­­­­­­­­Лекция 2. Химические реакции

2.3. Химические расчеты

Важнейшим практическим следствием атомно-молекулярного учения явилась возможность проведения химических расчетов. Эти расчеты основаны на том, что состав индивидуальных веществ можно выразить химическими формулами, а взаимодействие между веществами происходит согласно химическим уравнениям.

Расчеты по формулам. Химическая формула может дать много сведений о веществе. Прежде всего, она показывает, из каких элементов состоит данное вещество и сколько атомов каждого элемента имеется в его молекуле. Затем она позволяет рассчитать ряд величин, характеризующих данное вещество. Укажем важнейшие из этих расчетов.

Молярную массу молекул вещества вычисляют по формуле как сумму молярных масс атомов, входящих в состав молекулы вещества. Молярную массу эквивалентов вещества вычисляют, исходя из его молярной массы. Молярная масса эквивалентов кислоты равна ее молярной массе, деленной на основность кислоты. Молярная масса эквивалентов основания равна его молярной массе, деленной на валентность металла, образующего основание. Молярная масса эквивалентов соли равна ее молярной массе, деленной на произведение валентности металла на число его атомов в молекуле.

Примеры

1. M(HNO₃) = 63 г/моль. Молярная масса эквивалентов 63/1 = 63 г/моль;

2. M(H₂SO₄) = 98 г/моль. Молярная масса эквивалентов 98/2 = 49 г/моль;

3. M(Са(ОН)₂) = 74 г/моль. Молярная масса эквивалентов 74/2 = 37 г/моль;

4. M(Al₂(SO₄)₃) = 342 г/моль. Молярная масса эквивалентов 342/(2∙3) = 57 г/моль.

Подобно молярной массе эквивалентов элемента, молярная масса эквивалентов сложного вещества может иметь несколько значений, если вещество способно вступать в реакции различного типа. Так, кислая соль NaHSO₄ может взаимодействовать с гидроксидом натрия или с гидроксидом бария:

NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + Н₂O,

NaHSO₄ + Ва(ОН)₂ = BaSO₄ + NaOH + H₂O.

Одно и то же количество соли реагирует в первом случае с одним молем основания, образованного одновалентным металлом (т.е. с одним эквивалентом основания), а во втором — с одним молем основания, образованного двухвалентным металлом (т.е. с двумя эквивалентами основания). Поэтому в первом случае молярная масса эквивалентов NaHSO₄ равна молярной массе соли (120 г/моль), а во втором — молярной массе, деленной на два (60 г/моль).

Массовые доли элементов в сложном веществе. Обычно элементный состав вещества выражают в массовых долях, выраженных в процентах. Вычислим, например, содержание магния в карбонате магния MgCO₃. Для этого подсчитаем молярную массу этого соединения. Она равна 24,3+12 + 3∙16 = 84,3 г/моль. Приняв эту величину за 100%, найдем содержание магния: х = 24,3∙100/84,3 = 28,8%. Масса 1 л газа при 25°С и давлении 100 кПа. Один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Следовательно, масса 1 л газа при тех же условиях равна молярной массе этого газа, деленной на 22,4.

Расчеты по уравнениям. Согласно атомно-молекулярному учению химическая реакция состоит в том, что частицы исходных веществ превращаются в частицы продуктов реакции. Зная состав частиц исходных веществ и продуктов реакции, можно выразить любую реакцию химическим уравнением. Написав уравнение реакции, уравнивают числа атомов в левой и правой его частях. При этом изменять формулы веществ нельзя. Уравнение достигается только правильным подбором коэффициентов, стоящих перед формулами исходных веществ и продуктов реакции.

Химические уравнения используют для выполнения различных расчетов, связанных с реакциями. Напомним, что каждая формула в уравнении химической реакции изображает один моль соответствующего вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ — участников реакции и коэффициенты в уравнении, можно найти количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию и образующимися в результате ее протекания.

Пример

2NaOH + H₂SО₄ = Na₂SО₄ + 2Н₂О

Реакция показывает, что два моля гидроксида натрия вступают во взаимодействие с одним молем серной кислоты и при этом образуется один моль сульфата натрия и два моля воды. Молярные массы участвующих в этой реакции веществ равны: M(NaOH) = 40 г/моль; M(H₂SО₄) = 98 г/моль; M(Na₂SО₄) = 142 г/моль; М(Н₂О) = 18 г/моль. Поэтому уравнение рассматриваемой реакции можно прочесть так: 80 г гидроксида натрия взаимодействуют с 98 г серной кислоты с образованием 142 г сульфата натрия и 36 г воды.

Контрольный вопрос:

Сколько получится оксида кальция при сгорании 20 г металлического кальция? Уравнение реакции горения:

2Ca+O₂=2CaO

Атомные массы: Ca - 40 г/моль, O - 16 г/моль 28

2.4. Степень окисления

Степень окисления – условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что все связи имеют ионный характер. Это означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе одну электронную пару, приобретает заряд -1, две электронных пары - заряд -2, и т.д. Степень окисления атома в простом веществе равна нулю, например: Na⁰, H₂⁰.

Для некоторых элементов степень окисления практически всегда может принимать только одно значение (кроме нулевой):

1. элементы I группы – “+1” (Na+, K+);

2. элементы II группы – чаще всего “+2” (Ca+2, Mg+2);

3. элементы VII группы – чаще всего “-1” (Cl⁻, Br⁻), однако есть исключения, например, H⁺Cl⁺⁷O^-24, H⁺Cl⁺O^-2;

4. некоторые элементы – Al⁺³, H⁺ (кроме органических соединений и гидридов (Na⁺H^-)), чаще всего О^-2 (кроме перекисных соединений H⁺₂O^-₂).

В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех элементов с учетом индексов всегда равна нулю. В случае иона, эта сумма будет равняться заряду иона.

Примеры

Контрольный вопрос:

Чему равна степень окисления Cr в бихромате калия K₂Cr₂O₇, если степень окисления кислорода в этом соединении такая же, как и в оксиде калия K2O 6