Урок 2. Относительная атомная масса химических элементов
В уроке 2 «Относительная атомная масса химических элементов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим разные способы выражения массы химических элементов. Напоминаю, что в прошлом уроке «Атомы и химические элементы» мы рассмотрели, кто и когда высказал идею о том, что все вокруг состоит из атомов; также выяснили, что из себя представляет химический элемент и каким образом обозначается.
Чем различаются атомы разных элементов между собой? Вы уже знаете: массой, размерами и строением. На рисунке 30 показаны шаровые модели атомов некоторых химических элементов, конечно, не в реальных размерах, а многократно увеличенные. В действительности атомы настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в самые лучшие оптические микроскопы.
На заметку: В конце XX в. у ученых появились более совершенные микроскопы, позволяющие достигать увеличения в несколько десятков миллионов раз. Они называются туннельными микроскопами. На рисунке 31 показана фотография поверхности кремния. На ней отчетливо видны отдельные атомы, расположенные на поверхности этого вещества.
Размеры и масса атомов
Современная наука обладает методами, позволяющими определять размеры и массы атомов. Так, например, самый легкий атом — атом водорода. Его масса равна 0,0000000000000000000000000016735 кг. Самым маленьким является атом гелия He. Диаметр этого атома равен приблизительно 0,00000000098 м. Записывать и читать такие числа затруднительно, поэтому обычно их представляют в более удобном виде: 1,6735·10 −27 кг и 9,8·10 −10 м. Атомы большинства химических элементов по своим размерам значительно больше атома гелия. Самый большой из них — атом элемента франция Fr. Его диаметр в 7 раз больше диаметра атома гелия (рис. 32).
Еще больше различаются атомы разных элементов по массе. Масса атома обозначается символом ma и выражается в единицах массы СИ (кг). Так, например, масса атома углерода равна: ma(С) = 19,94·10 −27 кг, а атома кислорода — ma(О) = 26,56·10 −27 кг. Масса атома самого тяжелого из существующих на Земле элементов — урана U — почти в 237 раз больше массы атома водорода.
Атомная единица массы
Пользоваться такими маленькими величинами масс атомов при расчетах неудобно. К тому же, когда в XIX в. начало формироваться атомно- молекулярное учение, ученые еще не представляли реальных размеров и масс атомов. Поэтому на практике вместо истинных масс атомов стали применять их относительные значения. Они рассчитывались по массовым отношениям простых веществ в реакциях друг с другом. Химики предположили, что эти отношения пропорциональны массам соответствующих атомов. Именно так в начале XIX в. Дж. Дальтон ввел понятие относительной атомной массы, приняв за единицу сравнения массу самого легкого атома — водорода.
В настоящее время в качестве такой единицы сравнения используется 1/12 часть массы атома углерода (рис. 33). Она получила название атомной единицы массы (а. е. м.). Ее международное обозначение — u (от английского слова «unit» — единица): 
Атомная единица массы — это 1/12 часть массы атома углерода, которая равна 1,66·10 −27 кг.
Относительная атомная масса
Сравнивая средние массы атомов различных элементов с атомной единицей массы, получают значения относительных атомных масс химических элементов.
Относительная атомная масса элемента — это физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше 1/12 части массы атома углерода.
Относительная атомная масса обозначается символами Ar ( А — первая буква английского слова «atomic» —атомный, r — первая буква английского слова «relative», что значит относительный), следовательно:
где Х — символ данного элемента.
Например, относительная атомная масса водорода:
В таблице Менделеева приведены относительные атомные массы всех элементов. В расчетах при решении задач мы будем пользоваться округленными до целых значениями этих величин (см. урок 1).
Внимание! Очень часто относительную атомную массу называют просто атомной массой. Однако следует отличать атомную массу — величину относительную (например, Ar(О) = 16) — от массы атома — величины, выражаемой в единицах массы — килограммах ( ma(O) = 26,56·10 −27 кг) или атомных единицах массы ( ma(O) = 16· u ).
Пример. Во сколько раз атом ртути тяжелее атома кальция?
Решение. Относительные атомные массы элементов равны: Ar(Hg) = 201 и Ar(Ca) = 40.
Масса атома ртути равна: ma(Hg) = Ar(Hg)·u (кг).
Масса атома кальция равна: ma(Са) = Ar(Са)·u (кг).
