Основные химические понятия и физические величины

1. Основные законы химии

1.1. Основные химические понятия и физические величины

Большинство начальных химических понятий по определе­нию содержат признаки, характеризующие свойства веществ с количественной стороны. Вследствие этого они могут быть вы­ражены и описаны с помощью физических величин. Важнейшими физическими величинами, используемыми в химии, являются ко­личество вещества, масса, объем и другие, производные от них.

Количество вещества п - физическая величина, определяе­мая числом элементарных объектов (структурных единиц), из которых это вещество состоит. Под элементарными объектами понимают атомы, молекулы, ионы, электроны, любые условные части или фрагменты молекулы.

За единицу количества вещества принят моль, определяе­мый как количество вещества системы, содержащей столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг уг­лерода ¹²С. Эта величина является фундаментальной физической константой, называется постоянной Авогадро и обозначается N_A:

                                                           (1.1)

Численное значение N_A может быть установлено различны­ми способами и составляет 6,02*10²³ моль^-1. По определению, 1 моль любого вещества при любых условиях содержит одина­ковое число структурных единиц. Если вещество количеством 1 моль содержит постоянное и известное число элементарных объектов N, численно равное N_A, то для вещества количеством п моль число элементарных объектов может быть определено так

    N = n*N_A.                                                                       (1.2)

Для измерения массы в химии используются абсолютная и относительная шкалы. Важнейшим является также понятие «масса молярная».

Рекомендуемые материалы

В абсолютной шкале измеряют массу объекта любой величи­ны от атома до порции вещества (единица измерения в СИ - кг).

Относительную шкалу используют преимущественно в хи­мии и физике для выражения масс атомов и молекул. Она суще­ствует со времен Дальтона, причем за 200 лет единицы массы (эталоны) менялись несколько раз. В настоящее время в относи­тельной шкале за единицу массы принята 1/12 массы нуклида углерода ¹²С. Эта величина называется постоянной атомной массой и обозначается т_u. Она является фундаментальной физи­ческой константой, ее округленное численное значение в абсо­лютной шкале масс составляет 1,66*10^-27 кг.

Относительная атомная масса любого химического элемента (А_r) - это отношение массы его атома т_a (с учетом изотопного состава) к т_u или 1/12 массы углерода ^|2С. По аналогии с А_r, от­носительной молекулярной массой ( M_r ) вещества называется отношение массы молекулы m_f к т_u или 1/12 массы углерода ^|2С:

                                                           (1.3)

.                                             (1.4)

Численные значения А_r указаны в периодической системе элементов Д. И. Менделеева под символом каждого элемента как отношение масс, выраженных в одной шкале. А_r и М_r не имеют единиц величины. Относительная атомная масса рассчи­тывается как сумма масс всех атомов, составляющих молекулу (для веществ немолекулярного строения говорят о формульной массе).

Молярная масса (М) - важнейшая характеристика вещества на уровне порции, такая же, как А_r и М_r на уровне атомов и мо­лекул. По определению, это масса вещества количеством 1 моль и обозначается М, единица измерения в СИ - кг/моль. Молярная масса связывает две физические величины: абсолютную массу т и количество вещества п и показывает, какую массу имеет пор­ция вещества химическим количеством п.

Масса определенного количества вещества равна произведе­нию массы элементарного объекта то на число объектов N, т. е.

.                                                     (1.5)

Для любого вещества молярная масса (масса 1 моль) опре­деляется как произведение массы его элементарного объекта т₀ на число объектов, т. е. на N_A:

.                                                                    (1.6)

Из двух последних выражений следует:

                                                                   (1.7)

т. е. массу вещества легко определить, зная его количество.

В химии используются две шкалы масс. Решение, практиче­ски, любой задачи начинается с определения масс в относитель­ной шкале в соответствии с Периодической системой элементов Д. И. Менделеева, и по их значениям производят расчеты в аб­солютной шкале. Переход между шкалой относительной и абсо­лютной возможен потому, что численные значения масс совпа­дают. Масса 1 атома ¹²С в относительной шкале будет равна

                                            (1.8)

При выборе единицы количества вещества было принято во внимание число 12, выражающее относительную атомную массу углерода ¹²С, и в качестве единицы количества вещества уста­новлено содержание атомов в 12 г (точно) углерода ¹²С. Это и предопределяет совпадение масс в разных шкалах. Итак, масса 1 атома ¹²С в относительной шкале -12 (А_r = 12), масса 1 моль ¹²С в абсолютной шкале -12 г (М = 12 г/моль).

Это выводится математически. Выразим массу молекулы т некоторого вещества через значения М_r и М. Тогда масса, вы­раженная через относительную молекулярную массу, будет иметь вид:

                                               (1.9)

а выраженная через молярную массу - т = . С учетом  связь между атомной единицей массы и молярной массой можно представить в виде

.                                                            (1.10)

Приравняв значения масс, получим:

                                                                 (1.11)

.

Таким образом, определив по периодической системе эле­ментов численное значение массы структурной единицы веще­ства (атома или молекулы) в относительной шкале, мы находим массу 1 моль этого вещества в граммах, т. е. переходим в абсо­лютную шкалу.

В относительной шкале соотношения установлены между массами структурных единиц на уровне атома, молекулы. Для двух веществ, взятых в равных количествах (равных по числу структурных единиц), отношение между их массами в абсолют­ной шкале будет такое же, как между массами в относительной шкале, т. е. для веществ 1 и 2 выполняется равенство

                                                                                (1.12)

Вместе с этой лекцией читают "4 Физико-химические основы производства двойного суперфосфата. Химизм процесса".

Объем - физическая величина, особенно существенная для характеристики веществ в газообразном состоянии, обозначается V, единица измерения в СИ - м³.

В расчетных задачах широко используется величина, связы­вающая объем с количеством вещества, - молярный объем V_m. Это объем газа или паров вещества, взятого в количестве 1 моль при р₁Т= const, т.е.

.                                                                             (1.13)

При нормальных условиях (н. у.) молярный объем газов принимается равным V_m = 22,4*10^-3 м³/моль.

Итак, рассмотренные физические величины и константы А_r, М_r, m, n, M, V, V_m, N, N_A связаны между собой определенными количественными отношениями: численные значения М_r и М совпадают, т. е. Мr*1 г/моль = М.

Эти определяющие уравнения и производные от них служат основой для расчетов.