Наиважнейшая единица в химии

Согласно определению, данному в энциклопедии «Количество веществ - физическая величина, характеризующая количество однотипных единиц, содержащихся в веществе (атомы, молекулы, ионы и другие частицы)». Другое определение: «Количество вещества - относительная величина, которая показывает, во сколь раз число молекул в данном теле отличается от числа молекул, находящихся в 0,012 кг углерода. Измеряется в молях (по системе СИ). Без конкретизации объекта не рассматривается.

Эта физическая величина используется в тех случаях, когда для численного описания изучаемых процессов необходимо принимать во внимание микроскопическое строение вещества, например, в химии, при изучении процессов электролиза, или в термодинамике при описании уравнения состояния идеального газа.

Количество вещества при электролизе.

Задача 1 (Кузьменко, стр.37-38). При пропускании постоянного тока силой 6,4 А в течение 30 мин через расплав хлорида трёхвалентного металла на катоде выделилось 1,07 г металла. Определите состав соли, которую подвергли электролизу.

Решение. Запишем схему электролиза:

Определим количество электричества, пропущенное через раствор:

Q = I*t = 6,4 А * 1800 с =11520 Кл

Отметим, что расчёты по электродным уравнениям можно производить так же, как и по химическим уравнениям (как бы полагая, что электроны - это тоже химические вещества). 1 моль электронов имеет заряд 6,02*10^23* 1,6^-19 = 96500 Кл (число Фарадея, F), поэтому количество электронов, пропущенных через расплав, составляет

n(ē) = Q/F = 11520/96500 = 0,119 моль

Согласно уравнению катодного процесса, количество выделившегося металла в раза меньше количества электронов:

n(Ме) = n (ē)/3 = 0,0398 моль.

Теперь легко найти молярную массу металла:

М (Ме) = 1,07 г/0,0398 моль = 27 г/моль

Искомый металл - алюминий.

Ответ: AlCl₃.

Задача 4 (Кузьменко, с.38). При электролизе 1000 г 5%-ного раствора нитрата натрия на аноде выделилось 80 л кислорода, измеренного при температуре 25о и давлении 1,24*10^5 Па. Рассчитайте массовую долю нитрата натрия в растворе после проведения электролиза.

Решение. Запишем схему электролиза:

При электролизе водного раствора NaNO₃ происходит электролитическое разложение воды, масса самой соли в растворе не изменяется масса растворителя - воды, ионы которой разряжаются, и поэтому увеличивается концентрация растворённой соли. Решение задачи сводится к определению количества вещества разложившейся воды и к пересчёту концентрации раствора.

Из приведённой схемы электролиза следует уравнение электролитического разложения воды:

2Н₂О = 2Н₂ + О₂

Теперь можем вычислить количество моль кислорода:

n=pV/RT=1,24*10^5 Па*0,08 м3/8,314 Дж/(моль*К)*298 К = 4 моль.

Следовательно, электролитическому разложению подвергли 8 моль Н2О, т. е. 8*18 = 144 г Н₂О.

По определению массовой доли находим, что исходный раствор содержал 50 г NaNO₃. После электролиза массовая доля соли составит:

W (NaNO₃) = 50г* 100% /(1000 - 144)г = 5,8%.

Ответ: 5,8% NaNO₃.

При описании химических реакций, количество вещества является более удобной величиной, чем масса, так как молекулы взаимодействуют независимо от их массы в количествах, кратных целым числам. На письме в реакциях ставят коэффициент перед веществом.

Количество вещества можно вычислить, зная число атомов (или других частиц) и число Авогадро NA , которое как известно равно 6,02*10^23:

n = N/NA

Задача 2 (уч.8 кл, с.57) Сколько молекул содержится в 11 г углекислого газа СО₂.

Дано:

m(СО₂)= 11 г !