Другими словами, отношение масс атомов этих элементов равно отношению их относительных атомных масс. Следовательно, отношение масс атомов ртути и кальция равно:
Ответ: в 5,03 раза.
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 2 «Относительная атомная масса химических элементов» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Вычисление количества вещества, массы или объема вещества по количеству веществ, массе или объему одного из реагентов или продуктов реакции
Основой для проведения количественных расчётов в химии является закон сохранения массы. Согласно этому закону масса реагентов равна массе продуктов реакции.
Отсюда следует, что для любой химической реакции массы реагентов и продуктов реакции относятся между собой как молярные массы веществ, умноженные на их стехиометрические коэффициенты.
Для расчёта по химическим уравнениям можно использовать два эквивалентных способа: через количество вещества или через пропорцию. Подчеркнём ещё раз: официального запрета на использование метода пропорций при решении задач на ОГЭ и ЕГЭ нет!
Для определения массы (или количества вещества) продуктов реакции или исходных веществ по уравнениям химических реакций вначале составляют уравнение химической реакции и устанавливают стехиометрические коэффициенты; затем определяют молярную массу, массу и количество вещества известных реагентов химической реакции; составляют и решают пропорцию, в которую в зависимости от условий задачи вводят числовые значение величин: молярные массы, массы, количества веществ или их объёмы (для газов).
При этом в одном столбце пропорций должны находиться одинаковые характеристики вещества с одной и той же размерностью.
Пример 1. Масса железа, вступившего в реакцию с 6 моль хлора, равна _________ г. (Ответ запишите с точностью до целого числа.)
Решение. Составляем уравнение химической реакции:
Из этого уравнения следует, что 3 моль Cl2 реагируют с 2 моль Fe, т. е.:
Определяем массу железа:
Пример 2. Масса нитрида лития, образовавшегося в результате его реакции с азотом объёмом 8,96 л, равна_______________ г.
Решение. Составляем уравнение химической реакции:
Определяем количество вещества азота, вступившего в реакцию:
Из уравнения реакции следует, что из 1 моль N2 образуется 2 моль Li3N, т. е.:
Определим массу Li3N:
Пример 3. Объём углекислого газа, образовавшегося в результате разложения карбоната магния количеством вещества 4 моль избытком соляной кислоты, равен________ л.
Решение. Составляем уравнение химической реакции:
Из этого уравнения следует, что количество вещества углекислого газа и карбоната магния равны между собой, т. е. n(CO2) = 4 моль.
Пример 4. Объём водорода, который выделится при растворении 16,8 г железа в избытке разбавленной соляной кислоты, равен _________ л.
Решение. Составляем уравнение химической реакции:
Определим количество вещества железа:
Количество вещества железа и водорода в данном уравнении реакции равны между собой. Следовательно, количество вещества водорода также равно 0,3 моль.
Вычислим объём водорода:
Пример 5. Масса осадка, который образуется в результате взаимодействия 40,0 г хлорида кальция с избытком карбоната натрия, равна _________г.
Решение. Составляем уравнение реакции:
Согласно уравнению химической реакции составим пропорцию и решим её:
Пример 6. 250 г раствора нитрата серебра смешали с избытком раствора йодида калия. Выпал осадок массой 11,75 г. Вычислите массовую долю нитрата серебра в исходном растворе.
Элементы ответа (допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
1) Составлено уравнение химической реакции:
2) По массе осадка йодида серебра рассчитано его количество вещества, а затем в соответствии с уравнением реакции — количество вещества и масса нитрата серебра, содержащегося в исходном растворе:
Из уравнения реакции следует, что n(AgI) = n(AgNO3) = 0,05 моль, тогда:
3) Вычислена массовая доля нитрата серебра в исходном растворе:
| Критерии оценивания | Баллы |
| Ответ правильный и полный, включает все названные элементы | 3 |
| Правильно записаны два первых элемента из названных выше | 2 |
| Правильно записан один из названных выше элементов (1-й или 2-й) | 1 |
| Все элементы ответа записаны неверно | 0 |
| Максимальный балл | 3 |
Тренировочные задания
1. К 300 г раствора нитрата бария прибавили избыток раствора сульфата натрия. Масса выпавшего осадка составила 23,3 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
2. К 150 г раствора сульфата натрия прибавили избыток раствора хлорида бария. Масса выпавшего осадка составила 23,3 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
3. К 300 г раствора силиката натрия прибавили избыток раствора нитрата кальция. Масса выпавшего осадка составила 12,0 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
4. К 150 г раствора карбоната калия прибавили избыток раствора соляной кислоты. При этом выделился газ объёмом 3,36 л (н. у.). Определите концентрацию соли в исходном растворе.
5. К 250 г раствора гидрокарбоната натрия прибавили избыток раствора бромоводородной кислоты. При этом выделился газ объёмом 5,6 л. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
6. К 50 г раствора карбоната натрия прибавили избыток раствора хлорида бария. Масса выпавшего осадка составила 7,88 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
7. К 200 г раствора хлорида бария прибавили избыток раствора карбоната калия. Масса выпавшего осадка составила 7,88 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
8. К 200 г раствора хлорида железа (II) прибавили избыток раствора гидроксида калия. Масса выпавшего осадка составила 18,0 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
9. К 400 г раствора нитрата свинца прибавили избыток раствора йодида натрия. Масса выпавшего осадка составила 23,05 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
10. К 300 г раствора йодида натрия прибавили избыток раствора нитрата свинца. Масса выпавшего осадка составила 23,05 г. Определите концентрацию соли в исходном растворе.
11. Определите массу осадка, который выпадет при взаимодействии 150 г 14,8%-ного раствора хлорида кальция с избытком раствора карбоната натрия.
12. Определите объём газа (н. у.), который выделится при взаимодействии 120 г 8,8%-ного раствора карбоната натрия с избытком раствора соляной кислоты.
13. Определите массу соли, которая выпадет в осадок при взаимодействии 140 г 13,5%-ного раствора нитрата цинка с избытком раствора сульфида натрия.
14. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 200 г 18,8%-ного раствора нитрата меди с избытком раствора сульфида натрия.
15. Определите массу осадка, который выпадет при взаимодействии 200 г 6,1%-ного раствора силиката натрия с избытком раствора хлорида цинка.
16. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 200 г 12,7%-ного раствора хлорида железа (II) с избытком раствора сульфида натрия.
17. Определите массу осадка, который выделится при взаимодействии 50 г 17%-ного раствора нитрата серебра с избытком раствора бромида калия.
18. Определите массу осадка, который образуется при взаимодействии 200 г 6,1%-ного раствора силиката натрия с избытком раствора нитрата кальция.
19. Определите массу осадка, который образуется при взаимодействии 50 г 5,8%-ного раствора хлорида магния с избытком раствора фосфата натрия.
20. Определите объём газа, который выделится при взаимодействии 200 г 6,9%-ного раствора карбоната калия с избытком раствора соляной кислоты.
21. Оксид фосфора (V) массой 21,3 г растворили в растворе гидроксида калия, в результате чего был получен раствор средней соли массой 500 г. Определите концентрацию фосфата калия в конечном растворе.
22. Раствор хлорида железа (II) полностью прореагировал со 120 г раствора гидроксида натрия, в результате чего образовалось 6,0 г осадка. Определите массовую долю гидроксида натрия в исходном растворе.
23. Какой объём аммиака (н. у.) может полностью прореагировать со 150 г 20%-ного раствора серной кислоты с образованием средней соли?
24. В 200 г 20%-ного раствора соляной кислоты растворили магний до прекращения выделения газа. Определите объём выделившегося при этом водорода (н. у.).
25. Аммиак объёмом 10 л (н. у.) пропустили через раствор серной кислоты с массовой долей 8% до образования средней соли. Определите массу исходного раствора.
26. Определите объём сероводорода (н. у.), который необходимо пропустить через 130 г 6%-ного раствора хлорида меди (II) до полного осаждения сульфида меди (II).
27. Сероводород объёмом 3,36 л (н. у.) пропустили через раствор гидроксида натрия, в результате чего получили 180 г раствора сульфида натрия. Определите массовую долю соли в полученном растворе.
28. Алюминий массой 8,1 г может нацело прореагировать с 250 г раствора серной кислоты. Определите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.
29. К 250 г раствора нитрата серебра добавили раствор хлорида калия до прекращения выделения осадка, масса которого составила 14,35 г. Определите массовую долю нитрата серебра в исходном растворе.
30. К 300 г 5%-ного раствора хлорида магния добавили избыток раствора фосфата калия. Вычислите массу выпавшего при этом осадка.
