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:

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:химический состав воды

 

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, m1mn – 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: Wоб(N2) = 78,1%, Wоб(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:

Wоб%(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 молекул1.
  • Количество вещества1 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 СО32-
  2. 1 моль (6,02·1023 молекул) СаСО3 содержит 1 моль ионов Са2+и 1 моль ионов СО32-;
  3. 1 моль (100г) карбоната кальция содержит 40г  ионов Са2+ и 60г ионов СО32- ;

 

Список литературы:
Автор:
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter