Тема 1.1. Раздел 1. Химия. Общая и неорганическая химия. Тема урока: «Основные понятия и законы химии»
план-конспект урока

Основные понятия химии

Химия – это наука, которая сопутствует нам, где бы мы не находились: дома, в офисе, на природе или в городе. Трудно переоценить ее вклад в нашу жизнь, необходимость понимания и знания основных понятий и законов химии.

Итак, какие же основные понятия и законы включает химия? Сначала дадим определение науке: Химия — наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении.

Основными в химии являются такие понятия, как атом, молекула, элемент, вещество, аллотропия и др.

У истока основных понятий химии стоит атомно-молекулярное учение, которое дает определение молекулы и атома:

Молекула

Это наименьшая частица определенного вещества, которая обладает его химическими свойствами. Состав и химическое строение молекулы определяют ее химические свойства. Все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов.

Атом

Это наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ, это электронейтральная частица, которая состоит из положительно заряженного ядра атома и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра.

Молекулы и атомы находятся в постоянном движении.

Химический элемент

В настоящее время известно 118 элементов, 89 из которых найдены в природе, остальные получены искусственно (см. Интересные факты о химических элементах). Что же такое Химический элемент? Это такой вид атомов, который имеет определенный заряд ядра и строение электронных оболочек.

Теперь рассмотрим строение атомного ядра и следующее основное понятие химии.

Атомное ядро

Атомное ядро состоит из  протонов (Z) и  нейтронов (N), имеет положительный заряд, равный по величине количеству протонов (или электронов в нейтральном атоме) и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице. Суммарная масса протонов и нейтронов атомного ядра называется массовым числом A = Z + N. Существуют химические элементы (изотопы), имеющие одинаковый заряд ядер, но при этом различные массовые числами, что достигается за счет разного числа нейтронов в ядре.

Вещество

Некая совокупность атомов и молекул, их ассоциатов и агрегатов, которые могут находиться в любом из трех агрегатных состояний, образуют вещество.

Простые вещества состоят из атомов одного вида, а сложные вещества (химические соединения)  состоят из атомов разного вида и образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов.

Аллотропия

Встречается явление, при котором один химический элемент может образовывать нескольких простых веществ, различных по свойствам и строению. Это явление называется Аллотропией. Аллотропные модификации характерны, например, для кислорода (O2 и O3), фосфора (белый, красный, черный фосфор), углерода (алмаз, графит), серы (моноклинная, ромбическая, пластическая), олова (белое, серое, ромбическое олово).

Химическая формула

В 1814 г Й. Берцелиус предложил использовать химическую формулу — запись состава веществ с помощью химических знаков и индексов.

Химическое вещество характеризуется атомной массой, а молекулы — молекулярной массой.

Относительная атомная масса (Ar) 

Это отношение средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома 12C.

Относительная молекулярная масса (Mr) 

Это величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12C. Относительная молекулярная масса вещества равна  сумме относительных атомных масс всех элементов, составляющих химическое соединение, с учетом индексов.

Моль вещества (n) 

Это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится их в 12 г изотопа углерода 12C.

Число структурных единиц, содержащихся в 1 моле вещества равно 6,02 • 1023.Эточисло называется числом Авогадро (NA)

Молярная масса (M) показывает массу 1 моля вещества и  равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.

M = m / n

Химический эквивалент

Для более удобного сравнения способности различных элементов к соединению введено понятие химического эквивалента. Это одно из важнейших понятий химии, дадим ему определение:

Химическим эквивалентом вещества (Э) называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Масса 1 эквивалента вещества называется эквивалентной массой (mэкв). Масса одного моля эквивалента элемента — это молярная масса эквивалента MЭ(X).

Молярную массу эквивалента химического элемента, простых и сложных веществ (Mэкв(X)) рассчитывают по формуле:

Мэкв(х) = M(X) / валентность

где M(X) – молярная масса; вал – суммарная валентность.

Например, молярная масса эквивалента алюминия составляет Mэкв(Са) = 40/2 = 20 г/моль.

Молярные массы эквивалента кислорода и водорода постоянны и составляют:

Mэкв(О) = 16/2=8г/моль,

МЭ(Н) = 1/1 = 1 г/моль.

Эквивалентную массу соединения можно определить по его химической формуле, например,

М экв(оксида) = М(оксида)/(число атомов кислорода ∙ 2);
М экв(основания) = М(основания)/число гидроксильных групп;
М экв(кислоты) = М(кислоты)/число протонов;
М экв(соли) = М(соли)/(число атомов металла ∙ валентность металла).

