В статье рассматривается такое понятие, как массовая доля. Приводятся способы ее вычисления. Также описаны определения сходных по звучанию, но отличных по физическому смыслу величин. Это массовые доли для элемента и выхода.
Колыбель жизни - раствор
Вода - источник жизни на нашей прекрасной голубой планете. Это выражение можно встретить довольно часто. Однако мало кто, кроме специалистов, задумывается: на самом деле субстратом для развития первых биологических систем стал раствор веществ, а не химически чистая вода. Наверняка в популярной литературе или передаче читатель встречал выражение «первичный бульон».
Об источниках, давших толчок развитию жизни в виде сложных органических молекул, до сих пор спорят. Некоторые даже предполагают не просто естественное и весьма удачное стечение обстоятельств, а космическое вмешательство. Причем речь идет вовсе не о мифических пришельцах, а о специфических условиях для создания этих молекул, которые могут существовать только на поверхности малых космических тел, лишенных атмосферы, - кометах и астероидах. Таким образом, было бы правильнее говорить, что раствор органических молекул - колыбель всего живого.
Вода как химически чистое вещество
Несмотря на огромные соленые океаны и моря, пресные озера и реки, в химически чистом виде вода встречается крайне редко, в основном в специальных лабораториях. Напомним, в отечественной научной традиции химически чистое вещество - это субстанция, которая содержит не более десяти в минус шестой степени массовой доли примесей.
Получение абсолютно свободной от посторонних компонентов массы требует невероятных затрат и редко себя оправдывает. Применяется только в отдельных производствах, где даже один посторонний атом может испортить эксперимент. Отметим, что полупроводниковые элементы, которые составляют основу сегодняшней миниатюрной техники (в том числе смартфоны и планшеты), к примесям очень чувствительны. В их создании как раз и нужны совершенно незагрязненные растворители. Однако по сравнению со всей жидкостью планеты это ничтожно мало. Как же так получается, что распространенная, пронизывающая нашу планету насквозь вода так редко встречается в чистом виде? Объясним чуть ниже.
Идеальный растворитель
Ответ на поставленный в предыдущем разделе вопрос невероятно прост. Вода имеет полярные молекулы. Это значит, что в каждой мельчайше частице этой жидкости положительный и отрицательный полюсы не намного, но разнесены. При этом структуры, возникающие даже в жидкой воде, создают дополнительные (так называемые водородные) связи. И в общей сложности это дает следующий результат. Попадающее в воду вещество (не важно, какой заряд оно имеет) растаскивается молекулами жидкости. Каждая частичка растворенной примеси обволакивается либо отрицательными, либо положительными сторонами молекул воды. Таким образом, эта уникальная жидкость способна растворять очень большое количество самых разнообразных веществ.
Понятие массовой доли в растворе
Получающийся раствор содержит некоторую часть примеси, имеющей название "массовая доля". Хотя такое выражение встречается не часто. Обычно используется другой термин - "концентрация". Массовая доля определяется конкретным соотношением. Формульное выражение приводить не будем, оно достаточно простое, объясним лучше физический смысл. Это соотношение двух масс - примеси к раствору. Массовая доля - величина безразмерная. Выражается по-разному в зависимости от конкретных задач. То есть в долях единицы, если в формуле есть только соотношение масс, и в процентах - если результат умножается на 100%.
Растворимость
Помимо Н 2 О применяются и другие растворители. Кроме того, есть вещества, которые принципиально не отдают свои молекулы воде. Зато с легкостью растворяются в бензине или горячей серной кислоте.
Существуют специальные таблицы, которые показывают, сколько того или иного материала останется в жидкости. Этот показатель называется растворимостью, и он зависит от температуры. Чем она выше, тем активнее двигаются атомы или молекулы растворителя, и тем больше примеси он способен поглотить.
Варианты определения доли растворенного вещества в растворе
Так как задачи у химиков и технологов, а также инженеров и физиков могут быть разными, часть растворенного вещества в воде определяется по-разному. Объемная доля вычисляется как объем примеси к общему объему раствора. Используется другой параметр, однако принцип остается тем же.
Объемная доля сохраняет безразмерность, выражаясь либо в долях единицы, либо в процентах. Молярность (по-другому еще называется "молярная объемная концентрация") - это число молей растворенного вещества в заданном объеме раствора. В этом определении участвуют уже два различных параметра одной системы, и размерность у данной величины другая. Она выражается в молях на литр. На всякий случай напомним, что моль - это количество вещества, содержащего примерно десять в двадцать третьей степени молекул или атомов.
Понятие массовой доли элемента
Эта величина имеет лишь косвенное отношение к растворам. Массовая доля элемента отличается от рассмотренного выше понятия. Любое сложное химическое соединение состоит из двух или более элементов. Каждый обладает своей относительной массой. Эту величину можно найти в химической системе Менделеева. Там она указана в нецелых числах, но для приблизительных задач значение можно округлить. В состав сложного вещества входит определенное количество атомов каждого вида. Например, в воде (Н 2 О) два атома водорода и один кислорода. Соотношение между относительной массой всего вещества и данного элемента в процентах и будет составлять массовую долю элемента.
Для неискушенного читателя эти два понятия могут показаться близкими. И достаточно часто их путают между собой. Массовая доля выхода относится не к растворам, а к реакциям. Любой химический процесс всегда протекает с получением конкретных продуктов. Их выход рассчитывается по формулам в зависимости от реагирующих веществ и условий процесса. В отличие от просто массовой доли, эту величину не так просто определить. Теоретические расчеты предлагают максимально возможное количество вещества продукта реакции. Однако практика всегда дает немного меньшее значение. Причины такого расхождения кроются в распределении энергий среди даже сильно нагретых молекул.
Таким образом, всегда найдутся наиболее «холодные» частицы, которые не смогут вступить в реакцию и останутся в первоначальном состоянии. Физический смысл массовой доли выхода состоит в том, какой процент составляет реально полученное вещество от теоретически рассчитанного. Формула невероятно проста. Масса практически полученного продукта делится на массу практически рассчитанного, все выражение умножается на сто процентов. Массовая доля выхода определяется по количеству молей реагирующего вещества. Не стоит забывать об этом. Дело в том, что один моль вещества - определенное количество его атомов или молекул. По закону сохранения вещества из двадцати молекул воды не может получиться тридцать молекул серной кислоты, поэтому задачи вычисляются именно так. Из количества молей исходного компонента выводят массу, которая теоретически возможна для результата. Затем, зная, сколько продукта реакции на самом деле было получено, по описанной выше формуле определяют массовую долю выхода.
1. Заполните пропуски в предложениях.
а) В математике "доля" - это отношенеи части к целому. Для расчета массовой доли элемента нужно его относительную атомную массу умножить на число атомов данного элемента в формуле и разделить на относительную молекулярную массу вещества.
б) Сумма массовых долей всех элементов, входящих в состав вещества, равна 1 или 100 %.
2. Запишите математические формулы для нахождения массовых долей элементов, если:
а) формула вещества - P 2 O 5 , M r = 2*31+5*16=142
w(P) = 2*31/132 *100% = 44%
w(O) = 5*16/142*100% = 56% или w(O) = 100-44=56.
б) формула вещства - A x B y
w(A) = Ar(A)*x/Mr(AxBy) * 100%
w(B) = Ar(B)*y / Mr(AxBy) *100%
3. Рассчитывайте массовые доли элементов:
а) в метане (СН 4)
б) в карбонате натрия (Na 2 CO 3)
4. Сравните массовые доли указанных элементов в веществах и поставьте знак <, > или = :
5. В соединении кремния с водородом массовая доля кремния равна 87,5%, водорода 12,5%. Относительная молекулярная масса вещества равна 32. Определите формулу этого соединения.
6. Массовые доли элементов в соединении отражены в диаграмме:
Определите формулу этого вещества, если известно, что его относительная молекулярная масса равна 100.
7. Этилен является природным стимулятором созревания плодов: его накопление в плодах ускоряет их созревание. Чем раньше начинается накопление этилена, тем раньше созревают плоды. Поэтому этилен используют для искусственного ускорения созревания плодов. Выведите формулу этилена, если известно, что массовая доля углерода составляет 85,7%, массовая доля водорода -14,3%. Относительная молекулярная масса этого вещства равна 28.
8. Выведите химическую формулу вещества, если известно, что
а) w(Ca) = 36%, w(Cl) = 64%
б) w(Na) 29,1%, w(S) = 40,5%, w(O) = 30,4%.
9. Ляпис обладает противомикробными свойствами. Раньшего его применяли для прижигания бородавок. В небльших концентрациях он действует как противовоспалительное и вяжущее вредство, но может вызвать ожоги. Выведите формулу ляписа, если известно, что в его состав входит 63,53% серебра, 8,24% азота, 28,23% кислорода.
Доли растворенного вещества
ω = m1 / m,
где m1 – масса растворенного вещества, а m – масса всего раствора.
Если массовой доли растворенного вещества нужно , умножьте полученное число на 100%:
ω = m1 / m х 100%
В задачах, где нужно вычислить массовые доли каждого из элементов, входящих в химического вещества, используйте таблицу Д.И. Менделеева. Например, узнайте массовые доли каждого из элементов, входящих в состав углеводорода, которого C6H12
m (C6H12) = 6 х 12 + 12 х 1= 84 г/моль
ω (С) = 6 m1(С) / m (C6H12) х 100% = 6 х 12 г / 84 г/моль х 100% = 85%
ω (Н) = 12 m1(Н) / m (C6H12) х 100% = 12 х 1 г / 84 г/моль х 100% = 15%
Полезный совет
Задачи на нахождение массовой доли вещества после упаривания, разбавления, концентрирования, смешивания растворов решайте с помощью формул, полученных из определения массовой доли. Например, задачу на упаривание можно решить с помощью такой формулы
ω 2= m1 / (m – Dm) = (ω 1 m) / (m – Dm), где ω 2 – массовая доля вещества в упаренном растворе, Dm - разница между массами до нагревания и после.
Источники:
- как определить массовую долю вещества
Бывают ситуации, когда необходимо вычислить массу жидкости , содержащейся в какой-либо емкости. Это может быть и во время учебного занятия в лаборатории, и в ходе решения бытовой проблемы, например, при ремонте или покраске.
Инструкция
Самый простой метод – прибегнуть к взвешиванию. Сначала взвесьте емкость вместе с , потом перелейте жидкость в другую емкость, подходящую по размерам, и взвесьте пустую тару. А затем остается лишь вычесть из большего значения меньшее, и вы получите . Разумеется, к этому способу можно прибегать, только имея дело с невязкими жидкостями, которые после перелива практически не остаются на стенках и днище первой емкости. То есть, -то количество и тогда останется, но оно будет настолько мало, что им можно пренебречь, на точности вычислений это почти не отразится.
А если жидкость вязкая, например, ? Как тогда ее массу ? В этом случае вам надо знать ее плотность (ρ) и занимаемый объем (V). А дальше уже все элементарно. Масса (М) вычисляется по М = ρV. Разумеется, перед вычислением надо перевести сомножители в единую систему единиц.
Плотность жидкости можно найти в физическом или химическом справочнике. Но лучше воспользоваться измерительным прибором – плотномером (денситометром). А объем можно вычислить, зная форму и габаритные размеры емкости (если она имеет правильную геометрическую форму). Например, если тот же глицерин находится в цилиндрической бочке с диаметром основания d и высотой h, то объем
Раствором называют гомогенную смесь двух или более компонентов.
Вещества, смешением которых получен раствор, называют его компонентами .
Среди компонентов раствора различают растворенное вещество , которое может быть не одно, и растворитель . Например, в случае раствора сахара в воде сахар является растворенным веществом, а вода является растворителем.
Иногда понятие растворитель может быть применимо в равной степени к любому из компонентов. Например, это касается тех растворов, которые получены смешением двух или более жидкостей, идеально растворимых друг в друге. Так, в частности, в растворе, состоящем из спирта и воды, растворителем может быть назван как спирт, так и вода. Однако чаще всего в отношении водосодержащих растворов традиционно растворителем принято называть воду, а растворенным веществом — второй компонент.
В качестве количественной характеристики состава раствора чаще всего используют такое понятие, как массовая доля вещества в растворе. Массовой долей вещества называют отношение массы этого вещества к массе раствора, в котором оно содержится:
где ω (в-ва) – массовая доля вещества, содержащегося в растворе (г), m (в-ва) – масса вещества, содержащегося в растворе (г), m(р-ра) – масса раствора (г).
Из формулы (1) следует, что массовая доля может принимать значения от 0 до 1, то есть составляет доли единицы. В связи с этим массовую долю можно также выражать в процентах (%), причем именно в таком формате она фигурирует практически во всех задачах. Массовая доля, выраженная в процентах, рассчитывается по формуле, схожей с формулой (1) с той лишь разницей, что отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора умножают на 100%:
Для раствора, состоящего только из двух компонентов, могут быть соответственно рассчитаны массовые доли растворенного вещества ω(р.в.) и массовая доля растворителя ω(растворителя).
Массовую долю растворенного вещества называют также концентрацией раствора .
Для двухкомпонентного раствора его масса складывается из масс растворенного вещества и растворителя:
Также в случае двухкомпонентного раствора сумма массовых долей растворенного вещества и растворителя всегда составляет 100%:
Очевидно, что, помимо записанных выше формул, следует знать и все те формулы, которые напрямую из них математически выводятся. Например:
Также необходимо помнить формулу, связывающую массу, объем и плотность вещества:
m = ρ∙V
а также обязательно нужно знать, что плотность воды равна 1 г/мл. По этой причине объем воды в миллилитрах численно равен массе воды в граммах. Например, 10 мл воды имеют массу 10 г, 200 мл — 200 г и т.д.
Для того чтобы успешно решать задачи, помимо знания указанных выше формул, крайне важно довести до автоматизма навыки их применения. Достичь этого можно только прорешиванием большого количества разнообразных задач. Задачи из реальных экзаменов ЕГЭ на тему «Расчеты с использованием понятия «массовая доля вещества в растворе»» можно порешать .
Примеры задач на растворы
Пример 1
Рассчитайте массовую долю нитрата калия в растворе, полученном смешением 5 г соли и 20 г воды.
Решение:
Растворенным веществом в нашем случае является нитрат калия, а растворителем — вода. Поэтому формулы (2) и (3) могут быть записаны соответственно как:
Из условия m(KNO 3) = 5 г, а m(Н 2 O) = 20 г, следовательно:
Пример 2
Какую массу воды необходимо добавить к 20 г глюкозы для получения 10%-ного раствора глюкозы.
Решение:
Из условий задачи следует, что растворенным веществом является глюкоза, а растворителем — вода. Тогда формула (4) может быть записана в нашем случае так:
Из условия мы знаем массовую долю (концентрацию) глюкозы и саму массу глюкозы. Обозначив массу воды как x г, мы можем записать на основе формулы выше следующее равносильное ей уравнение:
Решая это уравнение находим x:
т.е. m(H 2 O) = x г = 180 г
Ответ: m(H 2 O) = 180 г
Пример 3
150 г 15%-ного раствора хлорида натрия смешали со 100 г 20%-ного раствора этой же соли. Какова массовая доля соли в полученном растворе? Ответ укажите с точностью до целых.
Решение:
Для решения задач на приготовление растворов удобно использовать следующую таблицу:
1-й раствор |
2-й раствор |
3-й раствор |
|
m р.в. |
|||
m р-ра |
|||
ω р.в. |
где m р.в. , m р-ра и ω р.в. — значения массы растворенного вещества, массы раствора и массовой доли растворенного вещества соответственно, индивидуальные для каждого из растворов.
Из условия мы знаем, что:
m (1) р-ра = 150 г,
ω (1) р.в. = 15%,
m (2) р-ра = 100 г,
ω (1) р.в. = 20%,
Вставим все эти значения в таблицу, получим:
Нам следует вспомнить следующие формулы, необходимые для расчетов:
ω р.в. = 100% ∙ m р.в. /m р-ра, m р.в. = m р-ра ∙ ω р.в. /100% , m р-ра = 100% ∙ m р.в. /ω р.в.
Начинаем заполнять таблицу.
Если в строчке или столбце отсутствует только одно значение, то его можно посчитать. Исключение — строчка с ω р.в. , зная значения в двух ее ячейках, значение в третьей рассчитать нельзя.
В первом столбце отсутствует значение только в одной ячейке. Значит мы можем рассчитать его:
m (1) р.в. = m (1) р-ра ∙ ω (1) р.в. /100% = 150 г ∙ 15%/100% = 22,5 г
Аналогично у нас известны значения в двух ячейках второго столбца, значит:
m (2) р.в. = m (2) р-ра ∙ ω (2) р.в. /100% = 100 г ∙ 20%/100% = 20 г
Внесем рассчитанные значения в таблицу:
Теперь у нас стали известны два значения в первой строке и два значения во второй строке. Значит мы можем рассчитать недостающие значения (m (3)р.в. и m (3)р-ра):
m (3)р.в. = m (1)р.в. + m (2)р.в. = 22,5 г + 20 г = 42,5 г
m (3)р-ра = m (1)р-ра + m (2)р-ра = 150 г + 100 г = 250 г.
Внесем рассчитанные значения в таблицу, получим:
Вот теперь мы вплотную подобрались к расчету искомой величины ω (3)р.в. . В столбце, где она расположена, известно содержимое двух других ячеек, значит мы можем ее рассчитать:
ω (3)р.в. = 100% ∙ m (3)р.в. /m (3)р-ра = 100% ∙ 42,5 г/250 г = 17%
Пример 4
К 200 г 15%-ного раствора хлорида натрия добавили 50 мл воды. Какова массовая доля соли в полученном растворе. Ответ укажите с точностью до сотых _______%
Решение:
Прежде всего следует обратить внимание на то, что вместо массы добавленной воды, нам дан ее объем. Рассчитаем ее массу, зная, что плотность воды равна 1 г/мл:
m доб. (H 2 O) = V доб. (H 2 O) ∙ ρ (H 2 O) = 50 мл ∙ 1 г/мл = 50 г
Если рассматривать воду как 0%-ный раствор хлорида натрия, содержащий соответственно 0 г хлорида натрия, задачу можно решить с помощью такой же таблицы, как в примере выше. Начертим такую таблицу и вставим известные нам значения в нее:
В первом столбце известны два значения, значит можем посчитать третье:
m (1)р.в. = m (1)р-ра ∙ ω (1)р.в. /100% = 200 г ∙ 15%/100% = 30 г,
Во второй строчке тоже известны два значения, значит можем рассчитать третье:
m (3)р-ра = m (1)р-ра + m (2)р-ра = 200 г + 50 г = 250 г,
Внесем рассчитанные значения в соответствующие ячейки:
Теперь стали известны два значения в первой строке, значит можем посчитать значение m (3)р.в. в третьей ячейке:
m (3)р.в. = m (1)р.в. + m (2)р.в. = 30 г + 0 г = 30 г
ω (3)р.в. = 30/250 ∙ 100% = 12%.
С XVII в. химия перестала быть описательной наукой. Ученые-химики стали широко использовать измерение вещества. Все более совершенствовалась конструкция весов, позволяющих определять массы образцов. Для газообразных веществ помимо массы измеряли также объем и давление. Применение количественных измерений дало возможность понять сущность химических превращений, определять состав сложных веществ.
Как вы уже знаете, в состав сложного вещества входят два или более химических элементов. Очевидно, что масса всего вещества слагается из масс составляющих его элементов. Значит, на долю каждого элемента приходится определенная часть массы вещества.
Массовой долей элемента называется отношение массы этого элемента в сложном веществе к массе всего вещества, выраженное в долях единицы (или в процентах):
Массовая доля элемента в соединении обозначается латинской строчной буквой w («дубль-вэ») и показывает долю (часть массы), приходящуюся на данный элемент в общей массе вещества. Эта величина может выражаться в долях единицы или в процентах. Конечно, массовая доля элемента в сложном веществе всегда меньше единицы (или меньше 100%). Ведь часть от целого всегда меньше целого, как долька апельсина меньше всего апельсина.
Например, в состав оксида ртути входят два элемента – ртуть и кислород. При нагревании 50 г этого вещества получается 46,3 г ртути и 3,7 г кислорода (рис. 57). Рассчитаем массовую долю ртути в сложном веществе:
Массовую долю кислорода в этом веществе можно рассчитать двумя способами. По определению массовая доля кислорода в оксиде ртути равна отношению массы кислорода к массе оксида:
Зная, что сумма массовых долей элементов в веществе равна единице (100%), массовую долю кислорода можно вычислить по разности:
w (O) = 1 – 0,926 = 0,074,
w (О) = 100% – 92,6% = 7,4%.
Для того чтобы найти массовые доли элементов предложенным способом, необходимо провести сложный и трудоемкий химический эксперимент по определению массы каждого элемента. Если же формула сложного вещества известна, та же задача решается значительно проще.
Для расчета массовой доли элемента нужно его относительную атомную массу умножить на число атомов (n ) данного элемента в формуле и разделить на относительную молекулярную массу вещества:
Например, для воды (рис. 58):
M r (H 2 O) = 1 2 + 16 = 18,
Задача 1. Рассчитайте массовые доли элементов в аммиаке, формула которого NH 3 .
Дано:
вещество аммиак NH 3 .
Найти :
w (N), w (H).
Решение
1) Рассчитаем относительную молекулярную массу аммиака:
M r (NH 3) = A r (N) + 3A r (H) = 14 + 3 1 = 17.
2) Найдем массовую долю азота в веществе:
3) Вычислим массовую долю водорода в аммиаке:
w (H) = 1 – w (N) = 1 – 0,8235 = 0,1765, или 17,65%.
Ответ. w (N) = 82,35%, w (H) = 17,65%.
Задача 2. Рассчитайте массовые доли элементов в серной кислоте, имеющей формулу H 2 SO 4 .
Дано:
серная кислота H 2 SO 4 .
Найти :
w (H), w (S), w (O).
Решение
1) Рассчитаем относительную молекулярную массу серной кислоты:
M r (H 2 SO 4) = 2A r (H) + A r (S) + 4A r (O) = 2 1 + 32 + 4 16 = 98.
2) Найдем массовую долю водорода в веществе:
3) Вычислим массовую долю серы в серной кислоте:
4. Рассчитаем массовую долю кислорода в веществе:
w (O) = 1 – (w (H) + w (S)) = 1 – (0,0204 + 0,3265) = 0,6531, или 65,31%.
Ответ. w (H) = 2,04%, w (S) = 32,65%, w (O) = 65,31%.
Чаще химикам приходится решать обратную задачу: по массовым долям элементов определять формулу сложного вещества. То, как решаются подобные задачи, проиллюстрируем одним историческим примером.
Из природных минералов – тенорита и куприта – были выделены два соединения меди с кислородом (оксиды). Они отличались друг от друга по цвету и массовым долям элементов. В черном оксиде массовая доля меди составляла 80%, а массовая доля кислорода – 20%. В оксиде меди красного цвета массовые доли элементов составляли соответственно 88,9% и 11,1%. Каковы же формулы этих сложных веществ? Проведем несложные математические расчеты.
Пример 1. Расчет химической формулы черного оксида меди (w (Cu) = 0,8 и w (О) = 0,2).
х, у – по числу атомов химических элементов в его составе: Сu x O y .
2) Отношение индексов равно отношению частных от деления массовой доли элемента в соединении на относительную атомную массу элемента:
3) Полученное соотношение нужно привести к соотношению целых чисел: индексы в формуле, показывающие число атомов, не могут быть дробными. Для этого полученные числа разделим на меньшее (т.е. любое) из них:
Получилась формула – СuO.
Пример 2. Расчет формулы красного оксида меди по известным массовым долям w (Cu) = 88,9% и w (O) = 11,1%.
Дано:
w (Cu) = 88,9%, или 0,889,
w (O) = 11,1%, или 0,111.
Найти:
Решение
1) Обозначим формулу оксида Сu x O y .
2) Найдем соотношение индексов x и y :
3) Приведем соотношение индексов к отношению целых чисел:
Ответ . Формула соединения – Cu 2 O.
А теперь немного усложним задачу.
Задача 3. По данным элементного анализа состав прокаленной горькой соли, использовавшейся еще алхимиками в качестве слабительного средства, следующий: массовая доля магния – 20,0%, массовая доля серы – 26,7%, массовая доля кислорода – 53,3%.
Дано:
w (Mg) = 20,0%, или 0,2,
w (S) = 26,7%, или 0,267,
w (O) = 53,3%, или 0,533.
Найти:
Решение
1) Обозначим формулу вещества с помощью индексов x, y, z : Mg x S y O z .
2) Найдем соотношение индексов:
3) Определим значение индексов x, y, z :
Ответ. Формула вещества – MgSO 4 .
1. Что называется массовой долей элемента в сложном веществе? Как рассчитывается эта величина?
2.
Рассчитайте массовые доли элементов в веществах: а) углекислом газе CO 2 ;
б) сульфиде кальция СаS; в) натриевой селитре NaNO 3 ; г) оксиде алюминия Al 2 O 3 .
3. В каком из азотных удобрений массовая доля питательного элемента азота наибольшая: а) хлориде аммония NH 4 Cl; б) сульфате аммония (NH 4) 2 SO 4 ; в) мочевине (NH 2) 2 CO?
4. В минерале пирите на 7 г железа приходится 8 г серы. Вычислите массовые доли каждого элемента в этом веществе и определите его формулу.
5. Массовая доля азота в одном из его оксидов равна 30,43%, а массовая доля кислорода – 69,57%. Определите формулу оксида.
6. В средние века из золы костра выделяли вещество, которое называли поташ и использовали для варки мыла. Массовые доли элементов в этом веществе: калий – 56,6%, углерод – 8,7%, кислород – 34,7%. Определите формулу поташа.
§5.1 Химические реакции. Уравнения химических реакций
Химическая реакция - это превращение одних веществ в другие. Впрочем, такое определение нуждается в одном существенном дополнении. В ядерном реакторе или в ускорителе тоже одни вещества превращаются в другие, но такие превращения химическими не называют. В чем же здесь дело? В ядерном реакторе происходят ядерные реакции. Они заключаются в том, что ядра элементов при столкновении с частицами высокой энергии (ими могут быть нейтроны, протоны и ядра иных элементов) - разбиваются на осколки, представляющие собой ядра других элементов. Возможно и слияние ядер между собой. Эти новые ядра затем получают электроны из окружающей среды и, таким образом, завершается образование двух или нескольких новых веществ. Все эти вещества являются какими-либо элементами Периодической системы. Примеры ядерных реакций, используемых для открытия новых элементов, приведены в §4.4.
В отличие от ядерных реакций, в химических реакциях не затрагиваются ядра атомов. Все изменения происходят только во внешних электронных оболочках. Разрываются одни химические связи и образуются другие.
Химическими реакциями называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества - с другим составом и другими свойствами. При этом в составе атомных ядер изменений не происходит.
Рассмотрим типичную химическую реакцию: сгорание природного газа (метана) в кислороде воздуха. Те из вас, у кого дома есть газовая плита, могут ежедневно наблюдать эту реакцию у себя на кухне. Запишем реакцию так, как показано на рис. 5-1.
Рис. 5-1. Метан СН 4 и кислород О 2 реагируют между собой с образованием диоксида углерода СО 2 и воды Н 2 О. При этом в молекуле метана разрываются связи между С и Н и на их месте возникают связи углерода с кислородом. Атомы водорода, ранее принадлежавшие метану, образуют связи с кислородом. На рисунке хорошо видно, что для успешного осуществления реакции на одну молекулу метана надо взять две молекулы кислорода.
Записывать химическую реакцию с помощью рисунков молекул не слишком удобно. Поэтому для записи химических реакций используют сокращенные формулы веществ - как это показано в нижней части рис. 5-1. Такая запись называется уравнением химической реакции .
Количество атомов разных элементов в левой и правой частях уравнения одинаково. В левой части один атом углерода в составе молекулы метана (СН 4), и в правой - тот же атом углерода мы находим в составе молекулы СО 2 . Все четыре водородных атома из левой части уравнения мы обязательно найдем и в правой - в составе молекул воды.
В уравнении химической реакции для выравнивания количества одинаковых атомов в разных частях уравнения используются коэффициенты , которые записываются перед формулами веществ. Коэффициенты не надо путать с индексами в химических формулах.
Рассмотрим другую реакцию - превращение оксида кальция СаО (негашеной извести) в гидроксид кальция Са(ОН) 2 (гашеную известь) под действием воды.
Рис. 5-2. Оксид кальция СаО присоединяет молекулу воды Н 2 О с образованием
гидроксида кальция Са(ОН) 2 .
В отличие от математических уравнений, в уравнениях химических реакций нельзя переставлять левую и правую части. Вещества в левой части уравнения химической реакции называются реагентами , а в правой - продуктами реакции . Если сделать перестановку левой и правой части в уравнении из рис. 5-2, то мы получим уравнение совсем другой химической реакции:
Если реакция между СаО и Н 2 О (рис. 5-2) начинается самопроизвольно и идет с выделением большого количества теплоты, то для проведения последней реакции, где реагентом служит Са(ОН) 2 , требуется сильное нагревание.
Обратите внимание: вместо знака равенства в уравнении химической реакции можно использовать стрелку. Стрелка удобна тем, что показывает направление течения реакции.
Добавим также, что реагентами и продуктами могут быть не обязательно молекулы, но и атомы - если в реакции участвует какой-нибудь элемент или элементы в чистом виде. Например:
H 2 + CuO = Cu + H 2 O
Существует несколько способов классификации химических реакций, из которых мы рассмотрим два.
По первому из них все химические реакции различают по признаку изменения числа исходных и конечных веществ . Здесь можно найти 4 типа химических реакций:
Реакции СОЕДИНЕНИЯ ,
Реакции РАЗЛОЖЕНИЯ ,
Реакции ОБМЕНА ,
Реакции ЗАМЕЩЕНИЯ .
Приведем конкретные примеры таких реакций. Для этого вернемся к уравнениям получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести:
СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2
Са(ОН) 2 = СаО + Н 2 О
Эти реакции относятся к разным типам химических реакций. Первая реакция является типичной реакцией соединения , поскольку при ее протекании два вещества СаО и Н 2 О соединяются в одно: Са(ОН) 2 .
Вторая реакция Са(ОН) 2 = СаО + Н 2 О является типичной реакцией разложения : здесь одно вещество Ca(OH) 2 разлагается с образованием двух других.
В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr 2 с раствором HF выпадает осадок. В растворе ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора. Реакция происходит только в одном направлении потому, что ионы кальция и фтора связываются в нерастворимое соединение CaF 2 и после этого "обратный обмен" ионами уже невозможен:
CaBr 2 + 2HF = CaF 2 ¯ + 2HBr
При сливании растворов CaCl 2 и Na 2 CO 3 тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO 3 2– и Cl – с образованием нерастворимого соединения - карбоната кальция CaCO 3 .
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ¯ + 2NaCl
Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка (¯) или газа (). Например:
Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2
Последняя реакция относится к еще одному типу химических реакций - реакциям замещения . Цинк заместил водород в его соединении с хлором (HCl). Водород при этом выделяется в виде газа.
Реакции замещения внешне могут быть похожи на реакции обмена. Отличие заключается в том, что в реакциях замещения обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например:
2NaBr + Cl 2 = 2NaCl + Br 2 - реакция замещения ;
в левой части уравнения есть простое вещество – молекула хлора Cl 2 , и в правой части есть простое вещество – молекула брома Br 2 .
В реакциях обмена и реагенты и продукты являются сложными веществами. Например:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ¯ + 2NaCl - реакция обмена ;
в этом уравнении реагенты и продукты - сложные вещества.
Деление всех химических реакций на реакции соединения, разложения, замещения и обмена - не единственное. Есть другой способ классификации: по признаку изменения (или отсутствия изменения) степеней окисления у реагентов и продуктов. По этому признаку все реакции делятся на окислительно - восстановительные реакции и все прочие (не окислительно - восстановительные).
Реакция между Zn и HCl является не только реакцией замещения, но и окислительно -восстановительной реакцией , потому что в ней изменяются степени окисления реагирующих веществ:
Zn 0 + 2H +1 Cl = H 2 0 + Zn +2 Cl 2 - реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.
