§ 21. Кількість речовини

Уявіть собі продовольчий магазин, у який завезли цукор. Цукор складається із дуже маленьких кристалів органічної сполуки сахарози. Для того, щоб дізнатися кількість цукру, не треба перераховувати один за одним всі кристали, потрібно лише порахувати привезені мішки. Схожий спосіб використовують і в хімії для визначення кількості тієї чи іншої речовини.

Кількість речовини означає, скільки найменших частинок (структурних одиниць) даної речовини міститься у тому чи іншому зразку. Для речовин молекулярної будови такими частинками є молекули, в решті випадків структурна одиниця відповідає хімічній формулі, наприклад для кварцу — SiO₂, кухонної солі — NaCl, заліза — Fe. Кількість речовини позначають латинською буквою n.

Атоми і молекули, з яких складається речовина, дуже малі, тому не дивно, що їх число в навколишньому світі величезне. Навіть у дуже маленькому кристалі цукру число молекул перевищує мільярд мільярдів. Хіміки, не маючи можливості перерахувати окремі молекули, для вимірювання кількості речовини використовують спеціальну одиницю — моль. (Слово «моль» не відміняється, коли перед ним числове значення записане цифрами: 2 моль водню реагують з 1 моль кисню. Якщо числове значення кількості речовини записане словами, то слово «моль» відміняється: два моля водню реагують з одним молем кисню).

Моль — це така кількість речовини, що містить 6,02 · 10 23 структурних частинок (атомів, молекул, йонів тощо).

АВОГАДРО Амедео (1776-1856)

Італійський фізик і хімік. Увів поняття «молекула» і «молекулярна маса». У 1814 році відкрив важливий для фізики і хімії закон, названий його ім’ям. На основі цього закону Авогадро розробив метод визначення молекулярних і атомних мас. Він перший встановив, що формула води — Н₂О, а не НО, як вважали раніше. Стала Авогадро була введена в науку через багато років після смерті вченого.

Число 6,02 · 10 23 називають числом Авогадро на честь італійського вченого Амедео Авогадро. Це число вибрали для визначення моля, тому що саме стільки атомів міститься у 12 г ізотопу Карбону 12 С, який використовують як стандарт для визначення атомної одиниці маси.

Число Авогадро чисельно дорівнює сталій Авогадро яку позначають N_A. Ця стала, на відміну від числа Авогадро, має розмірність моль -1 . Таким чином

N_A = 6,02 · 10 23 моль -1 .

Поняття «моль» можна застосовувати не тільки для молекул, але й для атомів, йонів, електронів тощо.

Знаючи сталу Авогадро, можна будь-яку кількість речовини виразити в молях. Якщо речовина містить N молекул (чи структурних одиниць), то кількість речовини дорівнює:

Знаючи кількість речовини в молях можна знайти число частинок:

ЗАДАЧА 1. У класній кімнаті міститься 4,93 · 10 26 молекул кисню. Знайдіть кількість речовини кисню.

ЗАДАЧА 2. Скільки атомів Сульфуру містять 2 моль сірки?

Поняття «моль» відіграє важливу роль у розрахунках за формулами речовин і рівняннях хімічних реакцій.

Наприклад, формула води Н₂О може означати і одну молекулу води, і один моль цієї речовини. Із формули води видно, що молекула Н₂О містить два атоми Гідрогену і один атом Оксигену. А якщо ми візьмемо не одну молекулу, а один моль води, тобто 6,02 · 10 23 молекул? Тоді й атомів буде у 6,02 · 10 23 разів більше: один моль води містить два молі атомів Гідрогену і один моль атомів Оксигену.

ЗАДАЧА 3. Визначте кількість атомів Нітрогену й Оксигену (в молях) у 0,5 моль нітроген(V) оксиду.

• . якщо одним молем монеток номіналом 1 копійка покрити всю поверхню Землі, включаючи моря і океани, то отримаємо шар товщиною 1 км.

• Кількість речовини — це кількість частинок (атомів, молекул, йонів тощо).

• Кількість речовини виражають у молях.

• Моль — це така кількість речовини, що містить 6,02 · 10 23 структурних частинок (атомів, молекул, йонів тощо).

• Число частинок N, стала Авогадро N_А і кількість речовини n зв’язані формулами:

Початковий рівень

1. Що таке кількість речовини?

2. Дайте визначення поняття «моль».

3. Яку величину називають сталою Авогадро?

4. Одиницею вимірювання кількості речовини є

Середній рівень

5. У склянці міститься 1 моль води. Обчисліть число молекул води у склянці.

6. Плівка золота містить 3,01 · 10 19 атомів Ауруму. Обчисліть кількість речовини золота (в молях).

Достатній рівень

7. Скільки молів атомів Оксигену міститься у вуглекислому газі (карбон(IV) оксиді), кількість речовини якого: а) 1 моль; б) 4 моль; в) 0,3 моль.

8. Обчисліть кількість речовини сульфур(VI) оксиду SO₃, якщо відомо, що кількість речовини атомів Оксигену становить: а) 1 моль; б) 3 моль; в) 0,18 моль.

Високий рівень

9. Скільки молів електронів міститься в одному молі: а) заліза; б) натрій хлориду?

10. Де більша кількість речовини Оксигену: у 3 моль карбон(ІІ) оксиду чи 2 моль карбон(IV) оксиду?

11. Яка кількість речовини алюміній хлориду AlCl₃ містить 9,03 · 10 23 йонів Хлору? Скільки йонів Алюмінію у такій порції сполуки?

12. У якій кількості речовини амоніаку NH₃ міститься стільки ж атомів Гідрогену, скільки їх є у: а) 3 моль води; б) 6 моль гідроген сульфіду H₂S; в) 12 моль метану СН₄?

13.* Подумайте, як можна наглядно продемонструвати, наскільки велике число Авогадро.

§ 1. Хімічний елемент, речовина. Хімічна формула

ХІМІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ І ВІДНОСНА АТОМНА МАСА. Відомо понад 20 млн речовин. Незважаючи на таку величезну їхню різноманітність, утворені вони порівняно невеликою кількістю видів атомів.

Вид атомів з однаковим зарядом ядра називають хімічним елементом.

Нині відкрито 117 хімічних елементів.

Відносна атомна маса хімічного елемента (A_r). Маси атомів вражаюче малі. Наприклад, маса атома Карбону дорівнює 1,993 · 10 -24 г. Користуватися такими числами під час розрахунків незручно. Тому хіміки у своїй практиці використовують відносні атомні маси хімічних елементів. Їх визначають, порівнюючи масу атома хімічного елемента з атомною одиницею маси (а.о.м.) — 1/12 частиною маси атома Карбону.

У порівнянні з нею встановлено відносні атомні маси хімічних елементів.

Відносна атомна маса хімічного елемента (A_r) показує, у скільки разів маса атома хімічного елемента більша за атомну одиницю маси. A_r не має одиниць вимірювання, тобто є безрозмірною величиною.

Так, відносна атомна маса Гідрогену дорівнює 1, відносна атомна маса Оксигену — 16, Феруму — 56.

A_r(Fe) = 56

НАЗВИ ТА СИМВОЛИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Назви й письмові позначення хімічних елементів за допомогою символів запропонував шведський хімік Й. Берцеліус у 1814 р. Ними дотепер користуються вчені всього світу. Кожний символ хімічного елемента — це перша або дві перші літери його латинської назви.

Пригадайте! Назви та символи хімічних елементів, як і власні назви, пишуть з великої літери, а назви речовин, утворених хімічними елементами, — з малої (Н — Гідроген, О — Оксиген, Н₂— водень, О₂ — кисень).

Попрацюйте групами

Опрацюйте інформацію таблиці 1 та пригадайте назви і символи хімічних елементів, з якими вам доведеться найчастіше мати справу, вивчаючи хімію. Зверніть увагу на те, що блакитним кольором виділено неметалічні елементи, а червоним — металічні.

Символ, його вимова, заряд ядра атома та відносна атомна маса деяких хімічних елементів

ХІМІЧНІ ФОРМУЛИ. Склад речовини передають хімічною формулою.

Хімічна формула — умовне позначення складу речовини за допомогою символів хімічних елементів та індексів.

Наприклад, формула ортофосфатної кислоти Н₃РО₄ передає склад її молекули. Одна молекула цієї речовини складається з трьох атомів Гідрогену, одного атома Фосфору й чотирьох — Оксигену (схема 1).

Сформулюйте самостійно визначення хімічної формули та порівняйте його з поданим у підручнику.

Схема 1. Хімічна формула ортофосфатної кислоти

Склад речовин немолекулярної будови також відображають хімічними формулами. Їхні формули вказують на співвідношення структурних частинок речовини.

Наприклад, формула кухонної солі NaCl свідчить про те, що відношення в речовині її структурних частинок (іонів Натрію і йонів Хлору) становить 1:1.

За хімічними формулами легко розуміти та описувати якісний і кількісний склад речовин.

Якісний склад указує, з атомів яких хімічних елементів утворилася речовина, кількісний — скільки атомів кожного хімічного елемента позначає хімічна формула речовини. Якщо речовина має молекулярну будову, то якісний склад — це кількість атомів кожного елемента в молекулі.

ВІДНОСНА МОЛЕКУЛЯРНА МАСА РЕЧОВИНИ. Відносну молекулярну масу також визначають на основі порівняння маси молекули з атомною одиницею маси.

Відносну молекулярну масу речовини визначають за її хімічною формулою як суму відносних атомних мас елементів, що належать до хімічної формули речовини, з урахуванням їхньої кількості, позначеної індексами. Як і відносна атомна маса, відносна молекулярна маса є величиною безрозмірною. На письмі її позначають M_r.

Відносну молекулярну масу речовин обчислюють однаково для всіх речовин незалежно від того, з яких структурних частинок вони утворені.

Поміркуйте, який кількісний і якісний склад речовини з хімічною формулою FeCO₃.

Приклад 1. Обчислення M_r вуглекислого газу СО₂ — речовини молекулярної будови.

Приклад 2. Обчислення M_r натрій сульфату Na₂SO₄ — речовини немолекулярної будови.

Замість назви «відносна молекулярна маса» може бути використана назва «відносна маса». Інша назва відносної молекулярної маси речовин немолекулярної будови — відносна формульна маса речовини. Ця назва свідчить про те, що її обчислення проводять за хімічною формулою речовини.

Для обчислення відносної молекулярної маси речовини необхідно:

• записати хімічну формулу речовини;
• дізнатися відносні атомні маси елементів, зазначених у хімічній формулі;
• знайти суму відносних атомних мас усіх атомів, що є у складі формули сполуки.

ВАЛЕНТНІСТЬ. Формули речовин складають з урахуванням валентності атомів.

Валентність — це здатність атома приєднувати або заміщувати певну кількість інших атомів.

У бінарних сполуках сума одиниць валентності одного елемента дорівнює сумі одиниць валентності іншого.

Наприклад, у формулі

сума валентностей Бору — 6, Оксигену — також 6.

Знаючи це, можна за відомою валентністю одного елемента визначати валентність іншого. Наприклад, у формулі Mg₃N₂ постійну валентність ІІ має Магній. Сума одиниць його валентності дорівнює 6. Поділимо її на 2 (індекс Нітрогену) і встановимо, що його валентність у цій сполуці дорівнює ІІІ.

Деякі атоми мають постійну валентність. Більшість елементів проявляють кілька значень валентності, тобто їх валентність є змінною. Валентність виражається цілими римськими числами. Мінімальне значення валентності І, максимальне — VIII.

Елементів із постійною валентністю не так багато. Їх приклади подано в переліку:

Поняття валентності поширюється й на хімічні елементи, з яких утворені прості речовини, що мають двохатомні молекули.

ПРОСТІ ТА СКЛАДНІ РЕЧОВИНИ. За складом речовини поділяють на прості та складні.

Прості речовини — це речовини, утворені атомами одного хімічного елемента (наприклад, Fe, О₂, Са, Н₂). Серед них розрізняють метали й неметали.

Приклади металів: цинк Zn, калій K, кальцій Ca, магній Mg, олово Sn, свинець Pb, мідь Cu, залізо Fe, алюміній Al, срібло Ag, золото Au та інші.

Приклади неметалів: водень H₂, кисень O₂, озон O₃, азот N₂, гелій Не, неон Ne, аргон Ar, вуглець C (таку спільну назву застосовують до всіх простих речовин Карбону), сірка S, фосфор P, хлор Cl₂, йод I₂ та інші (мал. 1).

Мал. 1. Метали й неметали

Спільними властивостями всіх металів є:

• висока теплопровідність і електропровідність;
• здебільшого сірий, сріблясто-сірий колір (винятки: золото — жовте, мідь — цегляно-червона);
• відсутність запаху;
• пластичність — їх легко кувати, витягувати в дріт, прокатувати в листи.

Усі метали за кімнатної температури перебувають у твердому агрегатному стані, окрім ртуті (рідина).

Перелічені властивості металів не притаманні неметалам. Тому про них можна сказати, що це прості речовини, які не мають металічних властивостей. Так, неметали не проводять чи погано проводять тепло й електричний струм, є крихкими, а не пластичними. Водень, кисень, азот, фтор, хлор, гелій, аргон та інші за кімнатної температури перебувають у газоподібному агрегатному стані. Фосфор, вуглець, сірка, йод — тверді.

За сучасною українською хімічною номенклатурою назви деяких простих речовин не збігаються з назвами хімічних елементів, з яких вони утворилися (табл. 2).

Формули і назви простих речовин

Проста речовина

Назва хімічного елемента

Проста речовина

Назва хімічного елемента

формула

назва

формула