Относительная атомная и молекулярная масса
Одной из важнейших характеристик любой молекулы и любого атома является его масса. В химии ее принято измерять не в килограммах, а с помощью так называемой а. е. м. – атомной единицы массы.
Как определить массу молекулы?
Хотя идеи о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, то есть атомов, высказывались ещё Демокритом в Античности, доказать подобные гипотезы было невозможно. Однако в начале XIX в. произошел научный прорыв. Джон Дальтон открыл сразу три важных закона:
Объяснить открытые закономерности можно было только с помощью гипотезы об атомной строении вещества. Эти же законы позволяли Дальтону сравнивать массы атомов и молекул между собой. Ученый принял массу атома водорода за единицу (так как он оказался самым легким атомом), и через нее (то есть через водородную единицу) в 1803 г. выразил массы многих других атомов и молекул. Впрочем, оказалось, что значительная часть вычислений была проведена с ошибками.
На тот момент для определения масс атомов чаще всего использовались реакции образования оксидов, то есть кислородных соединений. По этой причине в ходе опытов фактически в качестве единицы измерения использовалась масса не атома водорода, а атома кислорода. Изначально грубые расчеты показывали, что кислородный атом в 16 раз тяжелее водородного атома, то есть его масса, по системе Дальтона, составляла 16 единиц. Однако потом выяснилось, что всё же атом кислорода тяжелее только в 15,874 раза. Эти данные потребовали пересчета всех атомных масс. Но химики поступили проще – они договорились, что теперь масса кислородного атома принимается в точности равной 16 атомным единицам. Так возникла новая, кислородная единицы атомного веса. В результате пересчитывать пришлось лишь массу водорода – она теперь составляла не единицу, а 16:15,874≈ 1,0079 атомных единиц.
Уже в начале XX в. выяснилось, что в природе могут существовать изотопы – разные по массе атомы одного и того же элемента. В частности, в природе встречается три различных стабильных изотопов кислорода (и ещё 10 – нестабильных). Встал вопрос – масса какого из этих изотопов будет приниматься за единицу? Физики стали использовать массу изотопа кислород-16, а химики – среднюю массу всех изотопов (с учетом их распространенности в природном кислороде). Возникли разночтения, которые были решены лишь в 1960-1961 г. Тогда была принята договоренность, что масса изотопа углерода-12 принимается равной 12 атомным единицам массы (а. е. м.). Таким образом появилась углеродная единица.
Молярная масса
Помимо молекулярной массы существует ещё и молярная масса. Она показывает, сколько грамм весит один моль вещества. Фактически молярная масса совпадает со значением молекулярной массы, но измеряется она в других величинах – в г/моль. Например, если атомная масса углерода-12 равна 12 а. е. м., то его молярная масса составит 12 г/моль.
Какова масса одной а. е. м.?
С помощью атомных масс удобно сравнивать друг с другом массы молекул атомов и соединений. Например, если молекула воды весит 18 а. е. м., в молекула углекислого газа – 44 а. е. м., то это значит, что молекула СО2 тяжелее молекулы воды в 44/18 ≈2,444 раза. Но как определить массу атомов и молекул в привычных для нас килограммах?
Это можно сделать, вычислив число Авогадро, которое показывает, сколько молекул содержится в 1 моле вещества. Первые оценки числа Авогадро были проведены лишь в 1865 г., но тогда ученые ошиблись в 15 раз, через 8 лет ошибка уменьшилась в 10 раз. Сегодняшние измерения показывают, что один атом водорода весит всего лишь 1,66•10 –27 кг.
Подведение итогов
Для определения массы атомов и молекул используется а. е. м. – атомная единица массы. Она составляет 1/12 от массы атома изотопа углерода 12 и примерно равна 1,66•10 –27 кг.
Урок 12. Элементный анализ
В уроке 12 «Элементный анализ» из курса «Химия для чайников» рассмотрим анализ химического состава вещества; научимся определять эмпирическую формулу соединения; кроме того разберем кучу примеров на нахождение весовых процентов и формулы вещества. Данный урок потребует от вас знания, что из себя представляет молекулярная формула соединения, а так же общих сведений, изложенных в первой главе «Атомы, молекулы и ионы». Обязательно прочитайте о законе сохранения массы и энергии, потому что все уроки из данного раздела посвящены именно ему.
