для разрушения которых требуется много энергии. Поэтому вещества с
немолекулярным строением имеют высокие температуры плавления.
Объяснение
физических и химических явлений с точки зрения атомно-молекулярного учения.
Физические и химические явления получают объяснение с позиций
атомно-молекулярного учения. Так, например, процесс диффузии объясняется
способность молекул (атомов, частиц) одного вещества проникать между молекулами
(атомами, частицами) другого вещества. Это происходит потому, что молекулы
(атомы, частицы) находятся в непрерывном движении и между ними имеются
промежутки. Сущность химических реакций заключается в разрушении химических
связей между атомами одних веществ и в перегруппировке атомов с образованием
других веществ.
II. Закрепление
Дайте ответы на следующие вопросы:
- Назовите имя древнегреческого философа, который высказал
мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших невидимых,
непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов. - Назовите имя великого русского учёного, основоположника учения о молекулах и атомах.
- Дайте определение молекуле.
- Дайте определение атому.
- Какие вещества относят к веществам молекулярного строения? Приведите примеры веществ.
- Какие вещества относят к веществам немолекулярного строения? Приведите примеры веществ.
- Какими свойствами характеризуются веществамолекулярного строения?
- Какими свойствами характеризуются веществанемолекулярного строения?
- Как объяснить физические и химические явления с точки зрения атомно-молекулярного учения?