Хімія. Повторне видання. 8 клас. Попель

3 розділ. Кількість речовини. Розрахунки за хімічними формулами

Кілька століть тому алхіміки перед початком дослідів і після їх завершення зважували речовини, визначали їхні об’єми. Після відкриття Ломоносовим і Лавуазьє закону збереження маси речовин під час реакцій хімія почала швидко розвиватися, набуваючи статусу точної науки. Нині розрахунки є невід’ємною частиною хімічних досліджень.

§ 18. Кількість речовини

Матеріал параграфа допоможе вам:

• зрозуміти суть фізичної величини «кількість речовини», а також одиниці її вимірювання — моля;
• з’ясувати, скільки і яких частинок міститься в 1 моль речовини;
• розв’язувати задачі на обчислення або використання кількості речовини.

Кількість речовини. Вам відомо, що речовини мають різну будову — атомну, молекулярну, йонну. Перетворення одних речовин на інші відбуваються внаслідок сполучення атомів у молекули, розпаду молекул на атоми, перегрупування атомів або йонів. Коментуючи реакцію горіння вуглецю

C + O₂ = CO₂,

ви скажете, що кожний атом Карбону взаємодіє з однією молекулою кисню з утворенням молекули вуглекислого газу.

Щоб підготувати хімічний дослід, немає потреби перераховувати атоми, молекули реагентів. Це й неможливо зробити. Хіміки використовують фізичну величину, яка визначається кількістю найменших частинок речовини в певній її порції. Назва цієї величини — кількість речовини. Її позначають латинською літерою n; раніше для цього використовували грецьку літеру ν («ню»).

Цікаво знати

Кількість речовини використовують для характеристики складу розчинів у наукових дослідженнях.

Одиницею вимірювання кількості речовини є моль¹.

¹ Термін походить від латинського слова moles — безліч.

Порція простої речовини атомної будови в 1 моль містить 602 000 000 000 000 000 000 000 атомів. Це число можна записати як 602 • 10²¹ (21 — кількість нулів у першому записі числа), або 6,02 • 10²³. В 1 моль² речовини молекулярної будови міститься 6,02 • 10²³ молекул.

² Слово «моль» не відмінюється, якщо перед ним є число, але відмінюється, якщо числа немає. Приклади словосполучень: взято 5 моль заліза, означення моля.

• Скільки молекул міститься в 1/2 моль вуглекислого газу?

У разі йонних сполук і складних речовин атомної будови число 6,02 • 10²³ стосується груп частинок (йонів, атомів), наявних у хімічній формулі речовини¹. Для натрій хлориду NaCl — це катіон Na⁺ і аніон Cl^-, а для силіцій(IV) оксиду SiO₂ — атом Силіцію і два атоми Оксигену.

¹ Таку групу йонів або атомів називають формульною одиницею.

1 моль — порція речовини, яка містить 6,02 • 10²³ атомів, молекул або наявних у її хімічній формулі груп атомів чи йонів.

• Скільки катіонів і аніонів в 1 моль літій оксиду?

Число 6,02 • 10²³ обрано не випадково. Учені визначили, що саме стільки атомів міститься, наприклад, у 12 г графіту, а молекул — у 18 г води. Ці маси чисельно дорівнюють відносній атомній масі Карбону (A_r(C) = 12) або відносній молекулярній масі води (M_r(H₂O) = 18).

Уявлення про порції деяких речовин в 1 моль можна отримати з малюнка 35.

Мал. 35. Порції речовин в 1 моль: а — алюміній; б — вода; в — кухонна сіль

Поняття «кількість речовини» використовують не лише щодо речовин, а й щодо окремих частинок, зокрема йонів.

Число 6,02 • 10²³ в мільярди разів перевищує кількість волосин на головах, у вусах, бородах усіх людей, які живуть на Землі. Якщо вкрити земну поверхню такою кількістю тенісних м’ячиків, то товщина цього «покриття» досягатиме 100 км. Якщо ж розмістити 6,02 • 10²³ атомів Гідрогену, найменших серед усіх атомів, упритул один до одного в лінію, то її довжина становитиме приблизно 6 • 10¹⁰ км. Ниткою такої довжини можна обмотати земну кулю по екватору понад 1 500 000 разів (мал. 36).

Мал. 36. 1 моль атомів Гідрогену

Числу 6,02 • 10²³ відповідає стала, яку назвали сталою Авогадро на честь італійського вченого А. Авогадро. Її позначення — N_A, а розмірність пояснює такий вираз:

Виведемо формулу для обчислення кількості речовини за кількістю найменших частинок. Припустимо, що порція речовини містить N молекул. Міркуємо так:

в 1 моль речовини міститься N_A молекул, в n моль речовини — N молекул.

