Химия для иностранцев 2013. Учебное пособие для иностранных учащихся подготовительного отделения Харьков
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
2.6. Закон Авогадро. Молярный объем газа. Вычисления по химическим формулами уравнениям Закону Авогадро подчиняются только газы и не подчиняются твердые и жидкие вещества. Закон Авогадро в равных объемах различных газов при одинаковых условиях температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. Можно рассчитать объем, который занимают 6,02·10 23 молекул (или 1 моль) любого газа при нормальных условиях (ну. Нормальными условиями считают температуру 0 о С и давление 101325 Па. Рассчитанный объем для любого газа при ну. равен 22,4 л. Следствие из закона Авогадро при одинаковых условиях один моль любого газа занимает один и тот же объем, который называют молярным объемом. V M = υ V V M – молярный объем газа л/моль или ммоль V – объем данного газа, лили м υ – количество вещества в объеме V, моль. Примеры решения задач Пример 1. Вычислите массу железа, которое содержится в оксиде железа (III) Fe 2 O 3 массой 320 кг. Дано m (Fe 2 O 3 ) = кг Решение. 1) Определим количество вещества υ(Fe 2 O 3 ) ( ) ( ) ( ) 3 2 3 2 3 2 O Fe O Fe O Fe υ M m = m (Fe) – ? 17 Рассчитаем молярную массу вещества Fe 2 O 3 : М) = 2·56 + 3·16 = 160 г/моль = 0,16 кг/моль. ( ) 0,16 320 O Fe υ 3 2 = = 2·10 3 моль. 2) Определим υ(Fe), которое содержится в 2·10 3 моль Fe 2 O 3 : 1 моль Fe 2 O 3 содержит моль Fe 2·10 3 моль Fe 2 O 3 – х х = 4·10 3 моль υ(Fe) = 4·10 3 моль. 3) Определим массу железа m(Fe), которая соответствует 4·10 3 моль Fe: m (Fe) = M(Fe)·υ(Fe) = 0,056 кг/моль·4·10 3 моль = 224 кг. Ответ m(Fe) = 224 кг. Пример 2. Сколько литров газообразного SO 3 и сколько воды необходимо для получения г серной кислоты H 2 SO 4 по реакции SO 3 + H 2 O = Дано m (H 2 SO 4 ) = г Решение моль V –? + H 2 O моль m – ? = H 2 SO 4 моль г m (H 2 O) – ? V (SO 3 ) – ? коэффициенты в химическом уравнении показывают не только число молекул вещества, но и количество моль этого вещества. Изданного уравнения следует, что при взаимодействии 1 моль SO 3 смоль образуется 1 моль Рассчитаем количество вещества υ(H 2 SO 4 ): υ(H 2 SO 4 ) = ( ) ( ) 4 2 4 2 SO H SO H M m ; М) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98 г/моль; υ(H 2 SO 4 ) = 98 100 = 1,02 моль. Понятно, что SO 3 для реакции требуется тоже 1,02 моль. Если υ(SO 3 ) = 1,02 моль, 18 то V M = υ V ; V = V M ·υ = 22.4 л/моль·1,02 моль = 22,85 л. Воды требуется тоже 1,02 моль. Если υ(H 2 O) = 1,02 моль, то m (H 2 O) = υ(H 2 O)·M(H 2 O); M (H 2 O) = 2·1 + 16 = 18 г/моль; m (H 2 O) = 1,02 моль г/моль = 18,4 г. Ответ V(SO 3 ) = 22,85 л, m(H 2 O) = 18,4 г. Пример 3. Для проведения химической реакции NaOH + HCl = NaCl + H 2 O взяли г вещества NaOH и г вещества HCl. Вычислите массы продуктов реакции. Дано m (NaOH) = г m (HCl) = г Решение. NaOH г + HCl г = NaCl г + H 2 O г m (H 2 O) – ? m (NaCl) – ? Рассчитаем количество моль исходных веществ υ(NaOH) = ( ) ( ) NaOH NaOH M m = моль г 40 г 4 = 0,1 моль υ(HCl) = ( ) ( ) HCl HCl M m = моль г 35 г 5 , 10 = 0,3 моль. NaOH + HCl = NaCl + H 2 O соотношение молей, согласно уравнению моль моль моль моль взято для реакции 0,1моль 0,3моль – после реакции – 0,2моль 0,1моль 0,1моль Согласно уравнению химической реакции продуктов (NaCl и H 2 O) должно получиться по 0,1 моль, а 0,2 моль HCl останутся неизрасходованными, то есть вещество HCl было взято в избытке. Расчёты по химическим уравнениям проводят только по 19 веществу, которое полностью вступило в реакцию. В данном случае таким веществом является NaOH. Следовательно, m (NaCl) = υ(NaCl)·M(NaCl) = моль г/моль = г m (H 2 O) = υ(H 2 O)·M(H 2 O) = моль г/моль = г. Ответ m (NaCl) = г, m(H 2 O) = г. Контрольные вопросы и задания В каком агрегатном состоянии должно находиться вещество, чтобы оно подчинялось закону Авогадро Что показывает число Авогадро N A ? Что называют молярным объемом газа В каких единицах его выражают Вычислите массу вещества MgO, в котором содержится 400 кг магния. При горении серы в кислороде образуется оксид серы (VI): S + O 2 → SO 3 , если υ(S) = 4 моль, чему равно а) υ(O 2 ); б) υ(SO 3 ); в) m(SO 3 )? Какая масса углерода С сгорела, если в результате реакции C + O 2 → CO получили оксид углерода (II) СО объемом 5,6 л (ну Какой объем кислорода O 2 (ну) вступил в реакцию Определите массу вещества которое образуется в результате реакции HCl + MgO → MgCl 2 + H 2 O, если масса вещества НС равна 18, 25 га масса вещества MgO равна г. 3 . Периодический закон и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Строение атома 3.1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Периодическая система элементов (таблица Менделеева) – классификация химических элементов, которая позволяет выявить зависимость их различных свойств от числа протонов в атомном ядре. Первоначально система разработана русским химиком Д.И. Менделеевым на основании открытого им в 1869 году периодического закона зависимости свойств элементов от атомной массы и является его графическим выражением. Каждый элемент занимает определенное место в таблице Менделеева 12 ← порядковый номер (атомный номер) Mg ← символ элемента 24.305 ← атомная масса МАГНИЙ ← название элемента Периодическая система состоит из периодов и групп. Период – это горизонтальная строка. Всего в таблице 7 периодов. Первый, второй и третий периоды (1, 2, 3) состоят из одного ряда и называются малыми. 4, 5 и 6 периоды состоят из двух рядов и называются большими. 7 период состоит из одного ряда (незаконченный. Группа – это вертикальный столбец. Всего восемь групп. Номер группы обозначен римскими цифрами (I, II, III …). Каждая группа состоит из двух подгрупп главной (Аи побочной (В. В главную подгруппу (А) входят элементы малых и больших периодов. В побочную подгруппу (В) входят элементы только больших периодов. Например, в первом периоде находятся только два элемента водород и гелий. Впервой группе (I) главная подгруппа (I A): H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; побочная подгруппа (I B): Cu, Ag, Au. 21 Контрольные вопросы и задания Что называется периодом Сколько периодов в периодической системе Какие периоды называются малыми и какие большими Что называется группой Сколько групп в периодической системе Из каких подгрупп состоит каждая группа Опишите положение элементов в периодической таблице Менделеева (номера элементов 6, 16, 26). 3.2. Строение атома АТОМ ЯДРО ЭЛЕКТРОНЫ e - ПРОТОН заряд +масса 1 а.е.м. НЕЙТРОН заряд масса 1 а.е.м. Атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протон – это положительно заряженная частица, масса которой равна атомной единице массы (а. ем. Нейтрон – это электронейтральная частица, масса которой равна атомной единице массы. Электрон – это отрицательно заряженная частица, масса которой враз меньше массы протона или нейтрона. 22 Протоны и нейтроны образуют ядро. Ядро имеет положительный заряд, равный числу протонов. Величина положительного заряда ядра атома равна порядковому номеру элемента в периодической системе. Атом – это электронейтральная частица. Следовательно, число электронов равно заряду ядра (равно числу протонов) или порядковому номеру элемента в периодической системе. Масса атома А равна сумме масс всех частиц, которые входят в атом А = масса протонов + масса нейтронов + масса электронов. Так как масса электронов очень мала, можно считать, что масса атома определяется массой его протонов и нейтронов. Общее число протонов и нейтронов называется массовым числом (А. Оно равно значению относительной массы элемента. A = Z + N A – массовое число Z – число протонов (протонное число) и порядковый номер элемента N – число нейтронов. Например, калий К порядковый номер – 19; количество протонов – 19; заряд ядра – 19; количество электронов – 19. Состав ядра Состав атома K 39 19 K 39 19 Z = 19 A = 39 N = 39 - 19 = 20 Z = 19 A = 39 N = 20 e - = Изотопы – это атомы одного элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра одинаковое число протонов, но разную массу (разное число нейтронов. Например O 16 8 , O 17 8 , O 18 8 23 Атомная масса элемента в периодической системе равна среднему арифметическому значению масс всех его изотопов с учётом их распространенности в природе. Так, природный хлор – это смесь 77,35 % изотопа Cl 35 17 и 22,65 % изотопа Cl 37 17 . Поэтому Ar(Cl) = 100 22,65 37 77,35 35 ⋅ + ⋅ = 35,453. Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковы. Значит, химические свойства элементов зависят от заряда ядра атома, а не от его атомной массы. Заряд ядра атома – главная характеристика элемента. Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Поэтому периодический закон Менделеева формулируют так свойства элементов, а также образованных ими простых и сложных соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов. Контрольные вопросы и задания Какие частицы входят в состава) атома б) ядра Укажите их название, символ, заряд, массу. Чему равен заряд ядра атома Что показывает порядковый номер элемента Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атомах азота, хлора, марганца. Вычислите число нейтронов в ядре атома, если А = 190, порядковый номер элемента равен 76. Что такое изотопы Что является главной характеристикой элемента Сколько протонов и нейтронов содержат ядра изотопов Ar 36 , Ar 38 , Ar 40 ? Ядро атома элемента содержит 12 нейтронов, А = 22. Определите порядковый номер элемента. Назовите элемент. 24 3.3. Строение электронной оболочки атома. Квантовые числа Электронная оболочка – это совокупность электронов в атоме. Состояние электронов в атоме можно представить в виде электронного облака с определенной плотностью электрического заряда в каждой точке. Электронные облака различных электронов находятся на разных расстояниях от ядра и имеют различную форму. Атомная орбиталь (АО – геометрическое представление о движении электрона в атоме. Такое особое название (не орбита, а орбиталь) отражает тот факт, что движение электрона в атоме отличается от классического движения по траектории и описывается законами квантовой механики. Атомная орбиталь представляет собой область пространства вокруг ядра атома, в которой высока вероятность нахождения электрона (90-95 %). Состояние электрона в атоме описывают с помощью четырех квантовых чисел. 1. Главное квантовое число n определяет энергию электрона в атоме и может принимать значения от 1 до ∞ (только целые, положительные числа. Чем меньше n, тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром (тем ближе к ядру находится электрон. Электроны с одними тем же значением n образуют энергетический уровень. Число уровней, на которых находятся электроны, совпадает с номером периода, в котором располагается элемент в периодической системе. Номера этих уровней обозначают цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (реже – буквами K, L, M, N, O, P, Q). 2. Орбитальное (побочное) квантовое число l характеризует форму орбитали. Приданном значении n квантовое число l может принимать значения целых чисел от 0 до n – 1. Кроме числовых l имеет буквенные обозначения Значения орбитального квантового числа 0 1 2 3 4 Буквенное обозначение s p d f g 25 Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень. Подуровни обозначаются буквами s, p, d, Первый энергетический уровень имеет один подуровень, второй – два, третий – три, четвертый – четыре и т.д. Число энергетических подуровней равно номеру данного энергетического уровня, те. значению главного квантового числа n. Подуровни отличаются друг от друга энергией связи электрона с ядром. Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию и форму. орбиталь имеет сферическую форму, р–орбиталь имеет форму гантели восьмерки и орбитали имеют более сложные формы. Обозначение орбитали включает номер энергетического уровня и букву, которая отвечает соответствующему подуровню 1s – один-эс орбиталь 3d – три-дэ орбиталь. Таким образом, энергия электрона в атоме зависит не только от значения главного квантового числа n, но и от значения орбитального числа l. А это значит, что энергия электрона в атоме определяется суммой значений главного и орбитального квантовых чисел n + l. 3. Магнитное квантовое число m l определяет расположение атомной орбитали в пространстве и может принимать значения целых чисел от –l до +l , в том числе значение нуль. То есть m l приданном значении l будет иметь (2l + 1) значений. Так, при l = 0 (это орбиталь) m l = 0. Это значит, что орбиталь имеет одинаковую ориентацию относительно трех осей координат (Риса. При l = 1 (орбиталь) m l может принимать три значения –1, 0, +1. Это значит, что могут быть три орбитали (p x , p y , p z ) с ориентацией по координатным осям x, y, z (Рис. 1, б. При l = 2 (орбиталь) m l может принимать пять значений. Это значит, что может быть пять орбиталей итак далее. 26 орбиталь орбиталь орбиталь орбиталь Риса Рис. б Рис. 1 Изображение атомных орбиталей 27 Магнитное квантовое число определяет число значений орбиталей на подуровне, которое равно числу значений Орбитальное квантовое число (l) Магнитное квантовое число (m l ) Число орбиталей сданным значением (2l + 1) 0 (s) 0 1 1 (p) –1, 0, +1 3 2 (d) –2, –1, 0, +1, +2 5 3 (f) –3, –2, –1, 0 +1, +2, +3 7 Орбитали изображают в виде энергетических ячеек, число которых на данном подуровне определяется числом значений магнитного квантового числа m l = 2l + 1. s p d f 4. Спиновое квантовое число m s может принимать только два значения +1/2 и – 1/2. Они соответствуют двум возможными противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона, который называют спином (от англ. spin – веретено. Для обозначения электронов с различными спинами используют символы и ↓. Итак, состояние электрона в атоме определяется значениями всех четырех квантовых чисел, которые характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. Контрольные вопросы и задания Что такое атомная орбиталь Какие квантовые числа вызнаете Расскажите о них. Что такое энергетический уровень Какое квантовое число указывает количество энергетических уровней Какое квантовое число определяет количество подуровней на данном энергетическом уровне Сколько подуровней на первом, втором, третьем энергетических уровнях Какую форму имеют s– и орбитали Сколько орбиталей находится на подуровне Какое квантовое число определяет количество орбиталей на подуровне Какими квантовыми числами определяется энергия электрона в атоме 3.4. Электронные и электронографические формулы Строение электронных оболочек атомов записывают с помощью электронных формул. Электронная формула – это форма записи электронного строения атома элемента с распределением электронов по уровнями подуровням. Запишем электронное строение атома водорода, при этом используют следующую форму записи символ элемента порядковый нопер (число электронов) число электронов на подуровне подуровень (тип орбитали) номер энергетического уровня (главное квантовое число) Последовательность заполнения электронами энергетических уровней и подуровней определяется обязательными правилами в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковым значением всех четырёх квантовых чисел (принцип Паули. Следствием этого правила является то, что 29 на одной орбитали может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами – неспаренный электрон – спаренные электроны (с антипараллельными или противоположно направленными спинами. Используя принцип Паули, можно рассчитать максимальное число электронов на энергетическом уровне и подуровне. Подуровень Число орбиталей Максимальное число электронов s 1 2 p 3 6 d 5 10 f 7 14 Максимальное число электронов N на энергетическом уровне выражается формулой, где n – главное квантовое число. Суммарное спиновое число электронов данного подуровня должно быть максимальным (правило Гунда). Например на 2р–подуровне нужно разместить три электрона (р) – правильно (суммарный спин равен 3/2) – неправильно (суммарный спин равен 1/2) Стабильному состоянию электрона в атоме отвечает минимальное значение его энергии. Любое другое его состояние является возбуждённым, нестабильным, из которого электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низким уровнем энергии. Поэтому последовательность заполнения электронами энергетических уровней определяется правилом наименьшего запаса энергии 3) электроны прежде всего занимают орбитали с наименьшим уровнем энергии, то есть с меньшим значением суммы n + l. Если сумма n+l двух разных орбиталей одинакова, то раньше заполняется орбиталь, у которой n меньше. Для того, чтобы написать электронную формулу атома, необходимо знать его порядковый номер в таблице Менделеева (он соответствует числу электронов) и номер периода (указывает число энергетических уровней. Напишем электронную формулу азота (порядковый номер семь, период – второй. В атоме азота 7 электронов размещаются на двух энергетических уровнях. Мы уже знаем, что на 1 уровне есть только один подуровень – s, и на нем могут максимально находиться два электрона 1s 2 . На 2 уровне есть два подуровня – s и p: 2s2p. На втором энергетическом уровне нам надо разместить 7 - 2 = 5 электронов 2s 2 2p 3 . Электронное строение атома азота можно записать следующей формулой N 7 : 1s 2 2s 2 2p 3 |