§ 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 · Аr(Н) = 2 · 1 = 2), а відносна атомна маса атома Оксигену дорівнює 16 (Аr(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;
Аr — відносна атомна маса елемента Е;
Мr — 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;
Ar(Е) — відносна атомна маса елемента;
Mr (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.