Пример, определим эквивалент (Э) и эквивалентную массу Мэкв (Х) фосфора, серы и брома в соединениях PHз, Н2S и HBr.

В PHз 1 моль атомов водорода соединяется с 1/3 моль фосфора, поэтому эквивалент фосфора равен Э(N) = 1/3 моль

В Н2S 1 моль атомов водорода соединяется с 1/2 моль серы, поэтому эквивалент серы равен Э(S) = 1/2 моль

В HBr 1 моль атомов водорода соединяется с 1 моль брома, поэтому эквивалент брома равен Э(Br) = 1 моль.

Найдем эквивалентные массы:

Мэкв (Р) = 31/3 = 10,33 г/моль;

Мэкв (S) = 32/2 = 16 г/моль;

Мэкв (Br) = 80/1 = 80 г/моль.

Аналогично можно дать определение понятию эквивалентный объем.

Эквивалентный объем – это тот объем, который при данных условиях занимает 1 эквивалент вещества. Так как эквивалент водорода равен 1 моль, а в 22,4 л Н2 содержатся 2 эквивалента водорода; тогда эквивалентный объем водорода равен 22,4/2=11,2 л/моль, для О2 эквивалентный объем равен 5,6 л/моль.

Определить эквивалент вещества можно также по его соединению с другим веществом, эквивалент которого известен.

Определить молярную массу эквивалента (эквивалентную массу) можно исходя из закона эквивалентов, который рассмотрен немного ниже.

Основные законы химии

Нижеперечисленные законы принято считать основными законами химии.

Закон эквивалентов

По закону эквивалентов химические элементы соединяются между собой или замещают друг друга в количествах, пропорциональных их молярным массам эквивалентов:

m1/m2=Мэкв1/ Мэкв2, где

где m1 и m2 — массы реагирующих или образующихся веществ, М экв1 и М экв2 — эквивалентные массы этих веществ.

Примеры расчета молярной массы эквивалента представлен в задачах 5-7 раздела Задачи к разделу Основные понятия и законы химии

Закон сохранения вещества 

В 1756 г. М.В. Ломоносов, после длительных испытаний, пришел к важному открытию:  вес всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу всех продуктов реакции.

Этот закон отражается в законе сохранения массы, который заключается в следующем: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Вещества не исчезают и не возникают из ничего, а происходит химическое превращение. Закон является основой при составлении химических реакций и количественных расчетов в химии.

Закон постоянства состава

В 1808 Ж. Пруст сформулировал закон, который гласит, что независимо от способа получения все индивидуальные вещества имеют постоянный количественный и качественный состав.

Закон кратных отношений

В 1803 г Д. Дальтон открыл закон, заключающийся в том, что если два химических элемента образуют несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа.

Закон объемных отношений

В 1808 г Гей-Люссак сформулировал закон, который гласил:

«Объемы газов, вступающих в химические реакции, и  объемы газов, являющихся продуктами реакции, соотносятся между собой как небольшие целые числа».

Газовые законы

Важную роль в развитии химической науки сыграли газовые законы (справедливы только для газов).

В 1811 г. Авогадро ди Кваренья (Закон Авогадро)  доказал, что- в равных объемах любых газов при постоянных условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул. В одинаковых условиях одно и то же число молекул занимают равные объемы, а 1 моль любого при T=273°К и p=101,3 кПа газа занимает объем 22,4 л, который называется молярным объемом газа (Vm).

Независимо друг от друг трое ученых вывели следующие законы:

закон Гей-Люссака при P = const: V1 / T1 = V2 / T2;

закон Бойля-Мариотта при Т= const: P1V1 = P2V2;

закон Шарля при V = const:P1 / T1 = P2 / T2

При объединении этих трех законов получаем:

P1V1 / T1 = P2V2 / T2

Если условия отличаются от нормальных, то применяют уравнение Клапейрона – Менделеева:

pV = nRT = (m/M)RT, где

p — давление газа, V — его объем, n — количество молей газа, R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль*К).

Количество газа при нормальных условиях рассчитывают по формуле:

n = V/Vm = V/22,4.

Плотность газов при заданных давлении и температуре прямо пропорциональна их молярной массе:

ρ = m/V = pM/(RT) = (p/RT)M.

