Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Атомно-молекулярное учение

Представления об атомах как мельчайших неделимых частицах зародились в древней Греции. Основы современного атомно-молекулярного учения впервые сформулировал М.В. Ломоносов (1748), но его представления, изложенные в частном письме, были неизвестны большинству учёных. Поэтому основоположником современного атомно-молекулярного учения считается английский ученый Дж. Дальтон, который сформулировал (1803–1807) его основные постулаты.

1. Каждый элемент состоит из очень мелких частиц – атомов.

2. Все атомы одного элемента одинаковы.

3. Атомы различных элементов имеют разные массы и обладают разными свойствами.

4. Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций.

5. Химические соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.

6. В данном соединении относительные количества атомов различных элементов всегда постоянны.

Эти постулаты вначале были косвенно доказаны совокупностью стехиометрическихзаконов. Стехиометрия - часть химии, которая изучает состав веществ и его изменение в ходе химических превращений. Это слово образовано от греческих слов «стехион» - элемент и «метрон» - мера. К законам стехиометрии относятся законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений, закон Авогадро и закон эквивалентов.

1.3. Стехиометрические законы

Законы стехиометрии считаются составными частями АМУ. На основании этих законов было введено понятие о химических формулах, химических уравнениях и валентности.

Установление стехиометрических законов позволило приписать атомам химических элементов строго определенную массу. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,67∙10 –27 кг, кислорода - 26,60∙10 -27 кг, углерода - 19,93∙10 –27 кг. Пользоваться такими числами при различных расчетах очень неудобно. Поэтому с 1961 года за единицу массы атомов принята 1 / 12 массы изотопа углерода 12 С - атомная единица массы (а.е.м.). Раньше её называли углеродной единицей (у.е.), но сейсчас это название использовать не рекомендуется.

Масса а.е.м. составляет 1,66 . 10 –27 кг или 1,66 . 10 –24 г.

Относительной атомной массой элемента (Аr ) называют отношение абсолютной массы атома к 1 / 12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12 С. Иначе говоря, А r показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1 / 12 массы атома 12 С. Например, округлённое до целого числа значение А r кислорода равно 16; это означает, что масса одного атома кислорода в 16 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные массы элементов (Аr) приводятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется масса его молекулы, выраженная в а.е.м.Она равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества и вычисляется по формуле вещества. Например, относительная молекулярная масса серной кислоты H 2 SO 4 слагается из атомных масс двух атомов водорода (1∙2 = 2), атомной массы одного атома серы (32) иатомной массы четырех атомов кислорода (4∙16 = 64). Она равна 98.

Это означает, что масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные и молекулярные массы - величины относительные, а потому - безразмерные.

Состав простых и сложных веществ химики всего мира отражают очень красиво и лаконично в виде химических формул. Химические формулы - это аналоги слов, которые записывают с помощью букв - знаков химических элементов.

Выразим с помощью химических символов состав самого распространённого вещества на Земле - воды. В молекулу воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Теперь переведём это предложение в химическую формулу, используя химические символы (водорода - Н и кислорода - О). Число атомов в формуле запишем с помощью индексов - цифр, стоящих внизу справа от химического символа (индекс 1 для кислорода не пишут): Н 2 0 (читают «аш-два-о»).

Формулы простых веществ водорода и кислорода, молекулы которых состоят из двух одинаковых атомов, записывают так: Н 2 (читают «аш-два») и 0 2 (читают «о-два») (рис. 26).

Рис. 26.
Модели молекул и формулы кислорода, водорода и воды

Чтобы отразить число молекул, используют коэффициенты, которые пишут перед химическими формулами: например, запись 2СО 2 (читают «два-цэ-о-два») означает две молекулы углекислого газа, каждая из которых состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Аналогично записывают коэффициенты, когда указывают число свободных атомов химического элемента. Например, нам нужно записать выражение: пять атомов железа и семь атомов кислорода. Делают это следующим образом: 5Fe и 7О.

Размеры молекул, а тем более атомов настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в лучшие оптические микроскопы, дающие увеличение в 5-6 тысяч раз. Их невозможно рассмотреть и в электронные микроскопы, дающие увеличение в 40 тысяч раз. Естественно, что ничтожно малому размеру молекул и атомов соответствуют и ничтожно малые их массы. Учёные рассчитали, например, что масса атома водорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г, что можно представить как 1,674 10 -24 г, масса атома кислорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 026 667 г, или 2,6667 10 -23 г, масса атома углерода равна 1,993 10 -23 г, а масса молекулы воды равна 3,002 10 -23 г.

Рассчитаем, во сколько раз масса атома кислорода больше массы атома водорода, самого лёгкого элемента:

Аналогично, масса атома углерода больше массы атома водорода в 12 раз:

Рис. 27. Масса атома углерода равна массе 12 атомов водорода

Масса молекулы воды больше массы атома водорода в 18 раз (рис. 28). Эти величины показывают, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше массы атома водорода, т. е. являются относительными.

Рис. 27. Масса атома воды равна массе 18 атомов водорода

В настоящее время учёные-физики и учёные-химики придерживаются мнения, что относительная атомная масса элемента - это величина, показывающая, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода. Относительную атомную массу обозначают Аr, где r - начальная буква английского слова relative, что означает «относительный». Например, А r (0) = 16, А r (С) = 12, A r (H) = 1.

Каждый химический элемент имеет своё значение относительной атомной массы (рис. 29). Значения относительных атомных масс химических элементов указаны в соответствующих им клетках таблицы Д. И. Менделеева.

Рис. 29.
Каждый элемент имеет свое значение относительной атомной массы

Аналогично, относительную молекулярную массу вещества обозначают М r , например М r (Н 2 0) = 18.

Относительная атомная масса элемента А r и относительная молекулярная масса вещества М r - величины, которые не имеют единиц измерения.

Чтобы узнать относительную молекулярную массу вещества, не обязательно делить массу его молекулы на массу атома водорода. Нужно просто сложить относительные атомные массы элементов, образующих вещество, с учётом числа атомов, например:

Химическая формула содержит важную информацию о веществе. Например, формула С0 2 показывает следующую информацию:

Рассчитаем массовые доли элементов углерода и кислорода в углекислом газе СO 2 .

Ключевые слова и словосочетания

1. Химическая формула.
2. Индексы и коэффициенты.
3. Относительная атомная масса (А r).
4. Относительная молекулярная масса (М r).
5. Массовая доля элемента в веществе.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Что означают записи: 3Н; 2Н 2 O; 5O 2 ?
2. Запишите формулу сахарозы, если известно, что в состав её молекулы входят двенадцать атомов углерода, двадцать два атома водорода и одиннадцать атомов кислорода.
3. Используя рисунок 2, запишите формулы веществ и рассчитайте их относительные молекулярные массы.
4. Какой форме существования химического элемента кислорода соответствует каждая из следующих записей: 3O; 5O 2 ; 4СO 2 ?
5. Почему относительная атомная масса элемента и относительная молекулярная масса вещества не имеют единиц измерения?
6. В каком из веществ, формулы которых SO 2 и SO 3 , массовая доля серы больше? Ответ подтвердите расчётами.
7. Вычислите массовые доли элементов в азотной кислоте HNO 3 .
8. Дайте полную характеристику глюкозы С 6 Н 12 0 6 , используя пример описания углекислого газа С0 2 .

Одной из важнейших характеристик атомов является его масса .

Абсолютной называется масса атома, выраженная в килограммах (граммах).

Абсолютная масса атома (m a тома) величина чрезвычайно малая. Так, атом легкого изотопа водорода (протия) имеет массу 1,66 · 10 –27 кг.

m (Н) = 1,66 · 10 –27 кг, m (Н) = 1,66 · 10 –24 г,

атом одного из изотопов кислорода имеет массу 2,67 · 10 –26 кг,

m (О) = 2,67 · 10 –26 кг, m (О) = 2,67 · 10 –23 г,

атом изотопа углерода 12 С имеет массу 1,99 · 10 –26 кг,

m (С) = 1,99 · 10 –26 кг, m (С) = 1,99 · 10 –23 г.

В практических расчётах пользоваться такими величинами крайне неудобно. Поэтому обычно пользуются значениями не абсолютных масс атомов, а значениями относительных атомных масс .

