Химия — наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях. Любая химическая задача опирается на понятия этой темы: атом, молекула, элемент, простое и сложное вещество, относительная масса, валентность, основные законы химии. Если вы чётко различаете эти термины, большая часть тестовых вопросов перестаёт быть «игрой слов», а составление формул и нахождение массовой доли в расчётных задачах становится автоматическим навыком. Хотя тема вводная, вопросы по ней встречаются на экзамене ежегодно.
Не все вещества состоят из молекул. Ионные соединения (NaCl, CaO) состоят из ионов, металлы — из атомов и ионов, алмаз и кварц (SiO₂) — из непрерывной сетки атомов. Для таких веществ говорят не «молекула», а формульная единица.
Химический знак обозначает элемент и один его атом (O), а формула показывает состав вещества (O₂ — молекула кислорода, 2O₂ — две молекулы). Число перед формулой — коэффициент, маленькое число после знака элемента — индекс.
Простое вещество состоит из одного элемента (O₂, O₃, Fe, S₈), сложное — из нескольких элементов (H₂SO₄, NaCl, C₂H₅OH).
Слово «кислород» употребляется в двух смыслах: «в состав воды входит кислород» — это элемент; «мы дышим кислородом» — это простое вещество O₂. Так же: «железо входит в состав крови» — элемент, «железный гвоздь» — простое вещество.
Аллотропия — способность одного элемента образовывать несколько простых веществ: кислород (O₂ и озон O₃), углерод (алмаз, графит, карбин, фуллерен), фосфор (белый, красный, чёрный), сера (ромбическая, моноклинная, пластическая), олово (белое и серое). Аллотропные модификации различаются составом молекул (O₂ и O₃) или строением кристаллической решётки (алмаз и графит).
Чистое вещество имеет постоянный состав и свойства (определённые температуры плавления и кипения). Смесь состоит из нескольких веществ, её состав переменный: воздух, морская вода, нефть, сплавы. Смеси разделяют физическими методами: отстаиванием, фильтрованием, выпариванием, перегонкой, действием магнита.
Горение, ржавление, брожение, скисание молока, переваривание пищи, фотосинтез — химические явления. В реакции атомы не исчезают и не появляются, а только перегруппировываются, поэтому масса сохраняется.
Закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ (М. В. Ломоносов, 1748; А. Лавуазье, 1789)
Поэтому уравнение реакции уравнивают: число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым.
Закон постоянства состава (Ж. Пруст): чистое вещество независимо от способа получения имеет постоянный состав
Например, в воде всегда m(H) : m(O) = 2 : 16 = 1 : 8, каким бы способом она ни была получена.
Закон Авогадро (1811): в равных объёмах газов при одинаковых температуре и давлении содержится одинаковое число молекул
Следствие: при нормальных условиях (н.у.: 0 °C, 101,3 кПа) 1 моль любого газа занимает 22,4 л. Объёмы реагирующих газов относятся как коэффициенты в уравнении реакции (закон объёмных отношений Гей-Люссака).
Нитрат алюминия разлагается: 4Al(NO₃)₃ → 2Al₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂. Найдите среднюю молярную массу выделившейся смеси газов.
Относительная атомная масса Ar — отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода-12; безразмерная величина. 1/12 массы атома углерода-12 называют атомной единицей массы (1 а.е.м. ≈ 1,66·10⁻²⁷ кг). Значения Ar в периодической таблице — средние массы изотопов, поэтому часто дробные.
Относительная молекулярная масса Mr — сумма Ar всех атомов молекулы (каждая умножается на индекс).
Mr(H₂SO₄) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98
Массовая доля элемента: ω(E) = n · Ar(E) / Mr(вещества), где n — число атомов E в формуле
Сумма массовых долей всегда равна 1 (100 %).
Найдите массовую долю азота в аммиачной селитре NH₄NO₃.
Массовая доля железа в оксиде железа 70 %. Найдите формулу оксида.
Валентность — число химических связей, которые атом образует с другими атомами; обозначается римской цифрой. Элементы с постоянной валентностью: H, Na, K, F (I); O, Mg, Ca, Ba, Zn (II); Al, B (III). С переменной валентностью: Fe (II, III), Cu (I, II), S (II, IV, VI), C (II, IV), N (I–V), P (III, V), Cl (I, III, V, VII).
Правило составления формулы бинарного соединения: находят наименьшее общее кратное (НОК) валентностей и делят его на валентность каждого элемента. Al(III) и O(II): НОК = 6, 6/3 = 2 атома Al и 6/2 = 3 атома O → Al₂O₃. Обратная задача: чтобы найти валентность по формуле, общую валентность одного элемента делят на число атомов другого; в Fe₂O₃ 2·3 = 6, валентность железа 6/2 = III.