Химический состав

Химический состав  – это совокупность компонентов, из которых состоит вещество (или смесь веществ). В зависимости от природы вещества, под компонентами могут подразумеваться различные структурные единицы вещества:

• химические элементы,
• химические соединения,
• ионы,
• радикалы,
• изотопы,
• функциональные группы,
• группы и классы веществ, обладающими определенными свойствами и т.д.

Согласно атомно-молекулярному учению, наименьшими структурными единицами веществ являются атомы, молекулы и ионы.

Из атомов состоят:

• все металлы;
• многие неметаллы (инертные газы, C, Si, B, Se, As, Te).

Из молекул состоят:

• практически все органические вещества;
• небольшое число неорганических: простые и сложные газы (H₂, O₂, O₃, N₂, F₂, Cl₂, NH₃, CO, CO₂, SO₃, SO₂, N₂O, NO, NO₂, H₂S), а также H₂O, Br₂, I₂ и некоторые другие вещества.

Из ионов состоят:

• все соли;
• многие гидроксиды (основания и кислоты).

Простые вещества состоят из атомов или молекул, сложные – из молекул или ионов. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из различных атомов.

---

 

Закон постоянства состава

Закон постоянства состава был открыт Ж. Прустом в 1801 году:

Всякое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.

К примеру, оксид углерода СО₂ можно получить несколькими способами:

• С + O₂ =^t= CO₂
• MgCO₃ +2HCl = MgCl₂+ H₂O +CO₂
• 2CO + O₂ = 2CO₂
• CaCO₃ =^t= CaO + CO₂

Однако, независимо от способа получения, молекула СО₂ всегда имеет один и тот же состав: 1 атом углерода и 2 атома кислорода.

Важно помнить:

• Обратное утверждение, что определенному составу отвечает определенное соединение, неверно. К примеру, диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый качественный и количественный состав, отраженный в простейшей формуле С₂Н₆О, однако они являются различными веществами, так как имеют различное строение. Их рациональные формулы в полуразвернутом виде будут разными:

1. СН₃ – О – СН₃ (диметиловый эфир);
2. СН₃ – СН₂ – ОН (этиловый спирт).

• Закон постоянства состава строго применим лишь к соединениям с молекулярной структурой (дальтонидам). Соединения с немолекулярной структурой (бертоллиды) часто имеют переменный состав.

---

Химический состав сложных веществ и механических смесей

Сложное вещество (химическое соединение) – это вещество, состоящее из атомов различных химических веществ.

Основные признаки химического соединения:

• Однородность;
• Постоянство состава;
• Постоянство физических и химических свойств;
• Выделение или поглощение энергии при образовании;
• Невозможность разделения на составные части физическими методами.

В природе нет абсолютно чистых веществ. В любом веществе имеется хотя бы ничтожный процент примесей. Поэтому на практике всегда имеют дело с механическими смесями веществ. Однако, если содержание одного вещества в смеси значительно превосходит содержание всех остальных, то условно считается, что такое вещество является индивидуальным химическим соединением.

Допустимое содержание примесей в веществах, выпускаемых промышленностью, определяется стандартами и зависит от марки вещества.

Общепринята следующая маркировка веществ:

• техн – технический (в своем составе может иметь до 20%; примесей);
• ч – чистый;
• чда – чистый для анализа;
• хч – химически чистый;
• осч – особой чистоты (допустимая норма примесей в составе – до 10^-6 %).

Вещества, образующие механическую смесь, называются компонентами. При этом вещества, масса которых составляет большую часть от массы смеси, называют основными компонентами, а все остальные вещества, образующие смесь – примесями.

Отличия механической смеси от химического соединения:

• Любую механическую смесь можно разделить на составные части физическими методами, основанными на различии плотностей, температур кипения и плавления, растворимости, намагничиваемости и других физических свойств компонентов, образующих смесь (например, смесь древесных и железных опилок можно разделить с помощью Н₂О или магнита);
• Непостоянство состава;
• Непостоянство физических и химических свойств;
• Неоднородность (хотя смеси газов и жидкостей могут быть однородны, к примеру – воздух).
• При образовании механической смеси не происходит выделения и поглощения энергии.

Промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями занимают растворы:

Как и для химических соединений, для растворов характерна:

• однородность;
• выделение или поглощение теплоты при образовании раствора.

Как и для механических смесей, для растворов характерна:

• легкость разделения на исходные вещества физическими методами (например, выпариванием раствора поваренной соли, можно получить отдельно Н₂О и NaCl);
• непостоянство состава – их состав может меняться в широких пределах.

Химический состав по массе и по объему

Состав химических соединений, а также состав смесей различных веществ и растворов выражают в массовых долях (массовых %), а состав смесей жидкостей и газов, кроме того, в объемных долях (объемных %).

Состав сложного вещества, выраженный через массовые доли химических элементов, называется составом вещества по массе.

Например, состав Н₂О по массе:

 

То есть, можно сказать, что химический состав воды (по массе): 11,11% водорода и 88,89% кислорода.

Массовая доля компонента в механической смеси (W) – это число, показывающую, какую часть смеси составляет масса компонента от общей массы смеси, принятой за единицу или 100%.

W₁ = m₁/m_(cм.),  m_(см.) = m₁ + m₂+ …. mn,

Где m₁ – масса 1-го (произвольного)компонента, n – число компонентов смеси, m₁ … m_n – массы компонентов, образующих смесь, m_(cм.) – масса смеси.

Например, массовая доля основного компонента:

W_{(осн. комп)} = m_{(осн. комп)}/m_(см.)

Массовая доля примеси:

W_(прим.) = m_(прим)/m_(см.)

Сумма массовых долей всех компонентов, образующих смесь равна 1 или 100%.

Объемная доля газа (или жидкости) в смеси газов (или жидкостей) — это число, показывающее, какую часть по объему составляет объем данного газа (или жидкости) от общего объема смеси, принятого за 1 или за 100%.

Состав смеси газов или жидкостей, выраженный в объемных долях, называется составом смеси по объему.

Например, состав смеси сухого воздуха:

• По объему: W^об_(N2) = 78,1%, W^об_(O2) = 20,9%
• По массе: W_(N2) = 75,5%, W_(O2) = 23,1%

Этот пример наглядно демонстрирует, что во избежание путаницы, корректно будет всегда указывать, по массе или по объему указано содержание компонента смеси, ведь эти цифры всегда отличаются: по массе в воздушной смеси кислорода получается 23,1 %, а по объему – всего 20,9%.

Растворы можно рассматривать как смеси из растворенного вещества и растворителя. Поэтому их химический состав, как и состав любой смеси, можно выражать в массовых долях компонентов:

W_{(раств. в-ва)} = m_{(раств. в-ва)}/m_(р-ра),

где

m_(р-ра) = m_{(раств. в-ва)} + m_{(растворителя)}

или  

m_(р-ра) = p_(р-ра)·V_(р-ра)

Состав раствора, выраженный через массовую долю растворенного вещества (в %), называется процентной концентрацией этого раствора.

Состав растворов жидкостей в жидкостях (например, спирта в воде, ацетона в воде) удобнее выражать в объемных долях:

W^об_{%(раств. ж)} = V_{(раств.ж)}· V_(р-ра)·100%;

где

V_(р-ра) =  m_(р-ра)/p_(р-ра)

или приближенно

V_(р-ра) ≈ V_(H2O) + V_{(раств. ж)}

Например, содержание спирта в винно-водочных изделиях указывают не в массовых, а в объемных долях (%) и называют эту цифру крепостью напитка.

Состав растворов твердых веществ в жидкостях или газов в жидкостях в объемных долях не выражают.

Химическая формула, как отображение химического состава

Качественный и количественный состав вещества отображают с помощью химической формулы. К примеру, карбонат кальция имеет химическую формулу «CaCO₃». Из этой записи можно почерпнуть следующую информацию:

• Количество молекул – 1.
• Количество вещества – 1 моль.
• Качественный состав (какие химические элементы образуют вещество) – кальций, углерод, кислород.
• Количественный состав вещества:

1. Число атомов каждого элемента в одной молекуле вещества: молекула карбоната кальция состоит из 1 атома кальция, 1 атома углерода и 3 атомов кислорода.
2. Число молей каждого элемента в 1 моле вещества: В 1 моль СаСО₃ (6,02 ·10²³ молекулах) содержится 1 моль (6,02 ·10²³ атомов) кальция, 1 моль (6,02 ·10²³ атомов) углерода и 3 моль (3·6,02·10²³ атомов) химического элемента кислорода)

• Массовый состав вещества:

1. Масса каждого элемента в 1 моле вещества: 1 моль карбоната кальция (100г) содержит химических элементов: 40г кальция, 12г углерода, 48г кислорода.
2. Массовые доли химических элементов в веществе (состав вещества в процентах по массе):

W_(Ca) = (n_(Ca)·Ar_(Ca))/Mr_(CaCO3) = (1·40)/100= 0,4 (40%)

W_(C) = (n_(Ca) ·Ar_(Ca))/Mr_(CaCO3) = (1·12)/100= 0,12 (12%)

W_(О) = (n_(Ca) ·Ar_(Ca))/Mr_(CaCO3) = (3·16)/100= 0,48 (48%)

• Для вещества с ионной структурой (соли, кислоты, основания) — формула вещества дает информацию  о числе ионов каждого вида в молекуле, их количестве и массе ионов в 1 моль вещества:

1. Молекула СаСО₃  состоит  из иона Са²⁺ и иона СО₃^2-
2. 1 моль (6,02·10²³ молекул) СаСО₃ содержит 1 моль ионов Са²⁺и 1 моль ионов СО₃^2-;
3. 1 моль (100г) карбоната кальция содержит 40г  ионов Са²⁺ и 60г ионов СО₃^2- ;

---

 

Список литературы:
Автор: Метельский А.В.
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год