Какое количество вещества содержится в водороде

План урока:

Химическая формула

Массовая характеристика вещества

Количество вещества

Закон Авогадро и следствия с закона

Химическая формула

Химия — уникальная наука, которая обладает своим языком и «алфавитом». Каждый химический элемент имеет своё название и собственный «адрес» в периодической системе.

В этом разделе мы будем учиться составлять, читать химические слова, точнее на языке химии – формулы. Периодическая система служит алфавитом, она содержит 126 «букв». Но в ней содержатся только названия и символы элементов, но как они читаются не обозначено. Ниже приведены название и произношение наиболее употребляемых химических элементов.

(Источник)

Например, самый лёгкий элемент – водород, но его символ читается как АШ. Кислород читаем – О. Медь – купрум.

Как записать и прочитать с чего состоит соединение, чтобы нас могли понять не только русскоговорящие, но и те, кто говорит на другом языке? Помогут нам в этом символы, а также индексы.

H2SO4 – зелёным цветом выделены индексы – маленькая цифра, которая записывается справа от символа. Он служит показателем количественного состава.

H2SO4 – красным выделены знаки элементов, они указывают качественный состав.

Рассмотрим примеры составления формул, используя условные обозначения на рисунке.

(Источник)

1. Сернистый газ. Из условных обозначений видим, что он состоит из одного атома Серы и двух атомов Кислорода – SO2, читается как эс-о-два.
2. Аммиак. Один атом Азота и три Водорода – NH3 (эн-аш-три).
3. Фторид серы. Один атом Серы и шесть атомов Фтора – SF6 (эс-фтор-шесть).

Коэффициент записывается всегда в начале формулы и никогда не ставится в середину. С его помощью мы узнаём количество молекул, либо свободных атомов. Например, запись 6SiCl4 читаем как: шесть молекул хлорида кремния, 3H2S– 3 молекулы сероводорода.

Массовая характеристика вещества

Относительная атомная масса (ОАМ)

Представим перед собой два кубика одинакового объёма 1 см3, только один сделан из свинца, а второй – из алюминия. ρ(Al) = 2.7 г/см3, ρ(Pb) = 11,3 г/см3. Свинцовый кубик будет 4,2 раза тяжелее алюминиевого. С чем это связано?

Атомы отличаются между собой количеством протонов и электронов. Логично будет предположить, что отличие также будет в размере и массе частиц.

Атом очень мал, что его невозможно увидеть невооружённым глазом. Так, если представить в числах размер Углерода, то его радиус r = 1.5∙10−10м и масса m = 19.94∙10−27кг. Эти параметры достаточно сложно представить. Но если, к примеру, прочертить простым карандашом (стержень карандаша в химии это графит – одна из аллотропных форм Углерода) отрезок длиной 3 см. В данном отрезке будет содержаться около 1 млн. в ширину и 100 млн. атомов Углерода в длину.

Как показывают числовые данные — масса и радиус очень малы, их достаточно трудно увидеть даже в современные оптические микроскопы. Именно по этой причине стали сравнивать атомные массы. На данный момент стандартом сравнения является химический элемент Углерод, а точнее 1/12 часть его массы.

Важно запомнить

(Источник)

Иными словами, «всё познаётся в сравнении». Эталоном является двенадцатая часть атома Углерода. А ОАМ показывает ВО СКОЛЬКО РАЗ отличается масса элемента от эталона. Иначе можно объяснить: образцом сравнения является корзина, в которой содержится 12 яблок. Вся остальная численность, которая может содержаться в других корзинах (это может быть 10, 15, 5) будет сравниваться во сколько раз больше или меньше.

Закономерно также возникает вопрос, а какую размерность имеет ОАМ: граммы, миллиграммы? Поскольку это число, которое указывает сравнение, то это будет безразмерная величина.

Чему равно Ar элемента подскажет периодическая система. Достаточно часто порядковый номер принимают за Ar. Чтобы избежать путаницы, запомним, что порядковый номер — целое число, а Ar записывается десятичной дробью, которую в химических расчётах общепринято округлять до целых (исключение составляет только Хлор).

(Источник)

Например: Ar(Mg) = 24,305 ~ 24

                   Ar(Fe) = 55,847 ~ 56

                   Ar(Cl) = 35.453 ~ 35,5

Относительная молекулярная масса (ОММ)

Данная величина относится также к количественным характеристикам. Более точное название — относительная формульная масса, потому что строение веществ бывает разным (в зависимости от того, какими частицами оно образовано).

Вычисляют ОММ (Mr) путём сложения Ar каждого элемента, которые входят в состав молекулы с учётом их индексов.

Здесь нам на помощь придут математические знания, а именно правила сложения, умножения и внимательное раскрытие скобок.

(Источник)

Определим ОММ, например:

Сероводорода

Mr(H2S) = 2∙Ar(H) + Ar(S) = 2 ∙ 1 + 32 = 34

Так как в состав молекулы H2S входит 2 атома водорода, мы это учитываем выражением 2∙Ar(H) и один атом Серы Ar(S). В периодической таблице берём округлённое значение массы Н (1,00797 ~ 1) и S (32,064 ~ 32) и путём сложения вычисляем Mr(H2S).

Глюкозы

Mr (C6H12O6) = 6∙Ar(C) + 12∙Ar(H) + 6∙Ar(O) = 6∙12+12∙1 + 6∙16 = 180

Гашёной извести

Mr (Ca(OH)2) = Ar(Ca) + 2∙Ar(O) + 2∙Ar(H) = 40 + 2 ∙ 16 + 2 ∙ 1 = 74

Эта формула читается как кальций-о-аш-дважды. Что означает индекс два за скобками? Он показывает, что количество атомов H и O равно 2. Это будет равносильно, если раскрыть скобки и написать так: СаО2Н2.

Фосфата кальция

Mr(Ca3(PO4)2) = 3∙Ar(Ca) + 2∙Ar(P) + 8∙Ar(O) = 3 ∙ 40 + 2 ∙31 + 8 ∙ 16 = 310

Кальций-три-пе-о-четыре-дважды. В состав данного вещества входит 3 атома Кальция, два атома Фосфора (индекс 2 относится и к Фосфору и к Кислороду) и 8 атомов Кислорода (2 ∙ 4 = 8). Или, раскрыв скобки Са3Р2О8.

         7 молекул угольной кислоты 7 ∙ Н2СО3

Mr (7 ∙ H2CO3) = 7 ∙ (2 ∙ Ar(H) + Ar(C) + 3 ∙ Ar(O)) = 14 ∙ Ar(H) + 7 ∙ Ar(C) + 21 ∙ Ar(O) = 14 ∙ 1 + 7 ∙ 12 + 21 ∙ 16 = 434

Следует обратить внимание, что в химии знак умножение между коэффициентом и формулой не ставится. Более корректная запись 7H2CO3, и действие умножение делается по умолчанию, т. е. раскрываются скобки.

Важно запомнить

Так как ОММ показывает во сколько раз молекула тяжелее 1/12 атома Углерода, то это безразмерная величина.

Не стоит путать с массой молекулы, которая имеет обозначение mM и имеет размерность а.е.м. (атомные единицы массы).

Благодаря химической формуле можно посчитать массовую долю элемента в сложном веществе.

Где n – число атомов элемента.

Сложное вещество можно очень условно сравнить с корзиной, в которой, допустим, находятся ягоды: малины, клубники и арбуз. Возьмём соединение ВаСО3.

Состав:

Mr(BaCO3) = Ar(Ba) + Ar(C) + 3∙Ar(O) = 137 + 12 + 3 ∙ 16 = 197

Не трудно догадаться, что арбузом будет атом бария, так как он занимает 69,6 % массы в корзинке фруктов.Проверить правильность решения можно, сложив доли элементов, в сумме должно получиться 100%.

Задача 1. Определите массовую долю Азота в натриевой селитре NaNO3

С помощью данных расчётов можно вычислить какая масса Азота, может быть получена из 1 кг натриевой селитры NaNO3.

m(N) = W (N) · m (NaNO3) = 0.1647 · 1 кг = 0,1647 кг или 164,7 г

Селитра применяется как азотное удобрение и с каждым кг растения получают 164,7 г азота.

Бывает так, что опытным путём определены массовые доли элементов и задача стоит в том, что необходимо определить количественный состав соединения. Такие задачи являются обратными идалее их.

Задача 2. Опытным путём установлено, что соединение состоит на 95,2% с Кальция и Водорода. Какова формула вещества?

Количество вещества

Как говорил Д. И. Менделеева «Наука начинается, когда начинают измерять». Но как можно измерить вещество? В порциях, штуках?

(Источник)

Порцию считаем в граммах, в штуках количество. Например, в магазине вы не покупаете 1000 штук зёрен риса или пшена, а просите взвесить определённый вес (1 кг, 10 кг) или берёте с полки уже расфасованный. Либо необходимо взять молочные продукты, мы берём пакеты объёмом 0,5 л или 1 л. Одинаковая по весу порция содержит примерно одинаковое количество зёрен. Этот принцип применяется и в химии. Порция атомов или молекул называется количеством вещества.

Размерность «моль» не сокращается, т. е. в отличие от литров (л), миллилитров (мл), сантиметров (см) на письме и при чтении указываем 4 моль, 5 сантиметров (5 см).