Згідно з пропорцією:

Амедео Авогадро

(1776-1856)

Видатний італійський фізик і хімік. Висунув гіпотезу про молекулярну будову речовин, зокрема газів. Відкрив один із законів для газів (1811), згодом названий його іменем. Уточнив атомні маси деяких елементів, визначив склад молекул води, амоніаку, метану, сірководню, вуглекислого і чадного газів, деяких інших сполук. Запропонував експериментальні методи визначення молекулярних мас газоподібних речовин.

Розв’язування задач. Розглянемо, як розв’язують задачі на розрахунок і використання кількості речовини.

ЗАДАЧА 1. Визначити кількість речовини алюмінію, в якій міститься 3,01 • 10²⁴ атомів.

В 1 моль будь-якої молекулярної речовини завжди міститься більше, ніж 1 моль атомів. Наприклад, в 1 моль кисню О₂ — 2 моль атомів Оксигену, а в 1 моль метану СН₄ — 1 моль атомів Карбону і 4 моль атомів Гідрогену або 5 моль усіх атомів.

• Яка кількість речовини атомів міститься в 1 моль озону О₃, у 2 моль білого фосфору Р₄, в 0,5 моль амоніаку NH₃?

Кількість речовини йонів у йонній сполуці обчислюють аналогічно.

ЗАДАЧА 2. Обчислити кількості речовини катіонів і аніонів у ферум(ІІІ) оксиді Fe₂O₃, взятому кількістю речовини 4 моль.

За хімічною формулою сполуки можна визначити співвідношення в ній кількостей речовини атомів, йонів. Наприклад, у метані СН4

n(С) : n(H) = 1 : 4,

а у ферум(ІІІ) оксиді Fe₂O₃ —

n(Fe³⁺) : n(O^2-) = 2 : 3.

Повернімося до хімічної реакції С + О₂ = СО₂, згаданої на початку параграфа. Якщо вести мову не про один атом Карбону і одну молекулу кисню чи вуглекислого газу, а про 6,02 • 10²³ частинок кожного типу, то рівняння реакції з відповідними записами матиме такий вигляд:

Отже, кількості речовини реагентів і продуктів відповідають (або пропорційні) коефіцієнтам у хімічному рівнянні. Це справедливо для будь-якої реакції. Наводимо ще один приклад:

ВИСНОВКИ

Кількість речовини в хімії визначають за кількістю її найменших частинок.

Одиниця вимірювання кількості речовини — моль. 1 моль містить 6,02 • 10²³ атомів, молекул, груп атомів або йонів, наявних у хімічній формулі речовини. Для обчислення кількості речовини використовують сталу Авогадро — 6,02 • 10²³ моль^-1.

111. Із чим пов’язують кількість речовини в хімії? Назвіть одиницю вимірювання кількості речовини.

112. Визначте кількості речовини атомів кожного елемента (усно):

• а) в 1 моль брому Br₂;
• б) у 3 моль сірководню H₂S;
• в) в 1/3 моль фосфіну PH₃.

113. Замість крапок вставте пропущені цифри:

а) у 3 моль води Н₂О міститься ... моль молекул, ... моль атомів Гідрогену, ... моль атомів Оксигену;

б) у 2 моль йонної сполуки Са(ОН)₂ міститься ... моль йонів Са²⁺ і ... моль йонів OH^-.

114. Виконайте розрахунки і заповніть таблицю:

N(H3PO4)	n(H3PO4), моль	n(H), моль	n(P), моль	n(O), моль
12,04 • 1023

115. Визначте кількість речовини вуглекислого газу, в якій містяться (усно):

• а) 3,01 • 10²³ молекул;
• б) 12,04 • 10²³ атомів Оксигену.

116. Чи може 1 моль речовини містити більш ніж 6,02 • 10²³ атомів? Відповідь поясніть і наведіть приклади.

117. У якій кількості речовини кальцій хлориду СаСl₂ міститься 3,01 • 10²⁴ йонів Са²⁺? Скільки йонів СІ^- у такій порції сполуки? (Усно.)

118. Визначте кількість речовини метану СН₄, у якій міститься стільки атомів, скільки їх перебуває:

• а) в 1 моль оксиду P₂O₃;
• б) в 0,3 моль кислоти HNO₃;
• в) у 2,5 моль оксиду СО.

119. У якій кількості речовини кухонної солі NaCl міститься стільки йонів, скільки їх перебуває:

• а) в 0,2 моль оксиду СаО;
• б) у 2 моль оксиду Li₂O;
• в) в 0,4 моль сполуки Na₂S?

120. Назвіть співвідношення кількостей речовини елементів у речовинах із формулами СаО, MgF₂, HClO₄, Fe(OH)₃.

121. Прокоментуйте хімічні реакції, використавши поняття «моль»:

• а) S + 2Cl₂ = SCl₄;
• б) N₂ + 3H₂ = 2NH₃;
• в) 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑.