Print bookPrint book

§ 1. Химия. Вещество, химический элемент, атом

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 1. Химия. Вещество, химический элемент, атом
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 30 May 2024, 6:16 PM

В параграфе приведены ранее изученные понятия и определения: что такое химия, вещество, его физические свойства, химический элемент, атом, его масса, размер, ионы, молекулы, а также даны напоминания о том, как рассчитать массовую долю вещества в смеси и объёмную долю газа в смеси. Этот материал приведён для повторения в систематизированном виде.

Химия — наука, изучающая вещества, их состав, строение, свойства, химические превращения одних веществ в другие.

Химию как науку подразделяют на ряд отраслей: неорганическую, органическую, биоорганическую, аналитическую, физическую, фармацевтическую химию, нанохимию и др. Различие в отраслях определяется природой изучаемых веществ и их превращений, а также характером решаемых задач.

Подчёркивая специфику своих исследований, химики ввели понятие «химическое вещество», хотя это словосочетание часто упрощают и называют просто «вещество».

Химическое вещество — это устойчивая система частиц (атомов, ионов или молекул), обладающая определёнными физическими и химическими свойствами.

Качественный и количественный состав индивидуальных химических веществ записывают в виде химических формул, например: H2O — вода, CuSO4 — сульфат меди, N2 — азот, Na — натрий, NaCl — хлорид натрия.

Химическая формула — это условная запись состава веществ с помощью символов химических элементов и числовых индексов.

К физическим свойствам вещества относят цвет, плотность, твёрдость, температуры плавления и кипения и другие характеристики, которые, как правило, выражаются измеряемыми величинами. Так, йод можно охарактеризовать следующим образом: кристаллическое при комнатной температуре вещество тёмно-фиолетового цвета с металлическим блеском, мало растворимое в воде, температура его кипения равна 184,4 °С, плавления — 113,5 °С, плотность составляет 4,9 г/cм3.

Химические свойства веществ — это их способность превращаться в другие вещества под воздействием температуры, давления, излучения или других веществ.

Так, карбонат кальция под воздействием температуры (а не других веществ) превращается в оксид кальция и углекислый газ:

CaCO subscript 3 stack space equals space with t on top CaO space plus space CO subscript 2 upwards arrow comma

а оксид меди(II), вступая во взаимодействие с серной кислотой, образует соль — cульфат меди(II):

CuO space plus space space straight H subscript 2 SO subscript 4 space equals space CuSO subscript 4 space plus space straight H subscript 2 straight O.

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра называют химическим элементом.

Символы химических элементов приведены в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Как вам известно, порядковый (атомный) номер химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева соответствует относительному заряду ядра (Z). Так, порядковый номер 8 соответствует относительному заряду ядра атома кислорода +8, а ядро с относительным зарядом +13 имеет атом алюминия.

Атомы разных химических элементов отличаются не только зарядом ядра, но и массой, размером, строением.

Масса атома (ma), как и масса других объектов, может выражаться в единицах массы системы СИ — килограммах, например:

m subscript straight a left parenthesis Al right parenthesis equals 4 comma 480 space times space 10 to the power of negative 26 end exponent space кг comma
m subscript straight a left parenthesis straight С right parenthesis equals 1 comma 993 space times space 10 to the power of negative 26 end exponent space кг.

Гораздо удобнее пользоваться шкалой относительных единиц. Для характеристики массы атомов и других микрочастиц в химии используют атомную единицу массы — 1 а. е. м., равную 1 over 12 части массы атома углерода-12. Вместо русского обозначения атомной единицы массы (1 а. е. м.) часто приводят её международное обозначение u (unit). Масса 1 u составляет:

m subscript straight u equals fraction numerator m subscript straight a left parenthesis straight C presuperscript 12 right parenthesis over denominator 12 end fraction equals fraction numerator 1 comma 993 times 10 to the power of negative 26 end exponent space кг over denominator 12 end fraction equals 1 comma 66 times 10 to the power of negative 27 end exponent space кг equals 1 comma 66 times 10 to the power of negative 24 end exponent space straight г.

Сравнивая массы атомов с 1 u, получают безразмерную величину, которую называют относительной атомной массой и обозначают символом Ar (где r — начальная буква латинского слова relativus — относительный):

A subscript straight r left parenthesis Al right parenthesis equals fraction numerator m subscript straight a left parenthesis Al right parenthesis over denominator m subscript straight u end fraction equals fraction numerator 4 comma 480 times 10 to the power of negative 26 end exponent space кг over denominator 1 comma 66 times 10 to the power of negative 27 end exponent space кг end fraction almost equal to 27 semicolon
A subscript straight r left parenthesis straight C right parenthesis equals fraction numerator m subscript straight a left parenthesis straight C right parenthesis over denominator m subscript straight u end fraction equals fraction numerator 1 comma 993 times 10 to the power of negative 26 end exponent space кг over denominator 1 comma 66 times 10 to the power of negative 27 end exponent space кг end fraction almost equal to 12.

Относительная атомная масса элемента — физическая величина, которая равна отношению усреднённой массы атомов данного элемента к 1 over 12 части массы атома углерода-12 (12С).

Относительные атомные массы используют в химии при проведении расчётов и сопоставлений; их значения приведены в периодической системе химических элементов. Для расчёта массы атомов или их относительных атомных масс можно воспользоваться формулами:

m subscript straight a left parenthesis straight Э right parenthesis equals A subscript straight r left parenthesis straight Э right parenthesis times m subscript straight u semicolon space space space A subscript straight r left parenthesis straight Э right parenthesis equals fraction numerator m subscript straight a left parenthesis straight Э right parenthesis over denominator m subscript straight u end fraction.

Размер атома часто характеризуют величиной «радиус атома» (ra). Это величины порядка десятых и сотых долей нанометра. Так, радиус наименьшего по размерам атома гелия равен 3 ∙ 10–11 м, или 0,03 нм.

Строение атомов определяет состав и свойства образуемых ими веществ, что будет подробно рассматриваться в главах II и III.

При образовании химического вещества как устойчивой системы частиц атомы могут отдавать или присоединять электроны, превращаясь в ионы. При отдаче электронов образуются положительно заряженные частицы — катионы, при присоединении электронов получаются отрицательно заряженные частицы — анионы. Ряд химических веществ состоит из катионов и анионов, объединённых силами кулоновского взаимодействия.

Атомы могут объединяться в устойчивые системы также путём обобществления электронов с соседними атомами с образованием незаряженных частиц — молекул, способных проявлять химические свойства всего вещества. Подробнее материал о веществах молекулярного строения описан в следующем параграфе, а сведения о строении веществ представлены в главе III.

Важно понимать, что только устойчивая система атомов, или ионов, или молекул является химическим веществом, то есть обладает и физическими, и химическими свойствами. Для одной частицы, например молекулы йода, сульфид-иона или атома углерода, не имеет смысла вести речь о температуре кипения, плавления или агрегатном состоянии.

Для каждого вещества характерен свой набор свойств. Даже малое количество примеси может существенно изменить эти свойства. В природе вещества обычно находятся в смеси с другими веществами. Поэтому для практического использования или проведения исследований вещества необходимо получить его в чистом виде, то есть выделить из смеси, очистить от примесей. С этой целью как в лабораторной практике, так и в производственных условиях используют различные методы разделения смесей веществ и их очистки. Они основаны на различии свойств разделяемых веществ: разные температуры плавления или кипения, плотность, растворимость и др. Наиболее распространены такие методы очистки, как фильтрование (рис. 1), отстаивание (рис. 2), перекристаллизация, перегонка (рис. 3). Выделить вещество из раствора можно выпариванием (рис. 4), а разделить смесь жидких веществ — ректификацией (рис. 5).

img

Для разделения газов могут быть использованы «молекулярные сита», например кристаллические алюмосиликаты, характеризующиеся точным и однородным размером пор. Поры пропускают небольшие молекулы, но задерживают более крупные. Для восстановления активности «молекулярных сит» их необходимо прогреть или продуть газом.

Рис. 1. Фильтрование
Рис. 1. Фильтрование
Рис. 2. Отстаивание
Рис. 2. Отстаивание
Рис. 3. Перегонка жидкости
Рис. 3. Перегонка жидкости
Рис. 4. Выпаривание
Рис. 4. Выпаривание
Рис. 5. Разделение нефти на фракции в ректификационной колонне
Рис. 5. Разделение нефти на фракции в ректификационной колонне

Содержание вещества в смеси можно характеризовать массовой и объёмной долями.

Массовую долю вещества рассчитывают как отношение массы вещества к массе всей смеси:

straight omega left parenthesis straight в short dash ва right parenthesis equals fraction numerator m left parenthesis straight в short dash ва right parenthesis over denominator m left parenthesis смеси right parenthesis end fraction.

Массовая доля вещества — безразмерная величина. Чаще её выражают в процентах. Для этого полученную безразмерную величину умножают на 100.

Так, массовой долей характеризуют содержание основных компонентов в продуктах питания, примесей в химических реактивах, горных породах, удобрениях, действующего вещества в медицинских препаратах и т. д. Например, массовая доля жиров в молоке составляет от 1 до 6 %, в сливочном масле — 50–82,5 %, уксусной кислоты в уксусе — 3–9 %, йода в спиртовом растворе — 5 %. Следует отметить, что массовая доля не зависит от величины порции смеси, она определяется лишь соотношением компонентов смеси.

Объёмная доля газа в смеси. Смеси образуют не только твёрдые или жидкие вещества, но и газы, поэтому для газов часто рассчитывают объёмную долю как отношение объёма газа к общему объёму смеси:

straight phi left parenthesis газа right parenthesis equals fraction numerator V left parenthesis газа right parenthesis over denominator V left parenthesis смеси right parenthesis end fraction.

Так, содержание кислорода по объёму в воздухе равно 21 %, то есть его объёмная доля φ(О2) = 21 % (при этом его массовая доля равна 23 %).

Абсолютно чистых веществ не бывает. Степень чистоты веществ количественно оценивают массовой долей — отношением массы основного вещества (идеально чистого) к массе реального вещества с примесями.

Пример 1. Анализ пробы золотого банковского слитка массой 1,00000 г показал, что в нём содержится 0,99994 г чистого золота. Это означает, что степень чистоты такого золота составляет:

straight omega left parenthesis Au right parenthesis equals fraction numerator m left parenthesis Au right parenthesis over denominator m left parenthesis слитка right parenthesis end fraction equals fraction numerator 0 comma 99994 space straight г over denominator 1 comma 0000 space straight г end fraction equals 0 comma 99994 comma space или space 99 comma 994 percent sign.

Остальные 0,006 % в этом слитке приходятся на различные примеси (другие вещества).

Выбор веществ по чистоте определяется целями их применения. Например, требуемая чистота германия, используемого в полупроводниковых устройствах, должна составлять 99,99999999 %.

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядер. Атомы разных химических элементов отличаются зарядом ядер, массой, размерами и строением.

Относительная атомная масса элемента — физическая величина, которая равна отношению усреднённой массы атомов данного элемента к 1 over 12 части массы атома углерода-12 (12С).

Химическое вещество — устойчивая система частиц (атомов, ионов или молекул), обладающая определёнными физическими и химическими свойствами.

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите названия и символы химических элементов, имеющих:

  • а) относительные атомные массы 7, 14, 31, 28;
  • б) относительный заряд ядра +12, +20, +26, +56;
  • в) латинские названия: cuprum, sulfur, oxygenium, hydrogenium, argentum, aurum.

2. Выпишите выражения, характеризующие массу атома кислорода:

  • а) m(O2) = 32 г;
  • б) ma(O) = 16 а. е. м.;
  • в) Ar(О) = 16;
  • г) ma(O) = 2,66 · 10–26 кг;
  • д) ω(О2) = 0,23;
  • е) V(O2) = 16 дм3.

3. Предложите способы:

  • а) разделения воды и нефти;
  • б) отделения песка от раствора соли;
  • в) разделения растительного масла и воды;
  • г) выделения кристаллов соли из водного раствора;
  • д) отделения карбоната кальция от воды.

4. Объясните, какие характеристики относятся к химическому веществу, а какие к химическому элементу:

  • а) атомный номер йода равен 53;
  • б) объёмная доля азота в воздухе составляет 78 %;
  • в) относительная атомная масса гелия равна 4;
  • г) хлор имеет характерный запах;
  • д) алюминий — светло-серебристый металл.

5. Масса атома некоторого элемента равна:

  • а) 3,15 · 10–26 кг;
  • б) 1,66 · 10–27 кг;
  • в) 6,47 · 10–26 кг;
  • г) 3,77 · 10–25 кг.

Определите его относительную атомную массу.

6. В каком объёме воздуха содержится 10 г кислорода?

7. Чему равна массовая доля алюминия в железоалюминиевой термитной смеси, приготовленной из алюминия массой 5 кг и оксида железа(III) массой 15 кг? Термитная смесь такого состава используется для сварки рельсов.

8. Мозырский нефтеперерабатывающий завод рассчитан на переработку 12 млн тонн нефти в год. Рассчитайте массу дизельного топлива, которое может быть выработано на заводе за 1 месяц, если считать, что массовая доля такого вида топлива составляет около 32 % от переработанной нефти.

9. Нефтеперегонный завод-гигант может за год переработать до 25 млн тонн нефти. В процессе перегонки нефти потери составляют около 1 %. Оцените годовые потери при перегонке нефти по массе и объёму на таком заводе (примите среднюю плотность нефти 0,9 г/см3).

10. Рассчитайте число атомов в прямоугольной алюминиевой пластинке длиной 5 см, шириной 3 см и толщиной 1 мм. Плотность алюминия — 2,7 г/см3. Предложите два способа решения.

Повышенный уровень

*Самоконтроль

1. Число известных химических элементов составляет:

  • а) 24;
  • б) 94;
  • в) 118;
  • г) 2017.

2. Каждое химическое вещество характеризуется:

  • а) составом;
  • б) строением;
  • в) определённым набором физических свойств;
  • г) определённым набором химических свойств.

3. Физические свойства железа характеризуют утверждения:

  • а) плотность равна 7,8 г/см3;
  • б) во влажном воздухе подвергается коррозии;
  • в) обладает магнитными свойствами;
  • г) имеет серый цвет.

4. К процессам разделения веществ не относится:

  • а) перегонка нефти;
  • б) плавление льда;
  • в) фильтрование питьевой воды;
  • г) выпаривание воды из сахарного сиропа.

5. В смеси газов, содержащей 1 дм3 СО, 4 дм3 Н2, 1 дм3 СН4, 3 дм3 СО2, объёмная доля водорода равна:

  • а) 11 %;
  • б) 33 %;
  • в) 55 %;
  • г) 44 %.