Если учесть, что атом Углерода имеет вес, (1.994 ∙ 10−23г), то не составит труда узнать, сколько атомов будет содержаться в порции 12 г.

Можно сделать вывод, что 1 моль любого вещества (воды, углекислого газа, поваренной соли, серной кислоты и т. д) будет содержать 6,02∙1023 структурных единиц.

Это число является одним из важнейших не только в химии, но и в физике – оно носит название постоянная Авогадро (NA).

С этого следует, что NA показывает, сколько частиц содержится в 1 моль вещества, в этом и состоит её физический смысл.

Но что делать, если, к примеру, вещество дано в количестве 2 моль, 10 моль или 0.5 моль. Приведём сравнение с математикой, в одной корзине содержится 5 яблок, сколько яблок содержится в трёх таких корзинах. Ответ будет 15 яблок, полученный путём умножения 5 ∙ 3 = 15. Аналогично и с количеством молекул. Чтобы найти эту величину, используем формулу:

N = n * NA

Где N – количество структурных единиц.

Важно: не путать эти две величины, оба эти параметра показывают количество, но:

N — количество структурных единиц,

n — количество вещества (моль)

Рассмотрим подробно данные выводы.

Задача 3. Какое количество вещества составляют 2.709 ∙ 1024 молекул хлора? 

Так, в корзине может содержаться 5 яблок, 10 груш и 8 слив, и наша задача посчитать: «Сколько содержится фруктов?» А сколько будет содержаться в 8 таких корзинах яблок? Эти примеры нам знакомы ещё с первого класса. Молекула может состоять из нескольких атомов, и иногда необходимо точно знать, сколько их штук.

Задача 4. Вычислите сколько атомов Кислорода содержатся в 5 моль глюкозы (C6H12O6)

Молярная масса

Помните вопрос с первого класса: «Что тяжелее 1 кг золота и 1 кг пуха?». Ответ был: одинаковый вес, ведь и золото, и пух весят по 1 кг. Но если спросить, что тяжелее 1 моль метана или 1 моль фруктозы? Чтобы дать ответ на данный вопрос, введём следующее понятие.

Масса 1 моля любого вещества называется молярной массой (размерность г/моль, обозначение М). Не стоит путать с Mr, хоть они численно равны, но отличаются в следующем. Молярная имеет размерность (г/моль).

Связь количества вещества и массы выражается в следующем виде:

m = n * M

Возьмём для примера метан, фруктозу и хлороводород количеством вещества 1 моль.

С расчётов делаем вывод, что масса 1 моль фруктозы тяжелее, в её состав входит большее количество атомов.

Задача 5. Какое количество вещества содержится в 61.5 г сернистой кислоты (H2SO3)?

Молярный объём газов

Вещества в газообразном состоянии, в отличие от жидких и твёрдых веществ, при одинаковых условиях (одинаковые давление и температура) будут занимать одинаковый объём.

Допустим, что имеем газ количеством вещества 1 моль. Как известно 1 моль любого соединения содержит 6,02 ∙ 1023 структурных единиц.

(Источник)

Опытным путём установлено, что 1 моль любого газа при н. у. занимает объём равный 22,4 л/моль.

Связь количества вещества и объёма выражается в следующем виде:

V = n * Vm

Задача 6. Какой объём (н. у.) будет занимать 0,25 моль ацетилена (С2Н2)?

Как можно увидеть, количество вещества связывает три величины:

Приравняв между собой три выражения, а именно:

Получаем следующую взаимосвязь

(Источник)

Задача 7. Какую массу составляют 18.06 ∙1023 молекул аммиака (NH3)?

Задача 8. Какой объём (н. у.) будет занимать 51 г сероводорода (H2S)?

Закон Авогадро и его следствия

Величина D – это относительная плотность газов. Зная Mr, легко вычислить относительную плотность газов. Приведём пример с шариками. Если один шарик наполнить гелием, а второй углекислым газом. Как вы думаете, какой полетит высоко в небо, а какой упадёт на пол? С детства вы знаете, что гелиевые шарики взлетают в небо, но почему так происходит? Это связано с относительной молекулярной массой.

Mr(He) = 4

Mr(CO2) = 12 + 2 ∙ 16 = 44

Воздух это смесь газов, его Mr = 29

Гелий легче воздуха, поэтому шарик, наполненный этим газом, взлетает высоко в небо. Шарик с углекислым газом остаётся лежать на земле, так как углекислый газ тяжелее воздуха.

Задача 9. Вычислите относительную плотность кислорода по воздуху

Относительная плотность кислорода по воздуху равна