Химия и вещества

Химия — наука о веществах, их составе, строении, свойствах и превращениях. Она тесно связана с физикой, биологией и геологией; на стыке этих наук возникли физическая химия, биохимия, геохимия.

Физические свойства вещества: агрегатное состояние, цвет, запах, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, тепло- и электропроводность. Химические свойства — способность вещества превращаться в другие вещества.

У чистого вещества постоянные состав и свойства, например чёткие температуры плавления и кипения. Смесь состоит из нескольких веществ: однородная (воздух, раствор соли; составные части не видны даже в микроскоп) и неоднородная (песок с водой, порошки железа и серы). Массовая доля вещества X в смеси:

\omega(\text{X}) = \frac{m(\text{X})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\%.

Разделение смесей

Смеси разделяют, используя различия в физических свойствах компонентов:

отстаивание и фильтрование — отделение нерастворимого твёрдого вещества от жидкости (песок и вода);
выпаривание и кристаллизация — выделение растворённого твёрдого вещества (соль из солёной воды);
перегонка (дистилляция) — разделение жидкостей с разными температурами кипения, получение дистиллированной воды;
делительная воронка — разделение несмешивающихся жидкостей (вода и растительное масло);
действие магнитом — отделение железных опилок от порошка серы;
хроматография — основана на том, что разные вещества по-разному поглощаются поверхностью сорбента.

Физические и химические явления

При физических явлениях меняются форма или агрегатное состояние вещества, новые вещества не образуются: таяние льда, испарение воды, разбивание стекла. При химических явлениях (реакциях) образуются новые вещества: ржавление железа, горение, скисание молока.

Признаки реакции: изменение цвета, выделение газа, образование осадка, выделение теплоты и света, появление запаха.

Условия возникновения и протекания: вещества должны соприкасаться (измельчение, перемешивание, растворение увеличивают контакт); для начала некоторых реакций нужно нагревание (горение), а другие идут только при непрерывном нагревании; иногда нужен катализатор или свет.

Атомно-молекулярное учение, элементы, аллотропия

Основные положения атомно-молекулярного учения: вещества молекулярного строения состоят из молекул, молекулы — из атомов; частицы находятся в непрерывном движении; при химических реакциях молекулы разрушаются, а атомы сохраняются и образуют новые молекулы.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Простое вещество образовано атомами одного элемента ( $\mathrm{O_2}$ , $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{S}$ ), сложное — атомами разных элементов ( $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{CO_2}$ ). Элемент и простое вещество — не одно и то же: кислород в составе воды — это элемент, а $\mathrm{O_2}$ в воздухе — простое вещество.

Аллотропия — способность элемента образовывать несколько простых веществ: кислород $\mathrm{O_2}$ и озон $\mathrm{O_3}$ ; алмаз и графит (углерод); белый и красный фосфор; ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Не путайте аллотропию с изотопией: изотопы — это атомы одного элемента с разной массой.

Формулы, массы и законы

Атомная единица массы (а. е. м.) — $\frac{1}{12}$ массы атома $^{12}\mathrm{C}$ : $1$ а. е. м. $\approx 1{,}66 \cdot 10^{-27}$ кг. Относительная атомная масса $A_r$ показывает, во сколько раз масса атома больше $1$ а. е. м. Относительная молекулярная масса $M_r$ равна сумме $A_r$ всех атомов в формуле: $M_r(\mathrm{H_2SO_4}) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98$ . Обе величины безразмерны.

Массовая доля элемента в сложном веществе:

\omega(\text{Э}) = \frac{n \cdot A_r(\text{Э})}{M_r} \cdot 100\%,

где $n$ — число атомов элемента в формуле. Массовое отношение элементов — это отношение произведений $n \cdot A_r$ : в воде $m(\mathrm{H}) : m(\mathrm{O}) = 2 : 16 = 1 : 8$ .

Чтобы вывести формулу, массовую долю каждого элемента делят на его $A_r$ , а полученные числа делят на наименьшее из них и приводят к целым.

Закон постоянства состава (Ж. Пруст): каждое чистое вещество молекулярного строения независимо от способа получения имеет постоянный состав. Закон сохранения массы веществ (М. В. Ломоносов, А. Лавуазье): масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ. Поэтому в химическом уравнении число атомов каждого элемента слева и справа одинаково; его уравнивают коэффициентами: $\mathrm{4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3}$ .

Запомните

Элемент — вид атомов, а простое вещество — реальное вещество из атомов одного элемента.
Аллотропия: $\mathrm{O_2}$ и $\mathrm{O_3}$ , алмаз и графит, белый и красный фосфор.
$\omega(\text{Э}) = \frac{n \cdot A_r(\text{Э})}{M_r} \cdot 100\%$ ; в смеси $\omega(\text{X}) = \frac{m(\text{X})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\%$ .
Вывод формулы: отношения $\frac{\omega}{A_r}$ приводят к наименьшим целым числам.
При химическом явлении образуется новое вещество; признаки: изменение цвета, газ, осадок, теплота, свет, запах.

Разобранные примеры

Пример 1
Вычислите массовое отношение элементов и их массовые доли в сульфате меди(II) $\mathrm{CuSO_4}$ . ( $A_r$ : Cu $64$ , S $32$ , O $16$ )
Решение
1. $M_r(\mathrm{CuSO_4}) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160$ .
2. Массовое отношение: $m(\mathrm{Cu}) : m(\mathrm{S}) : m(\mathrm{O}) = 64 : 32 : 64 = 2 : 1 : 2$ .
3. $\omega(\mathrm{Cu}) = \frac{64}{160} \cdot 100\% = 40\%$ , $\omega(\mathrm{S}) = \frac{32}{160} \cdot 100\% = 20\%$ , $\omega(\mathrm{O}) = \frac{64}{160} \cdot 100\% = 40\%$ .
4. Проверка: $40\% + 20\% + 40\% = 100\%$ .
Ответ: $2 : 1 : 2$ ; $40\%$ , $20\%$ , $40\%$ .
Пример 2
Вещество содержит $32{,}39\%$ натрия, $22{,}54\%$ серы и $45{,}07\%$ кислорода. Выведите простейшую формулу вещества. ( $A_r$ : Na $23$ , S $32$ , O $16$ )
Решение
1. Делим массовую долю каждого элемента на его относительную атомную массу: $\mathrm{Na}$ : $\frac{32{,}39}{23} \approx 1{,}408$ ; $\mathrm{S}$ : $\frac{22{,}54}{32} \approx 0{,}704$ ; $\mathrm{O}$ : $\frac{45{,}07}{16} \approx 2{,}817$ .
2. Делим на наименьшее число ( $0{,}704$ ): $\mathrm{Na} : \mathrm{S} : \mathrm{O} = 2 : 1 : 4$ .
3. Формула $\mathrm{Na_2SO_4}$ (сульфат натрия).
4. Проверка: $M_r = 2 \cdot 23 + 32 + 4 \cdot 16 = 142$ , $\omega(\mathrm{Na}) = \frac{46}{142} \cdot 100\% \approx 32{,}39\%$ .
Ответ: $\mathrm{Na_2SO_4}$ .

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

1
Какие пары являются аллотропными видоизменениями одного элемента?
1. алмаз и графит
2. кислород и озон
3. вода и лёд
4. белый и красный фосфор
5. протий и дейтерий
1. 1, 2, 4
2. 1, 3, 5
3. 2, 3, 4
4. 1, 2, 5
5. 3, 4, 5
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A 1, 2, 4
Алмаз и графит (углерод), кислород и озон, белый и красный фосфор — разные простые вещества одного элемента. Вода и лёд — разные агрегатные состояния одного вещества, а протий и дейтерий — изотопы водорода (виды атомов, а не простые вещества).
Из $50$ г смеси порошков железа и серы магнитом извлекли $14$ г железа. Какова массовая доля серы в смеси?
1. $28\%$
2. $14\%$
3. $72\%$
4. $36\%$
5. $64\%$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C $72\%$
$m(\mathrm{S}) = 50 - 14 = 36$ г, $\omega(\mathrm{S}) = \frac{36}{50} \cdot 100\% = 72\%$ . $28\%$ — массовая доля железа, а $36\%$ получается, если массу серы принять за проценты.
В каком соединении массовая доля кислорода наибольшая? ( $A_r$ : H $1$ , C $12$ , N $14$ , O $16$ , S $32$ , Ca $40$ )
1. $\mathrm{CO_2}$
2. $\mathrm{SO_3}$
3. $\mathrm{NO_2}$
4. $\mathrm{H_2O}$
5. $\mathrm{CaO}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $\mathrm{H_2O}$
$\omega(\mathrm{O})$ : в $\mathrm{CO_2}$ $\frac{32}{44} \approx 72{,}7\%$ ; в $\mathrm{SO_3}$ $\frac{48}{80} = 60\%$ ; в $\mathrm{NO_2}$ $\frac{32}{46} \approx 69{,}6\%$ ; в $\mathrm{H_2O}$ $\frac{16}{18} \approx 88{,}9\%$ ; в $\mathrm{CaO}$ $\frac{16}{56} \approx 28{,}6\%$ . Наибольшая доля в воде. $\mathrm{SO_3}$ с наибольшим числом атомов кислорода не лидирует, потому что атом серы тяжёлый.

Типичные ошибки

Путать элемент и простое вещество: в выражении «в состав воды входит кислород» кислород — элемент, а не газ $\mathrm{O_2}$ .
Забывать индекс при расчёте массовой доли: в $\mathrm{H_2SO_4}$ $\omega(\mathrm{O}) = \frac{4 \cdot 16}{98}$ , а не $\frac{16}{98}$ .
Считать таяние льда или испарение воды химическим явлением, путать аллотропы с изотопами.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото