Основи загальної хімії

Навчальний посібник

Автори: Сухорукова Л.С.

Курова Т.І.

Мальцева Н.І.

Григор’єва В.І.

Коновалов О.М.

Назарова Р.І.

Снагощенко Л.П.

Яковлєва Р.А.

Редактор

ВСТУП

Хімія належить до природничих наук, що вивчають оточуючий нас світ, який безперервно змінюється. Усе, що існує незалежно від людської свідомості та прямим або непрямим шляхом може діяти на людські чуття, об’єднується по-няттям “матерія”. Розрізняють два види матерії: речовину та поле. З речовин складаються матеріальні об’єкти, що оточують людей. Під речовиною розу-міють конкретний вид матерії, що має за певних умов постійні фізичні влас-тивості.

Матерія знаходиться в стані безперервного руху та взаємодії. Хімія вивчає хімічну форму руху матерії, тобто хімічні явища або хімічні реакції. Суть хімічних реакцій полягає у перетворенні одних речовин на інші без зміни складу ядер атомів. Хімічні реакції записуються за допомогою хімічних рівнянь.

О’бєктом дослідження в хімії є молекули та кристали.

Таким чином, хімія — це наука, яка вивчає речовини, їхні властивості, склад, будову та перетворення, обумовлені перебудовою зовнішніх електрон-них оболонок і перерозподілом зв’язків між атомами в молекулах і кристалах.

Найважливішими завданнями хімії як науки є дослідження зв’язків між будовою і властивостями та реакційною здатністю, розробка методів одержання речовин з наперед заданими властивостями, інтенсифікація промислових ви-робництв, створення безвідхідних технологій, використання енергії хімічних перетворень.

Хімія тісно пов’язана з іншими природничими науками, оскільки хімічні реакції відіграють важливу роль у фізичних, біологічних, геологічних та інших процесах. На стиках наук виникають нові науки, наприклад, ядерна хімія, біо-хімія, геохімія, космохімія.

Хімія посідає центральне місце в суспільному виробництві. Хімічні реак-ції є основою технологічних процесів у багатьох галузях народного госпо-дарства. Так, хімічні реакції лежать в основі виробництва будівельних матері-алів (цементи, вапно, гіпс). Для будівництва хімічна промисловість виробляє фарби та лаки, полімерні покриття, тепло- та звуко-ізолюючі матеріали та ін.

Хімічні знання та технології відіграють важливу роль у вирішенні еко-логічних проблем. Головними напрямками вивчення та розв’язання проблем збереження та охорони природи за допомогою хімії є створення мало і без-відхідних виробництв, енерго- і ресурсозберігаючих технологій, очищення та переробка стічних вод, відхідних та вихлопних газів, твердих відходів. Для цього хімічна промисловість випускає активоване вугілля та інші адсорбенти, коагулянти, поверхнево-активні речовини, іоно-обмінні смоли, фільтри для захисту повітряного басейну від забруднення ТЕЦ та ін.

Розділ 1.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЕ ВЧЕННЯ

Основи атомно-молекулярного вчення були викладені М.В.Ломоносовим (1741 р.). В основі цього вчення лежить принцип дискретності речовини: будь-яка речовина складається з окремих, дуже малих частинок: атомів, молекул або іонів.

1.1.ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ХІМІЇ

Молекула — це здатна до самостійного існування найменша частинка речовини, що зберігає хімічні властивості цієї речовини. Молекули склада-ються з атомів, які з’єднані між собою хімічними зв’язками в певній послідов-ності та певним чином орієнтовані у просторі.

Атом — це найменша, хімічно неподільна електронейтральна частинка, що складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів.

Іони — це електрично заряджені частинки, на які перетворюються атоми або молекули в результаті втрати або приєднання електронів.

Хімічний елемент — це вид атомів з однаковим зарядом ядра. Він є складовою частиною речовин. Речовини, молекули яких побудовані з атомів одного хімічного елемента є простими (метали, О₂, Cl₂), а побудовані з атомів різних елементів — складними (HCl, H₂O, NaNO₃).

Маси атомів та молекул дуже малі, тому в хімії використовують не абсолютні значення мас атомів і молекул, а відносні атомні та молекулярні маси. Для вимірювання атомних мас застосовують спеціальну одиницю маси, яка називається атомною одиницею маси (а.о.м.). Вона є 1/12 часткою атома ізотопу вуглецю ¹²С (маса атома ¹²С дорівнює 19.33 ·10^{-27 кг). Тобто,}

.

Відносною атомною масою хімічного елемента (А_r) називають величину, що визначається відношенням маси атома елемента (m_a(e)) до 1/12 частки маси атома ізотопу вуглецю ¹²С (m_а(с)):

.

Наприклад:

Так само відносною молекулярною масою (М_r) називають величину, що визначаеться відношенням маси молекули (m_м) до 1/12 частки маси атома ізотопу вуглецю¹²С(m_a(с)). Вона складається з суми відносних атомних мас усіх атомів, що входять до складу молекули.

Наприклад:

.

Одиницею кількості речовини відповідно до Міжнародної системи одиниць (СІ) є моль (ν або n).

Моль — це одиниця кількісті речовини, яка містить стільки структурних одиниць (тобто молекул, атомів, іонів і т.і.), скільки міститься атомів у 0.012 кг ізотопу вуглецю ¹²С. Число структурних одиниць, яке міститься в 1 моль речовини дорівнює 6,02·10²³ і називається числом Авогадро (N_A).

Кількість речовини пов’язана з іншими величинами формулами:

де m — маса речовини;

M — молярна маса речовини;

N — кількість частинок;

N_A — число Авогадро;

V — об’єм газу;

V_M — молярний об’єм газу.

Молярна маса (М) — це маса речовини, взятої в кількості один моль (кг/моль або г/моль). Чисельне значення молярної маси речовини, виміряної в г/моль, дорівнює чисельному значенню відносної молекулярної маси.

Молярний об’єм (V_M) — це об’єм будь-якої речовини, взятої в кількості один моль (м³/моль або л/моль). На відміну від молярної маси він не є сталою величиною для цієї речовини, а залежить від її агрегатного стану та умов — тиску і температури. В хімії найчастіше використовують молярний об’єм газу за нормальних умов (V_{M н.у.}), який є сталою величиною для усіх газів і дорівнює 0.0224 м³/моль, або 22.4 л/моль (нормальні умови — Р=101325 Па=1атм=760мм.рт.ст., Т – 273 К або 0^°С).

Для розрахунку об’єму газу за умов, відмінних від нормальних, вико-ристовують рівняння Менделєєва-Клапейрона

де Р — тиск;

V — об’єм;

М — молярна маса речовини;

Т — абсолютна температура;

R — універсальна газова стала.

Залежно від одиниць вимірювання тиску та об’єму універсальна газова стала набуває значень

.

Крім того, для кількісних розрахунків у хімії використовують поняття еквівалент.

Еквівалент — це деяка реальна або умовна частинка, яка може заміщати, приєднувати, вивільняти або якимось іншим чином відповідати одному іону водню Н⁺ в обмінних або одному електрону в окисно-відновних реакціях. Наприклад, у молекулах HCl, H₂S, NH₃, CH₄ один атом водню з’єднується з одним атомом хлору, з 1/2 атома сірки, з 1/3 атома азоту, з 1/4 атома вуглецю.

Тому формули еквівалентів відповідних елементів мають вигляд:

Е_(Cl)=Cl; Е_(S)=1/2 S; Е_(N)=1/3 N; Е_(C)=1/4 C.

Еквівалент більшості складних і простих речовин є змінною величиною і визначається за рівнянням відповідних хімічних реакцій. Наприклад, у реакції

Н₃РО₄ + 3КОН → К₃РО₄ + 3Н₂О

в одній молекулі кислоти замінюються три іони водню Н⁺. Отже Е₍Н₃РО₄₎=

=1/3 Н₃РО_4.

У реакції

Н₃РО₄ + КОН → КН₂РО₄ + Н₂О

заміщується один іон водню Н⁺, тобто Е₍Н₃РО₄₎ = Н₃РО_4.

Для еквівалентів також можна обчислити молярну масу і кількість речо-вини.

Масу 1 моль еквівалента речовини називають молярною масою еквіва-лента (М_Е, г/моль).

Кількість речовини еквівалента — це відношення маси речовини до мо-лярної маси її еквівалента

.

Молярні маси еквівалентів окремого елемента та складних речовин розраховують за формулами:

;

.

1.2. ОСНОВНІ ЗАКОНИ ХІМІЇ

Закон збереження маси речовини (М. В. Ломоносов, 1748р., А. Лавуазьє, 1789р.). Загальна маса речовин, які вступають у хімічну реакцію, дорівнює загальній масі речовин, що утворюються внаслідок реакції.

Закон сталості складу (Ж. Пруст, 1799р.). Речовини молекулярної будови мають сталий склад незалежно від засобів їх добування.

Закон Авогадро (1811р.). У рівних об’ємах різних газів за однакових умов (температура та тиск) міститься однакова кількість молекул.

Наслідки закону Авогадро:

1. Один моль будь-яких ідеальних газів (не враховуються міжмолекулярні взаємодії та розміри частинок) за певних умов (Р,Т) займають однаковий об’єм. Зокрема, за нормальних умов 1 моль газу займає об’єм 22.4 л.

2. Відношення мас рівних об’ємів різних газів за однакових температур дорівнює відношенню їхніх молярних мас

,

де m — маса газу;

М — молярна маса газу.

Відношення показує, у скільки разів один газ важчий від іншого за одних і тих самих умов. Це відношення називається відносною густиною пер-шого газу за другим і позначається літерою D.

Найчастіше відносну густину газу визначають за воднем DН₂ або за повітрям D_n:

де 2 — молярна маса водню Н₂, г/моль;

29 — середня молярна маса повітря, г/моль.

Закон еквівалентів (В. Ріхтер, 1792р.). Речовини взаємодіють і утворюються в еквівалентних кількостях.

Так, для реакції

А+В→С+D

ν_Е(А) = ν_Е(В) = ν_Е(С) = ν_Е(D).

Оскільки , то

тобто маси речовин, що взаємодіють або утворюються пропорційні молярним масам їхніх еквівалентів.

Для газів замість мас в законі еквівалентів можна використовувати від-повідні об’єми:

.

Розділ 2.