§ 11. Масова частка елемента в речовині

Хімічна формула речовини містить певну інформацію про речовину. Вона не тільки відображає якісний склад речовини (тобто інформацію про хімічні елементи, з яких вона складається), але й її кількісний склад.

Наприклад, у молекулі води на два атоми Гідрогену припадає один атом Оксигену. Сумарна відносна атомна маса атомів Гідрогену дорівнює 2 (2 · А_r(Н) = 2 · 1 = 2), а відносна атомна маса атома Оксигену дорівнює 16 (А_r(О) = 16). Отже, на 2 масові частини Гідрогену у воді припадає 16 масових частин Оксигену.

Щоб описати кількісний склад речовин, використовують масову частку елемента у сполуці, яку можна обчислити за хімічною формулою. Масова частка елемента показує, яка частина маси речовини припадає на атоми даного елемента. Її обчислюють як відношення атомної маси даного елемента з урахуванням числа його атомів у молекулі до відносної молекулярної маси речовини:

де w(Е) — масова частка хімічного елемента Е, виражена в частках одиниці;

n — число атомів елемента Е, позначене індексом у формулі сполуки;

А_r — відносна атомна маса елемента Е;

М_r — відносна молекулярна маса речовини.

Фізичний зміст масової частки полягає в тому, що вона показує масу атомів даного елемента в 100 г речовини. Масова частка може виражатися в частках одиниці або відсотках. Щоб перевести частки одиниці у відсотки, слід одержані за формулою значення помножити на 100 %. Сума масових часток усіх елементів, що містяться у складі сполуки, має дорівнювати 1 або 100 %.

Приклад 1. Обчисліть масові частки хімічних елементів у вуглекислому газі СO₂.

Обчислимо відносну молекулярну масу вуглекислого газу:

Обчислимо масові частки Карбону й Оксигену:

Зверніть увагу на те, що сума масових часток Карбону й Оксигену дорівнює 1. Масову частку Оксигену можна також визначити, віднімаючи від одиниці масову частку Карбону:

Відповідь: w(С) = 27,3 %, w(О) = 72,7 %

Приклад 2. Обчисліть масу атомів Оксигену, що містяться у воді масою 1 кг.

Обчислимо масову частку Оксигену у воді:

Масова частка елемента показує частину маси речовини, що припадає на цей елемент. Обчислимо масу атомів Оксигену у воді масою 1 кг:

Відповідь: m(О) = 889 г.

Закони Пруста і Дальтона

До початку XIX століття вимірюванням мас речовин не надавали особливого значення і в науці існувала думка, що склад речовини може змінюватися залежно від способу її добування.

Жозеф Луї Пруст (1754-1826)

Видатний французький хімік, син аптекаря. Із 11 років вивчав аптекарське мистецтво. У лабораторії свого батька на самоті дуже любив змішувати реактиви, у результаті чого мало не отруївся отруйним газом. Із 14 років вивчав хімію в Парижі. Був керівником кафедри хімії в університеті Мадрида.

Пруст проводив дослідження в різних галузях хімії — мінералогії, фармації, аналітичній хімії, вивчав порохові суміші. Він винайшов ліки від цинги та деякі харчові добавки, розробив технологію виділення цукру з винограду та буряку. Відкрив закон сталості складу речовин.

І справді, чому сполука завжди має містити, скажімо, 4 г елемента X і 1 г елемента Y? Чому вона не може містити 4,1 або 3,9 г X? Але якщо матерія складається з атомів, то сполука утворюється в результаті з’єднання одного атома X з одним атомом Y в одну молекулу, і ніяк інакше. У цьому випадку співвідношення мас атомів X і Y мають бути сталими й не залежати ні від чого.

Виконавши численні досліди, французький хімік Ж. Л. Пруст довів сталість співвідношення мас елементів у різних речовинах. На підставі своїх експериментів він сформулював закон сталості складу речовини, який стверджує, що будь-яка речовина має сталий склад незалежно від способу її добування. Наприклад, кисень можна добути розкладанням різних речовин, але його формула завжди буде однакова — O₂.

Пізніше Дж. Дальтон визначив, що атоми різних елементів можуть сполучатися в різних співвідношеннях, але ці співвідношення завжди кратні відносним атомним масам елементів. Наприклад, атоми Карбону й Оксигену можуть утворювати молекули СО (чадний газ) і СO₂ (вуглекислий газ). Але у цьому випадку утворюються різні речовини, для кожної з яких характерна сталість складу. Ці дослідження Дальтона згодом оформилися в закон кратних співвідношень.

Висновки:

1. Хімічна формула містить інформацію про кількісний склад речовини. За хімічною формулою можна визначити співвідношення мас атомів різних хімічних елементів у речовині.

2. За хімічною формулою обчислюють масову частку елемента в речовині як відношення маси атомів певного елемента до відносної молекулярної маси речовини. Масова частка елемента показує, яка частина маси речовини припадає на певний хімічний елемент.

Контрольні запитання

1. У який спосіб можна визначити кількісний склад речовин?

2. Як обчислюється масова частка елемента в речовині? Наведіть формулу для її обчислення.

3. Який фізичний зміст має масова частка елемента в речовині?

4. Виберіть правильні твердження: а) за хімічною формулою можна дізнатися, які хімічні елементи містяться у складі речовини; б) за хімічною формулою можна дізнатися співвідношення атомів різних елементів у речовині; в) за хімічною формулою можна дізнатися, скільки атомів кожного елемента міститься у складі молекули речовини; г) за хімічною формулою можна дізнатися форму молекули речовини.

5. Виберіть правильну відповідь. Масова частка елемента в речовині показує; а) у скільки разів маса одного атома більша за масу молекули; б) масу атомів даного хімічного елемента в 100 г речовини; в) відношення маси атомів даного хімічного елемента до молекулярної маси; г) скільки атомів кожного елемента міститься у складі молекули.

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Обчисліть масові частки всіх елементів у сполуках із такими хімічними формулами; a) NО₂; б) РbСl₂; в) Nа₂СO₃; г) H₂SO₄; д) Ва₃(РO₄)₂.

2. Формула глюкози С₆Н₁₂O₆, формула сахарози С₁₂Н₂₂О11 У якій речовині масова частка Оксигену більша?

3. Обчисліть масу атомів Гідрогену, що містяться в амоніаку NH₃ масою 10 г.

4. Маса води на Землі оцінюється такою, що приблизно дорівнює 1,45 · 10 18 тонн. Обчисліть, яка маса атомів Гідрогену й Оксигену міститься в цій масі води.

Цікаво, що.

За співвідношенням мас атомів у XIX столітті були визначені хімічні формули майже всіх відомих на той час речовин. Можливість вираження складу речовини простими співвідношеннями стала одним із доказів існування атомів.

§ 17. Масова частка елемента у складній речовині

За хімічною формулою можна розрахувати масові частки хімічних елементів у сполуці. Масова частка хімічного елемента показує, яка частина відносної молекулярної маси речовини припадає на цей елемент.

Масова частка елемента w(E) у сполуці — це відношення маси елемента у сполуці до відповідної маси сполуки.

(w — читається дабл’ю).

w(E) — масова частка елемента у речовині;

m(E) — маса елемента у речовині;

m (сполуки) — маса сполуки.

Масова частка елемента — величина безрозмірна.

ЗАДАЧА 1. 200 г кальцій карбонату CaCO₃ містять 80 г Кальцію. Обчисліть масову частку Кальцію у цій сполуці.

Відповідь: w(Ca) = 0,4 або 40%.

Масові частки хімічних елементів використовують, коли характеризують склад мінеральних добрив, наприклад: натрієва селітра містить 15-16% Нітроґену; рідкий (безводний) амоніак — 82,3% Нітроґену.

На харчових продуктах, зазначаючи вміст поживних речовин, також використовують масові частки. Наприклад, смажене насіння соняшника містить 20,7% білків, 52,9% жирів, 3,4% вуглеводів. Йогурт «Галичина» містить 2,9% білків, 2,5% жирів, 10,9% вуглеводів, 0,001% вітамінів, від 0,014% до 0,14% мінеральних речовин.

Масову частку хімічного елемента у речовині можна також обчислювати за формулою:

n(Е) — кількість атомів хімічного елемента Е у молекулі чи формульній одиниці;

A_r(Е) — відносна атомна маса елемента;

M_r (сполуки) — відносна молекулярна (або формульна) маса хімічної речовини.

ЗАДАЧА 2. Обчисліть масові частки хімічних елементів у воді Н₂О.

Відповідь: w(H) = 11,11%; w(O) = 88,89%.

ЗАДАЧА 3. Обчисліть масові частки хімічних елементів у кальцій ортофосфаті Ca₃(PO₄)₂.

Відповідь: w(Ca) = 38,71%; w(P) = 20%; w(O) = 41,29%.

Використовуючи масову частку хімічного елемента у сполуці, можна розв’язувати й інші задачі.

ЗАДАЧА 4. Масова частка Сульфуру у деякій сполуці становить 40%. У якій масі сполуки міститься 96 г Сульфуру?

Відповідь: m(сполуки) = 240 г.

Якщо хочете знати хімію глибше.

ЗАДАЧА 5. Обчисліть масу міді, яку можна одержати із 6 т мідної руди, яка містить 2,9% купрум(І) сульфіду Cu₂S.

Відповідь: m(Cu) = 0,14 т.

За відомими масовими частками хімічних елементів, що утворюють сполуку, можна встановити хімічну формулу цієї сполуки.

ЗАДАЧА 6. Речовина складається із 24% Маґнію, 28% Силіцію і 48% Оксиґену. Встановіть хімічну формулу речовини.

ЗАДАЧА 7. Встановіть хімічну формулу сполуки, яка складається із 70% Феруму і 30% Оксиґену.

ВИСНОВКИ

• Масова частка елемента у сполуці — це величина, що показує відношення маси елемента до відповідної маси сполуки.
• Масова частка елемента — величина безрозмірна.
• Масову частку елемента у сполуці можна обчислити за її хімічною формулою.
• Сума масових часток хімічних елементів у речовині дорівнює 1, або 100%.
• За масовою часткою елемента можна знайти його масу, яка міститься в масі його сполуки.
• За відомими масовими частками хімічних елементів у речовині можна встановити хімічну формулу речовини.

Початковий рівень

• 1. Що називають масовою часткою хімічного елемента у сполуці?
• 2. Запишіть формули для обчислення масової частки елемента у речовині.

Середній рівень

• 3. Визначте масові частки хімічних елементів у молекулі SO₂.
• 4. 184 г мінералу доломіту містить 24 г Маґнію та 40 г Кальцію. Які масові частки цих елементів в доломіті?

Достатній рівень

A) калій нітраті KNO₃;

Б) натрій гідроґенсульфаті NaHSO₄.

B) барій карбонаті BaCO₃.

• 6. Певна кількість силікатної кислоти H₂SiO₃ складається з 1 г Гідроґену, 14 г Силіцію і 24 г Оксиґену. Обчисліть масові частки хімічних елементів у силікатній кислоті.

Високий рівень

• 7. Розташуйте формули речовин, не здійснюючи обчислень, в порядку зменшення масової частки Калію: KClO₃, KClO, KCl, KClO₄.
• 8. Яка маса Маґнію міститься в 300 г маґній оксиду MgO, якщо масова частка Маґнію в цій сполуці становить 60%?

Додаткове завдання

• 9. У зразку залізної руди масова частка Феруму у вигляді мінералу магнетиту Fe₃O₄ становить 60%. Яка масова частка магнетиту у цій руді?
• 10. Обчисліть масу манґану, який можна добути із 20 т руди, що містить 14% манґан(ІV) оксиду MnO₂.
• 11. Установіть хімічну формулу речовини, яка складається із 40% Кальцію, 12% Карбону і 48% Оксиґену.