Основная цель курса химии в школе - умение учеников решать задачи. Думаю не стоит перечислять, как много видов задач по химии вы можете встретить. Предлагаю начать рассматривать эти задачи, начиная с самого просто и заканчивая самыми сложными. В этой статье мы рассмотрим самые основы типы задач, которые достаточно просты, но на этом фундаменте в дальнейшем будем строить все более сложные концепции.
Основные понятия
Каждый атом состоит, исходя из упрощенной модели из протонов, электронов и нейтронов. Данные частицы имеют свои массы:
Масса протона = 1,67 ‧ 10 ⁻²⁷ кг
Масса электрона = 9,109 ‧ 10 ⁻³¹ кг
Масса нейтрона = 1,67 ‧ 10 ⁻²⁷ кг.
В Периодической таблице масса атома указывается в атомных единицах массы. Атомная единица массы - это внесистемная величина для определения масс атомов, элементарных частиц, молекул и атомных ядер.
В этой связи сделаем введение в понятие атомной единицы массы (а.е.м. или дальтон - Да) - 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С . Следовательно, укажем равенство 1 а.ем. =1,66 · 10⁻²⁷ кг. Отсюда сформулируем основные определения:
Относительная атомная масса (Ar) - масса атома в а.е.м., равная отношению средней массы атома естественного изотопного состава данного элемента к атомной единице массы.
Относительная молекулярная масса (Mr) - является суммой относительных атомных масс составляющих его атомов. Например, диоксид углерода имеет относительную молекулярную массу 44 (поскольку относительные атомные массы C и 2 · O равны 12 и 2·16).
Количество вещества (n) - это физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц, содержащихся в веществе.
Моль - единица измерения количества вещества. Моль содержит столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, формульных единиц и др.) содержится в 12 г атома углерода ¹²C.
В расчетах количество вещества может быть представлено по разному, однако исходя из определения молей, происхождение данной величины идет от количества частиц в ¹²С. Это число равно 6,02 ‧10²³ и называется числом Авогадро (Nₐ).
Молярная масса (M)- еще одна величина, которая численно равна Mr, однако имеет размерность г/моль. По сути, это масса 1 моль вещества, выраженная в граммах.
Таким образом, мы получаем два уравнения, через которые мы можем найти количество вещества:
где m - масса вещества, N - количество частиц.
Постоянная Авогадро
Во втором уравнение приведена формула расчета количества вещества через количество частиц и постоянную Авогадро.
Постоянная Авогадро — основа для перехода от микромира (частиц) к макромиру (массы и объёмы). Она позволяет рассчитывать количество вещества, участвовать в стехиометрических расчётах и понимать, сколько частиц реально участвует в химических реакциях. Без неё невозможно точно оперировать понятием "моль", которое лежит в основе всех базовых химических расчётов.
Здесь важно понять, что один моль — это не просто единица измерения, а определённое число частиц вещества. Это число и называется постоянной Авогадро:
Nₐ = 6,022 ‧ 10²³ молекул/моль ⁻¹
Именно столько атомов, молекул или ионов содержится в одном моле любого вещества.
Закон Авогадро
Продолжая разговор о фундаментальных константах в химии, невозможно обойти стороной одно из важнейших открытий, тесно связанное с постоянной Авогадро. Итальянский учёный Амедео Авогадро не только внёс вклад в определение числа частиц в моле вещества, но и сформулировал революционный закон, который позволил установить количественные соотношения между газами и заложил основу современной стехиометрии. Этот закон стал настоящим прорывом в понимании поведения газов и их химических свойств.
В равных объёмах различных газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое количество молекул.
Обычно при использовании данного закона говорят о нормальных условиях (н.у.). Нормальными условиями считается температура 0°C (273 К) и давление 101 325 Па (1 атм). Согласно этому закону при н.у. молярный объем газа (Vm) равен 22,4 л/моль.
Из этого закона можно вывести еще одну формулу нахождения количества вещества:
Стехиометрия и закон эквивалентов
Поговорим о том как уравнение реакции используется в решении задач. Коэффициенты в уравнении реакции — это как пропорции в кулинарном рецепте. Для реакции 2Mg + O₂ → 2MgO:
- 2 моль магния соответствуют 1 моль кислорода.
- Если у нас есть 2 моль магния, то нужно 1 моль O₂ (32 г).
- А сколько получится MgO? По уравнению, 2 моль Mg дают 2 моль MgO (2 × 40 г = 80 г).
Вопрос: Если у тебя есть только 1 моль магния, сколько граммов MgO получится? Какой реагент будет ограничивать реакцию?
Стехиометрия — это как мост между теорией и практикой. Она использует законы сохранения массы и энергии, чтобы:
- Рассчитать, сколько реагентов нужно для реакции.
- Предсказать количество продуктов.
- Определить, сколько энергии выделится или поглотится.
Например, стехиометрию используют, чтобы не тратить лишние ресурсы. Если ты производишь аммиак (N₂ + 3H₂ → 2NH₃), ты должен точно знать, сколько азота и водорода нужно, чтобы не получить ни избытка, ни недостатка, и в тоже время получить нужную массу/объем вещества.
Аналогия с мостом не случайна. В конце статьи будет представлен механизм проведения расчетов для решения задач большинства задач по химии.
Стехиометрия основывается на законах сохранения массы и энергии, так как:
- Закон сохранения массы гарантирует, что масса реагентов равна массе продуктов. Это позволяет нам использовать уравнения реакций для расчета, сколько вещества нужно или сколько получится. Например, в реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O масса водорода и кислорода в реагентах равна массе воды в продуктах.
Масса всех веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате этой реакции.
- Закон сохранения энергии помогает понять, как энергия перераспределяется в реакции. Стехиометрия позволяет рассчитать, сколько энергии выделится или поглотится, если известны тепловые эффекты реакции (энтальпии).
Учитывая закон сохранения энергии, для упрощения обобщим в одно определение:
Суммарная масса и энергия веществ, вступающих в химическую реакцию, всегда равна суммарной массе и энергии образующихся веществ.
Давай разберем задачу, которая покажет, как законы сохранения массы и энергии работают в химических расчетах:
Задача
При сгорании 8 г метана (CH₄) в избытке кислорода образуются углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O). Рассчитайте:
- Сколько граммов кислорода (O₂) потребуется для полной реакции?
- Сколько граммов углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O) получится?
- Проверьте закон сохранения массы.
- Если известно, что реакция выделяет 890 кДж энергии на 1 моль метана, сколько энергии выделится в этой реакции?**
Решение:
Горение метана — это реакция с кислородом, которая выглядит так:
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Этап 1. Проверяем уравнение. Уравниваем реакцию:
- Слева: 1 атом углерода (C), 4 атома водорода (H), 4 атома кислорода (O) (2 молекулы O₂ × 2 = 4).
- Справа: 1 атом углерода (в CO₂), 4 атома водорода (2 молекулы H₂O × 2 = 4), 4 атома кислорода (2 в CO₂ + 2 × 1 в H₂O = 4).
Количество атомов совпадает, значит, уравнение сбалансировано, и закон сохранения массы будет выполняться.
Этап 2. Рассчитаем количество вещества метана:
Дано: масса метана (CH₄) = 8 г.
Молярная масса CH₄ = 12 г/моль (C) + 4 × 1 г/моль (H) = 16 г/моль.
Количество вещества:
n(CH₄) = m / M = 8 г / 16 г/моль = 0,5 моль.
Этап 3. Используем стехиометрию для нахождения массы кислорода:
По уравнению CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O:
1 моль метана требует 2 моль кислорода (O₂).
У нас 0,5 моль CH₄, значит, нужно:
n(O₂) = 0,5 моль × 2 = 1 моль O₂.
Молярная масса O₂ = 32 г/моль.
Масса кислорода:
m(O₂) = 1 моль × 32 г/моль = 32 г.
Этап 4. Рассчитаем массы продуктов:
По уравнению:
1 моль CH₄ дает 1 моль CO₂ и 2 моль H₂O.
Для 0,5 моль CH₄:
- По уравнению реакции n(CH₄) : n(CO₂) = 1:1. Следовательно, n(CO₂) = n(CH₄) = 0,5 моль (обязательно эта конструкция должна быть использована при написании хода решения задачи для соблюдения логики вычислений).
Молярная масса CO₂ = 12 г/моль (C) + 2 × 16 г/моль (O) = 44 г/моль.
Масса CO₂: m(CO₂) = 0,5 моль × 44 г/моль = 22 г. - n(H₂O) = 0,5 моль × 2 = 1 моль.
Молярная масса H₂O = 2 × 1 г/моль (H) + 16 г/моль (O) = 18 г/моль.
Масса H₂O: m(H₂O) = 1 моль × 18 г/моль = 18 г.
Этап 5. Проверяем закон сохранения массы:
Масса реагентов:
m(CH₄) + m(O₂) = 8 г + 32 г = 40 г.
Масса продуктов:
m(CO₂) + m(H₂O) = 22 г + 18 г = 40 г.
Масса реагентов равна массе продуктов, значит, закон сохранения массы выполняется!
Этап 6. Учитываем закон сохранения энергии:
Реакция горения метана экзотермическая, то есть выделяет энергию. Дано, что на 1 моль метана выделяется 890 кДж.
У нас 0,5 моль метана, значит:
Энергия = 0,5 моль × 890 кДж/моль = 445 кДж.
Эта энергия может проявляться в виде тепла, света или даже звука (например, при взрыве метана). Закон сохранения энергии гарантирует, что вся выделенная энергия из химических связей реагентов переходит в продукты или окружающую среду.
Вам показан принцип вычислений простых задач по химии уровня 8-9 класса. Стоит учитывать, что любая более емкая задача лишь осложнена другими сопутствующими вычислениями, которые в итоге приводят к вышеописанным простым этапам.
На схеме вы можете увидеть, что большинство задач и сводятся к пониманию, что все расчеты ведутся через количество вещества. Это своеобразный мост позволяющий переходить от количественных характеристик одного вещества к таким же характеристикам другого вещества, предугадывать массу, объем веществ, количество частиц, молекулярную формулу вещества и т.д.
Наряду с этой вводной статьей в дальнейшем будут разбираться задачи более сложные для понимания различных концепций и умение их распознавать и производить конкретные вычисления.