Относительная плотность газов показывает, во сколько раз один газ тяжелее другого. Плотность газа В по газу А определяется следующим образом:

DA(B) = ρ(В)/ρ(А) = М(В)/М(А).

Это основные законы химии. В заключение приведем Закон парциальных давлений (закон Дальтона). Парциальное давление в смеси равно тому давлению газа, которым он обладал бы, если бы занимал такой же объем, какой занимает вся смесь при той же температуре. При условии, что в газовой смеси нет химического взаимодействия, общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в эту смесь:

pобщ=p1+p2+p3+…+pn

Состав газовых смесей может выражаться количеством вещества (n), массовыми (ωn),  объемными (φn) и молярными (χ) долями:

ωn=mn/m

φn=Vn/V

χ=ni/∑ni

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов.

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

27 - 13 = 14

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Вопросы

 Сколько протонов, электронов, нейтронов у брома, серы, хлора, калия, алюминия, железа, платины ?

  Вариант № 1

1. Выберите два высказывания, в которых говорится о фосфоре как о химическом элементе: 

1) Молекула фосфина состоит из трёх атомов водорода и одного атома фосфора

2) Фосфор входит в состав смеси, наносимой на стенку спичечной коробки

3) Фосфор имеет несколько аллотропных модификаций

4) Фосфор входит в состав растительных и животных белков

5) Чёрный фосфор обладает полупроводниковыми свойствами

2. Выберите два высказывания, в которых говорится о сере как о химическом элементе:

       1) Сера входит в состав некоторых аминокислот

2) Сера — это порошок жёлтого цвета, который не смачивается водой

3) Молекула сероводорода состоит из двух атомов водорода и одного атома серы

4) Сера не притягивается магнитом

5) Серу применяют для вулканизации каучука

3. Выберите два высказывания, в которых говорится о водороде как о химическом элементе:

        1) Водород входит в состав большинства органических соединений

2) Водород — самый лёгкий газ

3) Водородом заполняют воздушные шары

4) Водород содержится в вулканических газах

5) Молекула метана содержит четыре атома водорода

4. Выберите два высказывания, в которых говорится о хлоре как о химическом элементе:

       1) Хлор — жёлто-зелёный удушающий газ

2) Атомная масса хлора составляет 35,453 а. е. м.

3) Молекула соляной кислоты содержит один атом хлора

4) Хлор использовался как боевое отравляющее вещество

5) Хлор при попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани

5. Выберите два высказывания, в которых говорится о броме как о химическом элементе:

       1) Бром принадлежит к главной подгруппе VII группы — галогенам

2) Бром ядовит, при соприкосновении с кожей образуются ожоги

3) При обычных условиях бром — красно-бурая летучая жидкость с резким неприятным запахом

4) Бром используется для производства боевых отравляющих веществ

5) Препараты брома имеют солёный вкус и оказывают седативный и снотворный эффект

6. Выберите два высказывания, в которых говорится о галлии как о химическом элементе:

       1) Галлий — мягкий хрупкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком

2) Существование галлия было научно предсказано Д. И. Менделеевым

3) Чистый галлий плавится на руке человека

4) Галлием заполняют термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур

5) В состав полупроводниковых материалов часто входит галлий

  7. Выберите два высказывания, в которых говорится о селене как о химическом элементе:

       1) Селен — хрупкий блестящий на изломе неметалл чёрного цвета

2) Селен не способен гореть на воздухе самостоятельно

3) Селен входит в состав активного центра ферментов метаболизма нуклеиновых кислот, липидов, гормонов

4) Селен — аналог серы и проявляет степени окисления −2, +4 и +6

5) Селен в чистом виде широко использовался в середине 20-го века в военной технике

8. Выберите два высказывания, в которых говорится о натрии как о химическом элементе:

        1) Натрий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета

2) Натрий — шестой по распространённости в земной коре

3) Натрий под высоким давлением становится прозрачным и красным, как рубин

4) Натрий содержится в морской воде

5) Натрий широко используется в металлургии

         9 . Выберите два высказывания, в которых говорится о неоне как о химическом элементе:

        1) Неон принадлежит к VIIIА группе — инертным газам

2) Неон химически инертен

3) Неон — пятый по распространённости во Вселенной

4) Неон используют в качестве охладителя в криогенных установках

5) Французский изобретатель Жорж Клод создал газоразрядную лампу, заполненную неоном

10. Выберите два высказывания, в которых говорится об алюминии как о химическом элементе:

 1) Алюминий — лёгкий металл серебристо-белого цвета

2) Бокситы, в состав которых входит алюминий, являются важнейшей рудой, на которой базируется почти вся мировая алюминиевая промышленность

3) Алюминий легко реагирует с простыми веществами

4) Алюминий восстанавливает металлы из их оксидов (алюминотермия)

5) На данный момент не известно ни одно живое существо, использующее алюминий в метаболизме, — это

Вариант № 2

1. Выберите два высказывания, в которых говорится о иоде как о химическом элементе:

         1) Иод входит в скелетный белок губок

2) Иод — кристаллы чёрно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, легко образует фиолетовые пары

3) 5 %-ый спиртовой раствор иода используется для дезинфекции кожи вокруг раны

4) Иод используется в источниках света

5) Отсутствие или недостаток иода в рационе приводит к заболеваниям

2. Выберите два высказывания, в которых говорится о броме как о химическом элементе:

        1) Бром используется для производства боевых отравляющих веществ

2) Жидкий бром легко взаимодействует с золотом

3) Бром — тяжёлая едкая жидкость красно-бурого цвета с сильным неприятным «тяжёлым» запахом

4) Бром содержится в морской воде

5) Бром принадлежит к VIIA группе — галогенам

3. Выберите два высказывания, в которых говорится о хроме как о химическом элементе:

        1) Хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета

2) У атома хрома 6 валентных электронов

3) Хром устойчив на воздухе за счёт пассивирования

4) Хром — один из самых твёрдых чистых металлов

5) Хром входит в состав тканей растений и животных

4. Выберите два высказывания, в которых говорится об уране как о химическом элементе:

        1) Уран — тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл

2) Химически уран весьма активен

3) Уран относится к семейству актиноидов

4) Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе

5) Уран не имеет стабильных изотопов

5. Выберите два высказывания, в которых говорится о свинце как о химическом элементе:

        1) В алхимии свинец ассоциировался с планетой Сатурн

2) Свинец — металл серебристо-серого цвета с синеватым оттенком

3) Свинец очень ковкий и легко плавится

4) Свинец используется для защиты пациентов от излучения рентгеновских аппаратов

5) Свинец относится к группе тяжёлых металлов

6. Выберите два высказывания, в которых говорится о мышьяке как о химическом элементе:

         1) В пиротехнике реальгар, в состав которого входит мышьяк, употребляется для получения «греческого» огня или «индийского» (бенгальского) огня

2) Мышьяк химически активен

3) Мышьяк — зеленоватый полуметалл

4) У атома мышьяка пять валентных электронов

5) Мышьяк особой чистоты используется для синтеза полупроводниковых материалов

7. Выберите два высказывания, в которых говорится о сурьме как о химическом элементе:

        1) Сурьма растворима в «Царской водке»

2) Биологическая роль сурьмы не выяснена, хотя она постоянно присутствует в живых организмах

3) Сурьма имеет несколько аллотропных модификаций

4) Сурьма содержится во многих минералах

5) Сурьма легко реагирует с галогенами

8. Выберите два высказывания, в которых говорится об олове как о химическом элементе:

        1) «Оловянная чума» (переход олова из одной аллотропной модификации в другую) — одна из причин гибели экспедиции Скотта к Южному полюсу в 1912 году

2) Четырёхвалентное олово образует обширный класс оловоорганических соединений

3) Олово входит в состав красок, имитирующих позолоту («поталь»)

4) При комнатной температуре олово устойчиво к воздействию воздуха или воды

5) При нагревании олово реагирует с большинством неметаллов

9. Выберите два высказывания, в которых говорится о таллии как о химическом элементе:

        1) Нуклид таллий-210 используется в медицине для кардиологических исследований

2) Таллий — мягкий, чрезвычайно токсичный металл серебристо-белого цвета

3) На воздухе таллий быстро тускнеет, покрываясь чёрной плёнкой своего оксида

4) Таллий входит в состав средств для борьбы с грызунами в труднодоступных местах

5) Таллий имеет три аллотропные модификации

10 Выберите два высказывания, в которых говорится о золоте как о химическом элементе:

       1) Наиболее устойчивая степень окисления золота в соединениях +3

2) Золото входит в состав медицинских препаратов, применяемых при лечении аутоиммунных заболеваний

3) Золото — благородный металл жёлтого цвета

4) Золото высокопластично

5) Золото — один из самых инертных металлов