Решение

N = NА * n ! М(СО2)= 12+16*2 = 44 г/моль

n = m/M ! n(СО2) =11 г : 44 г/моль = 0,25 моль

N(СО₂) = 6*1023 молекул/моль*0,25 моль = 1,5*1023 молекул

Ответ: N(СО₂) = 1,5*10^23 молекул

Кроме этого, количество вещества можно вычислить через массу и объём:

n= m/M, n=V/Vm.

Где M - молярная масса вещества; Vm - молярный объём, вычисленный Авогадро.

Можно использовать количество вещества как переходную или обменную единицу от числа молекул к массе. Для вычисления количества вещества на основании массы пользуются понятием молярной массы: n = M*n, где М - молярная масса вещества измеряемая в г/моль.

Задача 3 (уч.8 кл., с.57). Найти массу 15*1023 молекул кислорода.

Дано: N(O₂) молекул. Найти: m(O₂) - ?

Решение.

m= M*n;

n = N*NA.

М(O₂)= 16*2 = 32 г/моль;

n(O₂)= (15*10^23 молекул) = 2,5 моль;

m (O2) =32г/моль*2,5 моль = 80 г

Ответ: m (O₂) = 80 г

По закону Авогадро, количество вещества газообразного вещества можно также определить на основе его объёма: n = V/Vm, где Vm - молярный объём газа при нормальных условиях (н.у.), равный 22,4 л/моль; V - объём газа при тех же условиях.

Задача 4 (уч. 8кл,с.59). Найти массу и объём, который займут 18*1020 молекул сероводорода H₂S при н.у.

Дано:

N(H₂S)= 18*1020 молекул; найти: m и V(H2S).

Решение:

Используем следующие формулы: m= M*n;

V= Vm* n; n= N/NA.

М(H₂S)=1*2+ 32 = 34 мг/ммоль;

n(H₂S)= 18*1020 : 6 * 1023 =3 ммоль;

m(H₂S)= 34 мг/ммоль* 3 ммоль= 102 мг;

V(H₂S)= 22,4 мл/ммоль* 3 ммоль= 67,2 мл.

Ответ: m(H₂S)= 102 мг; V(H₂S)= 67,2 мл.

Таким образом, справедлива формула, объединяющая основные расчёты с количеством вещества: n= m/M = N/NA =V/Vm.

Состояние идеального газа заданной массы характеризуется тремя параметрами: давлением Р, объёмом V и температурой Т. Между этими величинами были экспериментально установлены следующие соотношения.

1. При постоянной температуре

Р1V 1= V2Р2, или РV= const (закон Бойля-Мариотта).

2. При постоянном давлении

V1/Т1 = V₂/ Т₂, или V/Т = const (закон Гей-Люссака).

• При постоянном объёме

P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, или PV/T = const (закон Шарля).

Эти три закона объединил французский физик Б.Клапейрон в 1834 г. Значение постоянной в уравнении зависит только от количества вещества газа. Уравнение для одного моля газа было выделено Д.И.Менделеевым в 1874 г. Для одного моля газа постоянная называется универсальной газовой постоянной и обозначается R:

PV = RT, где R= 8,314 Дж/(моль*К)=0,0821 л*атм/(моль*К)

По соотношению количества веществ можно найти формулу неизвестного вещества, если известны массовые доли элементов.

Задача 5 (Ерёмин, т.1, с.36). определите формулу химического соединения, если массовые доли составляющих его элементов равны: Н - 2,04%, S - 32,65%; O - 65,31%.

Решение. По массовым долям элементов можно найти только простейшую формулу. Возьмём образец вещества массой 100 г и найдём отношение количеств элементов (в молях) в этом образце. Для этого следует разделить массу каждого элемента на его относительную атомную массу:

N(H):N(S):N(O) = 2,04/1:32,65/32:65,16/16 = 2,04:1,02:4,08

Наименьшее из чисел (1,02) принимаем за единицу и находим отношение:

N(H):n(S):n(O) = 2:1:4, что соответствует соединению: H₂SO₄.

Расчёт молярной доли также требует использование количества вещества.
Молярная доля N - отношение количества растворённого вещества n₁ или растворителя n₂ к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. Если одно вещество растворено в другом, то молярная доля растворённого вещества

N₁ = n₁/n₁+n₂,

А молярная доля растворителя

N₂ = n₂/n₁+n₂

Молярную долю можно выражать в долях и в процентах(%).

Задача 6 (Практикум, с.116-117). Найти молярную долю сульфата натрия в 15%-ном его растворе.

Решение. В каждых 100 г раствора содержится 15 г Na₂SO₄ и 85 г H₂O.

М(Na₂SO₄)= 142 г/моль; М(h₂O)= 18 г/моль;

n1(Na₂SO₄) = 15/142 = 0,105; n₁(Na₂SO₄) = 0,105 моль;

n₂(H₂O) = 85/18 = 4,722; n2(H2O) = 4,722 моль

N(Na₂SO₄) = n₁/n₁+n₂ = 0,105/0,105 + 4,722 =0,021 (2,1%)

N(H₂O) = n₂/n₁ + n₂ = 4,722/0,105 + 4/722 = 0,98 (98%).

МОЛЯЛЬНОСТЬ раствора (Смл) выражают числом молей растворённого вещества, приходящихся на 1000 г растворителя, т.е. количество вещества n на 1000 г растворителя:

Смл = n/m₁ * 1000, или Смл = n/m₁-m₂ * 1000,или Cмл = m₃/M(m₂-m₃)*1000, где

• m₁ - масса растворителя, г;
• m₂ - масса раствора, г;
• m₃ - масса растворённого вещества, моль;
• n - количество растворённого вещества, моль;
• М - молярная масса растворённого вещества, г/моль.

Растворы, для которых Смл=1; 2; 0,1; 0,01 моль/1000 г называются соответственного одно-, двух-, деци-, и сантимолярными.

Задача 7. Определить Смл водного раствора, в 200 г которого содержится 50,5 г KNO₃.

Решение. М(KNO₃)= 101 г/моль. Следовательно,

Смл= 50,5*1000: 101*(200-50,5)=3,3; Смл=3,3 моль в 1000 г Н₂О

МОЛЯРНУЮ концентрацию СМ выражают числом молей растворённого вещества в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого содержится 1 моль растворённого вещества, называют одномолярным или молярным и обозначают М. Если в 1 л раствора содержится 0,1 моль растворённого вещества, то его называют децимолярным и обозначают 0,1 М и т.д.

СМ =n/V, где n - количество вещества, моль, или

СМ = m/M*V, V - объём раствора, л.

Во многих формулах буквой n обозначают не только количество вещества, а и число распавшихся молекул, например, в формуле вычисления степени диссоциации; в другой - степень полимеризации в полимерах природных и искусственных. Количество вещества многие химики обозначают греческой буквой ν (ню), что не рекомендуется, т.к. в химической термодинамике обозначается стереометрический коэффициент вещества в реакции, а он, по определению, положителен для продуктов реакции и отрицателен для реагентов. Да и в других формулах. Поэтому предлагаю для определения количества вещества предложить другую букву Ǩ, которую не использовали ни для каких измерений, чтобы не вызывало путаницы.

Литература

1. Практикум по неорганической химии. Учебное пособие для студентов // Л.В.Бибич, С.А.Балезин, Ф.Б.Гликин и др. - 4-е изд.перераб. - М.: Просвещение, 1991.- 320 с.
2. Кузьменко Н.Е. и др. Задачи по химии для абитуриентов - М., Просвещение, 1992. - 191 с.
3. Кузьменко Н.Е. и др. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. В двух томах. 15-е изд., стереотип. - М.: Издательство «Экзамен», 2010.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд.испр и доп. - М.: «Издательство Новая Волна»: Издатель Умеренков, 2004 - 278 с.
5. Интернет-ресурсы