Количественные расчёты в химии

Количественные расчеты в химии ведут по формулам веществ (чтобы найти количественный состав сложного вещества, массовые доли элементов в нём) и уравнениям реакций (чтобы определить мольные, массовые и объёмные отношения между реагентами и продуктами). Такие расчеты называют стехиометрическими.

веществаОтносительная атомная масса


Атомы элементов характеризуются определённой (только им присущей) массой. Например, масса
  • атома Н равна 1,67 · 10−23 г,
  • атома С − 1,995 · 10−23 г,
  • атома О − 2,66 · 10−23 г.

    Пользоваться такими малыми значениями неудобно, поэтому введено понятие об относительной атомной массе Аr - отношении массы атома данного элемента к атомной единице массы (1,6605 · 10−24 г).

    Значения Аr элементов обычно бывают приведены в Периодической системе или собраны в отдельной таблице.

    Относительная молекулярная масса. Количество вещества. Число Авогадро

    Значения относительной молекулярной массы рассчитываются из значений относительной атомной массы с учётом числа атомов каждого элемента в формульной единице сложного вещества. Атомы и молекулы - частицы чрезвычайно малые, поэтому порции веществ, которые берутся для химических реакций, характеризуются физическими величинами, соответствующими большому числу частиц.

    Установлено, что

  • 12 г углерода (в виде графита или алмаза) содержат 6,02 · 1023 атомов С (Аr = 12),
  • 28 г азота N2 содержат то же число молекул N2 (Mr = 28),
  • 18 г H2O - то же число молекул H2O (Mr = 18) и т.д.

    Количество вещества В (углерод C, азот N2, вода H2O), содержащее 6,02 · 1023 частиц и обозначаемое nВ, составляет 1 моль.

    Количество вещества - это физическая величина, прямо пропорциональная числу частиц, составляющих данное вещество и входящих во взятую порцию этого вещества.

    Единица количества вещества - моль - отвечает такому количеству вещества, которое содержит 6,02 · 1023 частиц этого вещества (число Авогадро). Если числу Авогадро приписать единицу измерения моль−1, то получится физическая константа - постоянная Авогадро (обозначение NА): NА = 6,02 · 1023 моль−1

    колбы с веществамиМолярная масса

    Количество вещества 1 моль, то есть порция, обязательно содержащая 6,02 . 1023 частиц, обладает определенной массой, характерной для данного вещества - молярной массой (обозначение М).

    Молярную массу вещества В можно определить как отношение массы данной порции вещества mВ к количеству вещества nВ в этой порции:

    МВ = mB/nB

    Единица измерения молярной массы: г/моль.

    Массовая доля элемента в сложном веществе

    По известной химической формуле сложного вещества определяют массовые доли элементов, входящих в это вещество. Массовая доля элемента (wЭ) в общей массе сложного вещества - это отношение массы, приходящейся на этот элемент (то есть массы части), к массе всего вещества (то есть к массе целого):

    wЭ = mЭ/mвещ

    Массовая доля элемента - это доля от единицы или от 100%. В сложном веществе wЭ всегда меньше единицы (или меньше 100%).

    Например, для воды H2O

  • wH = 0,11 (11%) и
  • wO = 0,89 (89%).

    Сумма массовых долей элементов, входящих в сложное вещество, равна 1 (100%).


    Закон Авогадро. Молярный объем газа. Относительная плотность газа

    В химических расчетах массу газообразных реагентов и продуктов часто заменяют их объёмами.

    Основной газовый закон - закон Авогадро (был высказан как гипотеза в 1811 г. итальянским физикохимиком А. Авогадро и интерпретирован с точки зрения атомно-молекулярного учения в 1858 г. итальянским химиком С. Канниццаро):

    В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях содержится одно и то же число молекул.

    вещества жидкие и газообразные

  • Первое следствие из закона Авогадро:

    При одинаковых условиях равные количества различных газов занимают равные объёмы.

    В частности, при нормальных условиях (н. у.) - температуре Т = 273,15 K (0 °С) и давлении р = 1,01325 · 105 Па (1 атм, 760 мм. рт. ст.) - 1 моль любого газа (близкого по свойствам к идеальному газу), занимает объём 22,4 л.

    Эта физическая постоянная - молярный объём газа при нормальных условиях.

    Молярный объём газа VM равен отношению объёма порции газа В (VB) к количеству вещества в этой порции (nB): VM = VB / nB

    Единица измерения молярного объёма газа: л/моль. При нормальных условиях VM = 22,4 л/моль.

    Из определения для VM следует, что VB = VM nB = (VB mB) / MB

    Это выражение позволяет рассчитывать по массе газа его объем.

  • Второе следствие из закона Авогадро:

    Молярная масса вещества в газообразном состоянии равна его удвоенной относительной плотности по водороду: MB = M(H2) · D(H2) = 2D(H2)

    Аналогичным образом, с учетом средней молярной массы воздуха Mвозд = 29 г/моль:
    MB = Mвозд · Dвозд = 29Dвозд

    Относительная плотность по водороду D(H2), по воздуху Dвозд и по любому другому газу определяется экспериментально, что позволяет рассчитать молекулярную массу газа.