Относительная атомная масса обозначается Ar , индекс r – начальная буква английского слова relative , что значит относительный.

В качестве единицы для измерения масс атомов и молекул принята атомная единица массы (а.е.м.) .

Атомная единица массы (а.е.м.) представляет собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С, т.е.

а.е.м. = = · 1,99 · 10 –26 кг = · 1,99 · 10 –23 г.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше 1/12 части массы атома изотопа углерода 12 С, т. е. атомной единицы массы.

Относительная атомная масса является безразмерной величиной, но допускается обозначение ее величины в атомных единицах массы (а.е.м.). Например:

Таким образом, значение относительной атомной массы элемента водорода равно 1,001 или, округленно,

Аr(Н) ≈ 1 а.е.м, а кислорода – Аr(O) = 15,999 ≈ 16 а.е.м.

Значения величин относительных атомных масс элементов приведены в периодической системе Д.И. Менделеева. Эти величины представляют собой усредненное значение массы атома какого-либо элемента с учетом существующих в природе изотопов этого элемента и их количества. Для обычных расчетов следует пользоваться округленными значениями относительных атомных масс элементов (см. табл. 4 приложения).

Аналогично понятиям абсолютная масса атома и относительная атомная масса можно сформулировать понятия абсолютная масса молекулы и относительная молекулярная масса.

Абсолютная масса молекулы (m) мол. – масса молекулы химического вещества, выраженная в килограммах (граммах).

Относительная молекулярная масса (М r ) (или просто молекулярная масса) – масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы.

Зная химическую формулу соединения, можно легко определить значение его молекулярной массы, которая определяется как сумма значений атомных масс всех элементов, входящих в состав молекулы вещества.

Например, относительная молекулярная масса серной кислоты Мr(Н 2 SO 4) будет складываться из двух значений относительных атомных масс элемента водорода, одной относительной атомной массы элемента серы и четырех относительных атомных масс элемента кислорода:

Мr(Н 2 SO 4) = 2Аr (Н) + Аr (S) + 4Аr(O) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98.

Таким образом, значение молекулярной массы серной кислоты равно 98 или 98 а.е.м.

Молекулярная масса (относительная молекулярная масса) показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 части массы атома углерода 12 С.

В приведенном выше примере значение молекулярной массы серной кислоты равно 98 а.е.м., то есть молекула серной кислоты имеет массу в 98 раз большую, чем 1/12 часть массы атома углерода 12 С.

На законе Авогадро основан важнейший метод определения молекулярных масс веществ, находящихся в газообразном состоянии. Но прежде чем говорить об этом методе, следует сказать, в каких единицах выражают молекулярные и атомные массы.

При вычислениях атомных масс первоначально за единицу массы принимали массу атома водорода как самого легкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов других элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая считалась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода принимали равным . Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно или . Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16, приняв атомную массу водорода равной 1,0079.

Таким образом, за единицу атомной массы принималась часть массы атома кислорода, получившая название кислородной единицы, В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов (см. § 35), так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода. Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомиой массы была принята часть массы атома кислорода . В результате оформились две шкалы атомных масс - химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства.

В 1961 г. принята единая шкала относительных атомных масс, в основу которой положена часть массы атома изотопа углерода , названная атомной единицей массы . В соответствии с этим в настоящее время относительной атомной массой (сокращенно - атомной массой) элемента называют отношение массы его атома к части массы атома . В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994 и 1,00794.

Аналогично относительной молекулярной массой (сокращенно - молекулярной массой) простого или сложного вещества называют отношение массы его молекулы к части массы . Поскольку масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительная молекулярная масса равна сумме соответствующих относительных атомных масс.

Например, молекулярная масса воды, молекула которой содержит два атома водорода и один атом кислорода, равна: .(До недавнего времени вместо терминов «атомная масса» и «молекулярная масса» употреблялись термины «атомный вес» и «молекулярный вес».)

Наряду с единицами массы и объема в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенно обозначение - «моль»).

Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в изотопа углерода .

Применяя понятие «моль», необходимо в каждом конкретном случае точно указывать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Например, следует различать моль атомов Н, моль молекул , моль ионов .

В настоящее время число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества (постоянная Авогадро), определено с большой точностью. В практических расчетах его принимают равным .

Отношение массы m вещества к его количеству называют молярной массой вещества

Молярную массу обычно выражают в г/моль. Поскольку в одном моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц, то молярная масса вещества , г/моль) пропорциональна массе соответствующей структурной единицы, т. е. относительной молекулярной (или атомной) массе данного вещества (Мотн)

где К - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех веществ.

Нетрудно видеть, что К=1. В самом деле, для изотопа углерода Мотн =12, а молярная масса (по определению понятия «моль») равна 12 г/моль. Следовательно, численные значения М (г/моль) и Мотн совпадают, а значит К=1. Отсюда следует, что молярная масса вещества, выраженная в граммах на моль, имеет то же численное значение, что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Так, молярная масса атомарного водорода равна 1,0079 г/моль, молекулярного водорода - 2,0158 г/моль, молекулярного кислорода - 31,9988 г/моль.

Согласно закону Авогадро одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. С другой стороны, 1 моль любого вещества содержит (по определению) одинаковое число частиц. Отсюда следует, что при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

Нетрудно рассчитать, какой объем занимает один моль газа при нормальных условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении или ) и температуре . Например, экспериментально установлено, что масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 грамм. Следовательно, объем, занимаемый при тех же условиях одним молем кислорода (32 грамм), составит 32:1,43=22,4 л. То же число получим, рассчитав объем одного моля водорода, диоксида углерода и т. д.

Отношение объема, занимаемого веществом, к его количеству называется молярным объемом вещества. Как следует из изложенного, при нормальных условиях молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль.

Атомы имеют очень маленький размер и очень маленькую массу. Если выражать массу атома какого-нибудь химического элемента в граммах, то это будет число перед которым находится более двадцати нулей после запятой. Поэтому измерять массу атомов в граммах неудобно.

Однако, если принять какую-либо очень малую массу за единицу, то все остальные малые массы можно выражать как отношение к этой единицы. В качестве единицы измерения массы атома была выбрана 1/12 часть массы атома углерода.

1/12 часть массы атома углерода называют атомной единицей массы (а. е. м.).

Относительной атомной массой является величина, равная отношению реальной массы атома конкретного химического элемента к 1/12 реальной массы атома углерода. Это безразмерная величина, так как делятся две массы.

A r = m ат. / (1/12)m угл.

Однако абсолютная атомная масса равна относительной по значению и имеет единицу измерения а.е.м.

То есть относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса конкретного атома больше 1/12 атома углерода. Если у атома A r = 12, значит его масса в 12 раз больше 1/12 массы атома углерода, или, другими словами, в нем 12 атомных единиц массы. Такое может быть только у самого углерода (C). У атома водорода (H) A r = 1. Это значит, что его масса равна массе 1/12 части от массы атома углерода. У кислорода (O) относительная атомная масса равна 16 а.е.м. Это значит, что атом кислорода в 16 раз массивнее 1/12 атома углерода, в нем 16 атомных единиц массы.

Самый легкий элемент - это водород. Его масса примерно равна 1 а.е.м. У самых тяжелых атомов масса приближается к 300 а.е.м.

Обычно для каждого химического элемента его значение абсолютной массы атомов, выраженных через а. е. м. округляют.

Значение атомных единиц массы записаны в таблице Менделеева.

Для молекул используется понятие относительной молекулярной массы (M r) . Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Но поскольку масса молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительную молекулярную массу можно найти, просто сложив относительные массы этих атомом. Например, в молекулу воды (H 2 O) входят два атома водорода с A r = 1 и один атом кислорода с A r = 16. Следовательно, Mr(Н 2 O) = 18.

Ряд веществ имеет немолекулярное строение, например металлы. В таком случае их относительную молекулярную массу считают равной их относительной атомной массе.

В химии важным является величина, которая называется массовая доля химического элемента в молекуле или веществе. Она показывает, какая часть относительной молекулярной массы приходится на данный элемент. Например, в воде на водород приходится 2 доли (так как два атома), а на кислород 16. То есть, если смешать водород массой 1 кг и кислород массой 8 кг, то они прореагируют без остатка. Массовая доля водорода равна 2/18 = 1/9, а массовая доля кислорода 16/18 = 8/9.