Анализ химического состава вещества
Пример 1: При сжигании неизвестного углеводорода массой 25 г образуется 68,58 г CO2 и 56,15 г H2O. Сколько граммов углерода и водорода содержится в исходном образце?
Атомная масса C равна 12,011 г/моль, а молекулярная масса CO2 равна 12,011 + 2×15,999 = 44,010 г/моль. Сначала найдем относительное содержание C в CO2:
Если 27,29% CO2 представляют собой углерод, то количество углерода, содержащееся в 68,58 г CO2, равно
Аналогичный расчет содержания H в воде дает
Проверка: 18,72 г + 6,283 г = 25,00 г
Пример 2: Сколько граммов C содержится в 100 г образца углеводорода, рассмотренного в примере 1?
Пример 3: Каков состав (в весовых процентах) углеводорода, рассматриваемого в примере 1?
Если нам известен состав вещества в весовых процентах, можно воспользоваться атомными массами входящих в него элементов и вычислить относительное число атомов каждого элемента в соединении.
Пример 4: Вычислите относительное число атомов C и H в соединении, рассматриваемом в примере 3.
Такие вычисления легче проводить, исходя из 100,0 г вещества: тогда весовые проценты, в которых выражен элементный состав соединения, можно просто заменить на такое же число граммов соответствующих элементов (ср. примеры 3 и 2). Теперь разделим массу C и массу H на их атомные массы:
Таковы относительные количества молей C и H в неизвестном углеводороде, и вот тут-то мы убедимся, насколько удобно пользоваться представлением о моле. Полученные выше численные значения должны также выражать относительные количества атомов углерода и водорода в соединении, то есть на каждые 6,234 атома углерода в неизвестном углеводороде приходится 24,92 атома водорода. Если мы попытаемся найти общее кратное этих двух чисел, то окажется, что они находятся в соотношении 1:4. Разделив оба числа на меньшее из них (16,234), мы найдем, на каждый атом углерода приходится 24,92/6,234=3,997, т.е 4 атома водорода.
Пример 5: Жидкость содержит 11,19 вес.% водорода и 88,81 вес.% кислорода. Каковы относительные количества атомов водорода и кислорода в этой жидкости?
Рассмотрим снова 100 г вещества и вычислим количество молей каждого элемента, входящего в его состав:
Разделим оба числа на меньшее из них, чтобы найти общее кратное и тогда мы получим, что на каждый атом кислорода приходится по два атома водорода.
Пример 6 решаем самостоятельно: Обычный лабораторный растворитель, углеводород, содержит 92,26 вес.% углерода и 7,74 вес.% водорода. Каковы относительные количества атомов углерода и водорода в этом соединении?
Ответ: на 1 атом углерода приходится по 1 атому водорода
Эмпирическая формула вещества
Химическая формула, указывающая относительные количества атомов каждого из элементов в соединении при помощи целых чисел, не имеющих общего кратного, называется эмпирической формулой соединения. Элементный анализ вещества приводит именно к эмпирической формуле соединения, а не к молекулярной формуле, которая может совпадать с эмпирической формулой, но может представлять собой ее целое кратное. Для метана и воды эмпирические формулы совпадают с молекулярными формулами CH4 и H2O. Например вещество из примера 6 имеет эмпирическую формулу CH, но молекулярная формула может представлять собой бензол С6H6, ацетилен C2H2 или любой из пяти других, менее распространенных углеводородов, молекулы которых изображены на рисунке 2-2.
Определение формулы вещества
Закрепим полученные знания заключительным примером:
Глюкоза содержит 40,00 вес.% углерода, 6,71 вес.% водорода и 53,29 вес.% кислорода. Каковы ее эмпирическая и молекулярная формулы, если из других экспериментов известно, что глюкоза имеет молекулярную массу, приблизительно равную 175 г/моль?
Найдем сначала число молей каждого элемента, приходящихся на 100 г глюкозы:
Очевидно, что эмпирическая формула вещества должна иметь вид CH2O. Найденной эмпирической формуле глюкозы соответствует молекулярная масса
Приближенная молекулярная масса из экспериментов почти в 6 раз превышает это значение, поэтому можно сделать вывод, что молекулярная формула глюкозы имеет вид C6H12O6.
Урока 12 «Элементный анализ» очень важный, поэтому если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
