Розділ 1 підготовка до опрацювання теоретичного матеріалу

1. Основні поняття та стехіометричні закони хімії

Значення розділу. При вивченні дисципліни «Хімія» формування системи знань починається з розгляду основних хімічних понять та стехіометричних законів. Опанування наступних тем курсу відбувається з опорою на основні поняття. Наприклад, при розгляді теми «Основи теорії будови речовини» використовуються як опорні і набувають подальшого розвитку такі поняття, як: «атом», «молекула», «речовина» тощо. На стехіометричних законах ґрунтується проведення типових хімічних розрахунків. Таким чином, засвоєння зазначених понять і законів є умовою успішного опанування курсу в цілому. Саме тому дуже важливо зрозуміти і вивчити навчальний матеріал цієї теми.

Цілі вивчення розділу:

- повторення та закріплення основних хімічних понять: «хімічний елемент», «речовина», «хімічна реакція» та понять, пов’язаних з ними;

- повторення і поглиблення знань основних законів хімії;

- повторення і закріплення вмінь проводити типові розрахунки за формулою та рівнянням хімічної реакції;

- формування понять: «еквівалент», «молярна маса еквівалента»; вивчення закону еквівалентів;

- формування вмінь проводити розрахунки за законом еквівалентів.

Результати вивчення розділу

Необхідно знати:

1 Основні хімічні поняття: «хімічний елемент», «речовина», «хімічна реакція», а також пов’язані з ними – «атом», «молекула», «йон», «алотропія», «проста речовина», «складна речовина», «дальтоніди», «бертоліди», «хімічна формула», «хімічна реакція», «еквівалент»; правила номенклатури неорганічних сполук.

2 Величини, що широко використовуються в хімії: відносна атомна маса, відносна молекулярна маса, густина, відносна густина, молярна маса, кількість речовини, молярний об’єм, стала Авогадро.

3 Закони: збереження маси речовин, сталості складу, Авогадро, об’ємних співвідношень, еквівалентів, об’єднаний закон газового стану.

Необхідно вміти:

1 Розрізняти прості і складні речовини, визначати належність речовини до певного класу, складати хімічні формули простих та складних речовин, визначати еквіваленти елементів у сполуці та еквіваленти сполук, пояснювати, що показує хімічна формула, розставляти коефіцієнти в рівняннях хімічних реакцій, визначати їх тип за ознакою числа та складу реагентів і продуктів.

2 Розраховувати відносну молекулярну масу, проводити типові розрахунки за хімічною формулою, розраховувати молярну масу еквівалента; розраховувати молярну масу газоподібних сполук.

3 Проводити типові розрахунки за рівнянням хімічної реакції, за законами Авогадро, об’ємних співвідношень, еквівалентів.

Література для підготовки теоретичного матеріалу

Опрацювати розділ 1 підручника [6] та 1.1 посібника [3].

План вивчення розділу

1 Основні хімічні поняття: визначення, приклади.

2 Фізико-хімічні величини: позначення, визначення, розмірність, розрахункова формула.

3 Стехіометричні закони.

4 Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань.

5 Завдання для самоперевірки.

2. Приклади розв’язання типових задач і виконання завдань до розділу Основні поняття та стехіометричні закони хімії

Приклад 1 Розрахуйте відносну масу формульної одиниці Al₂(SO₄)₃.

Розв’язання:

.

Оскільки чисельне значення , виражене в г/моль, чисельно збігається із значенням , то

г/моль.

Приклад 2 Визначте масу молекули води.

Розв’язання:

.

Приклад 3 Визначте масу молекули води, не використовуючи значення а. о. м.

Розв’язання. Молярна маса води (M(H₂O)) дорівнює 18 г/моль. Використовуючи значення молярної маси і відомості про число молекул, що містяться в 1 молі речовини, розраховуємо абсолютну масу молекули H₂O:

.

Приклад 4 Маса зразка азоту становить 14 г. Обчислити: а) кількість речовини азоту; б) об’єм, який займає азот за нормальних умов (н. у.); в) кількість молекул і атомів, що містяться у зразку азоту зазначеної маси.

Розв’язання: а) розраховуємо кількість речовини азоту:

б) розраховуємо об’єм, який зразок азоту займає за н. у.:

перший спосіб:

другий спосіб: прирівнявши

,

знаходимо

в) розраховуємо кількість молекул азоту:

Розраховуємо кількість атомів Нітрогену, врахувавши, що одна молекула складається з двох атомів. Отже, в 3,01^.10²³ молекул азоту міститься 6,02^.10²³ атомів Нітрогену.

Приклад 5 Який об’єм займають 10 г ртуті, якщо густина ртуті при 298 К дорівнює ?

Розв’язання:

Приклад 6 Визначте молярну масу газу, якщо його густина за повітрям становить 2.

Розв’язання:

Приклад 7 Розрахуйте: а) еквівалент і б) молярну масу еквівалента хімічного елемента Фосфору в сполуках та

Розв’язання: а) ,

де z(X) число еквівалентності, що дорівнює валентності хімічного елемента у сполуці.

; .

б) ,

де - молярна маса хімічного елемента.

,

.

Приклад 8 Розрахуйте: а) еквівалент і б) молярну масу еквівалента оксиду -

Розв’язання: а) ,

де - число еквівалентності оксиду, що дорівнює добутку валентності хімічного елемента ( ) та кількості його атомів ( ) у сполуці:

;

б) перший спосіб:

,

де - молярна маса оксиду .

;

другий спосіб:

,

.

Приклад 9 Розрахуйте: а) еквівалент і б)молярну масу еквівалента амфотерного гідроксиду - .

Розв’язання: а) ,

де - число еквівалентності , що дорівнює кислотності (кількості гідроксогруп) гідроксиду:

;

б) перший спосіб:

,

де - молярна маса формульної одиниці амфотерного гідроксиду.

;

другий спосіб:

де Х та 1 - цифрові значення зарядів йонів, яким дорівнюють числа еквівалентності йонів.

.

Зауважимо, що аналогічний спосіб розрахунку використовується для основ.

Приклад 10 Розрахуйте: а) еквівалент і б) молярну масу еквівалента кислоти - .

Розв’язання: а) ;

де - число еквівалентності, що дорівнює основності (як правило, кількості атомів Гідрогену) кислоти:

,

б) перший спосіб:

,

де - молярна маса кислоти.

другий спосіб:

де Х та 1 - цифрові значення зарядів йонів, яким дорівнюють числа еквівалентності йонів.

Приклад 11 Розрахуйте: а) еквівалент і б) молярну масу еквівалента солі.

Розв’язання: а)

де - число еквівалентності солі, що дорівнює добутку валентності (заряду) на кількість атомів (йонів) металічного елемента (або йону амонію для амонійних солей):

б) перший спосіб: ,

де - молярна маса формульної одиниці солі.

другий спосіб:

де Х та Y - цифрові значення зарядів йонів, яким дорівнюють числа еквівалентності йонів.

Приклад 12 Розрахуйте еквівалентний об’єм газів – кисню та водню.

Розв’язання. У розрахунках за законом еквівалентів найчастіше використовуються значення еквівалентних об’ємів кисню та водню, їх розраховують так:

,

.

Приклад 13 Розрахуйте еквіваленти та молярні маси еквівалентів реагентів за рівнянням реакції:

а) ;

б) .

Розв’язання: а) в обмінній реакції еквівалент реагенту визначають за стехіометричним співвідношенням речовин. 1 моль взаємодіє з 2 молями катіонів Гідрогену одноосновної кислоти . Отже, на один моль катіонів припадає 1/2 моля амфотерного гідроксиду , тому еквівалент в цій реакції дорівнює 1/2, а еквівалент – 1. Розраховуємо молярну масу еквівалентів реагентів:

б) на 1 моль двокислотної основи витрачається 2 молі катіонів Гідрогену. Отже, на 1 моль припадає 1/2 моль . З іншого боку, в 1 молі фосфатної кислоти відбувається заміщення 2 молів катіона Гідрогену, тобто на 1 моль припадає 1/2 моль , що вступає в реакцію. Тому еквіваленти та в цій реакції однакові і становлять 1/2. Розраховуємо молярну масу еквівалентів реагуючих речовин:

Приклад 14 Об’єм газу при 23⁰С і тиску 103,3 кПа дорівнює 250 л. Визначте об’єм газу за: а) нормальних умов; б) стандартних умов (ст. у.)?

Розв’язання: а) за рівнянням об’єднаного закону газового стану розраховуємо об’єм газу за н. у.:

б) стандартні умови: T₀=298 K (t₀=25⁰С); Р₀=101,3 кПа. За рівнянням об’єднаного закону газового стану розраховуємо об’єм газу за ст. у.:

Приклад 15 Об’єм H₂S, виміряний при t=17⁰C та тиску 98,64 кПа, становить 1,8 л. Розрахуйте густину H₂S за н. у. і за зазначених умов.

Розв’язання. Задачі такого типу зручніше розв’язувати за рівнянням Менделєєва-Клапейрона, обов’язково беручи до уваги необхідність застосування відповідних одиниць вимірювання. Оскільки ми обираємо величину універсальної газової сталої , то слід попередньо перевести й усі вихідні дані у міжнародні одиниці вимірювання СІ. Маємо: температура , тиск , об’єм , а маса, яку знайдемо внаслідок обчислень, буде виражатися у кг.

Тепер розраховуємо масу H₂S :

Розраховуємо густину H₂S за н. у.:

Розраховуємо густину H₂S за зазначених умов:

Розрахунок густини H₂S можна також провести, використовуючи рівняння Менделєєва-Клапейрона:

Приклад 16 Який об’єм займатиме амоніак, якщо відомо, що об’єм водню, який з ним прореагував, становить 450 м³ . Об’єми газів виміряні за однакових умов.

Розв’язання. Складаємо рівняння хімічної реакції:

За рівнянням реакції визначаємо об`ємні співвідношення газів у реакції:

.

Отже, об’єм утвореного амоніаку в 1,5 раза менший за об’єм водню. Розраховуємо об’єм утвореного амоніаку:

.

Приклад 17 Розрахуйте, яка кількість фосфор(V) оксиду утвориться при горінні 8 молів фосфору у надлишку кисню.

Алгоритм 1 Знаходження маси (об’єму, кількості) однієї із взаємодіючих речовин за відомою масою (об’ємом, кількістю) іншої речовини (відома кількість однієї речовини n₁ → невідома кількість іншої речовини n₂).

1. Складаємо рівняння хімічної реакції.

1. Встановлюємо речовину, кількість якої відома, і речовину, кількість якої необхідно розрахувати. Підкреслюємо формули цих речовин у рівнянні хімічної реакції.

2. Під формулами речовин, які встановили, записуємо їх кількості (кількості цих речовин збігаються з коефіцієнтами, які стоять перед їх формулами у рівнянні хімічної реакції).

3. Над формулою однієї речовини (кількість якої відома за умовою) записуємо її кількість, а над формулою іншої речовини (кількість якої необхідно знайти) записуємо х.

4. Складаємо пропорцію і визначаємо х.

Розв’язання:

8моль		х моль
4 моль		2 моль

5 Складаємо пропорцію і визначаємо х.

8 моль	утворює	х моль
4 моль	утворює	2 моль

Приклад 18 Розрахуйте, яка маса фосфор(V) оксиду утвориться при горінні 248 г фосфору у надлишку кисню.

Алгоритм 2 Знаходження маси (об’єму, кількості) однієї із взаємодіючих речовин за відомою масою(об’ємом, кількістю) іншої речовини (відома маса однієї речовини m₁ → невідома маса іншої речовини m ₂)_.

1. За формулою знаходимо кількість речовини, маса якої дана за умовою задачі.

2. Виконуємо дії за алгоритмом 1.

3. За формулою розраховуємо масу речовини, яка була невідома.

Розв’язання: 1 Знаходимо кількість речовини, маса якої дана за умовою задачі:

2 Виконуємо дії за алгоритмом 1:

8моль		х моль
4 моль		2 моль

8 моль	утворює	х моль
4 моль	утворює	2 моль

Розраховуємо масу речовини, яка була невідома:

Приклад 19 При взаємодії 1,215 г невідомого металу з сульфатною кислотою виділяється 1,12 л водню (н. у.). Розрахуйте молярну масу еквівалента металу і визначте метал.

Розв’язання. За законом еквівалентів розраховуємо молярну масу еквівалента металу:

За формулою:

;

де - число еквівалентності металу, що дорівнює його валентності у сполуці. Розраховуємо молярну масу металу, підставляючи можливі значення його валентності. Припустимо, що валентність металу дорівнює І, тоді . Оскільки числове значення молярної маси збігається із значенням відносної атомної маси, шукаємо у періодичній системі хімічних елементів одновалентний метал зі значенням . Такий метал не існує. Припустимо, що валентність металу дорівнює ІІ, тоді

.

Отже, шукаємо у періодичній системі хімічних елементів двохвалентний метал зі значенням . Таким металом є магній .

Зауважимо, що під час розв’язування подібних задач, необхідно послідовно підставляти можливі значення валентності елементу (від І до VIII) доки не буде визначено хімічний елемент.

Приклад 20 З оксиду металу масою 0,54 г можна одержати нітрат цього металу масою 1,26 г. Розрахуйте молярну масу еквівалента металу і визначте метал.

Розв’язання. За законом еквівалентів:

Молярну масу еквівалента оксиду металу подаємо так:

а молярну масу еквівалента нітрату металу подаємо так:

.

Підставляючи подані значення молярних мас еквівалентів оксиду та нітрату металу у перше рівняння, отримуємо

Послідовно підставляючи можливі значення валентності металу, знаходимо, що коли , де - валентність металу, то

Оскільки числове значення молярної маси збігається із значенням відносної атомної маси, то . У періодичній системі хімічних елементів знаходимо метал із таким значенням відносної атомної маси. Цей метал – цинк .