ВИЗНАЧЕННЯ
Залізо- 26-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Fe від латинського «ferrum». Розташований у четвертому періоді, VIIIB групі. Належить до металів. Заряд ядра дорівнює 26.
Залізо – найпоширеніший після алюмінію метал на земній кулі: воно становить 4% (мас.) земної кори. Зустрічається залізо у вигляді різних сполук: оксидів, сульфідів, силікатів. У вільному стані залізо знаходять лише у метеоритах.
До найважливіших руд заліза відносяться магнітний залізняк Fe 3 O 4 , червоний залізняк Fe 2 O 3 , бурий залізняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O та шпатовий залізняк FeCO 3 .
Залізо – сріблястий (рис. 1) пластичний метал. Воно добре піддається ковці, прокатці та іншим видам механічної обробки. Механічні властивості заліза сильно залежать від його чистоти - від вмісту в ньому навіть дуже малої кількості інших елементів.
Мал. 1. Залізо. Зовнішній вигляд.
Атомна та молекулярна маса заліза
Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна масаелемента(A r) - у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Оскільки у вільному стані залізо існує у вигляді одноатомних молекул Fe значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 55,847.
Алотропія та алотропні модифікації заліза
Залізо утворює дві кристалічні модифікації: -залізо і -залізо. Перша з них має кубічні об'ємноцентровані грати, друга - кубічні гранецентровані. α-Залізо термодинамічно стійке у двох інтервалах температур: нижче 912 o З і від 1394 o З до температури плавлення. Температура плавлення заліза дорівнює 1539 ± 5 o С. Між 912 o З і від 1394 o З стійке γ-залізо.
Температурні інтервали стійкості α- та γ-заліза обумовлені характером зміни енергії Гіббса обох модифікацій при зміні температури. При температурах нижче 912 o З і вище 1394 o З енергія Гіббса -заліза менше енергії Гіббса -заліза, а в інтервалі 912 - 1394 o З - більше.
Ізотопи заліза
Відомо, що в природі залізо може бути у вигляді чотирьох стабільних ізотопів 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe і 57 Fe. Їхні масові числа дорівнюють 54, 56, 57 і 58 відповідно. Ядро атома ізотопу заліза 54 Fe містить двадцять шість протонів і двадцять вісім нейтронів, інші ізотопи відрізняються від нього лише числом нейтронів.
Існують штучні ізотопи заліза з масовими числами від 45 до 72, а також 6 ізомерних станів ядер. Найбільш довгоживучим серед перелічених вище ізотопів є 60 Fe з періодом напіврозпаду рівним 2,6 млн. років.
Іони заліза
Електронна формула, що демонструє розподіл за орбіталями електронів заліза виглядає так:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
Через війну хімічної взаємодії залізо віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:
Fe 0 -2e → Fe 2+;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Молекула та атом заліза
У вільному стані залізо існує як одноатомних молекул Fe. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу заліза:
Сплави заліза
До XIX століття із сплавів заліза були відомі в основному його сплави з вуглецем, що отримали назви сталі та чавуну. Однак надалі були створені нові сплави на основі заліза, що містять хром, нікель та інші елементи. В даний час сплави заліза поділяють на вуглецеві сталі, чавуни, леговані сталі та сталі з особливими властивостями.
У техніці сплави заліза прийнято називати чорними металами, які виробництво - чорної металургією.
Приклади розв'язання задач
| Завдання | Елементарний склад речовини наступний: масова частка залізного елемента 0,7241 (або 72,41%), масова частка кисню 0,2759 (або 27,59%). Виведіть хімічну формулу. |
| Рішення | Масова частка елемента Х у молекулі складу НХ розраховується за такою формулою: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Позначимо число атомів заліза у молекулі через «х», число атомів кисню через «у». Знайдемо відповідні відносні атомні маси елементів заліза та кисню (значення відносних атомних мас, взяті з Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, округлим до цілих чисел). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Відсотковий вміст елементів розділимо відповідні відносні атомні маси. Таким чином, ми знайдемо співвідношення між числом атомів у молекулі сполуки: x: y = ω(Fe)/Ar(Fe): ω(O)/Ar(O); x: y = 72,41/56: 27,59/16; x: y = 1,29: 1,84. Найменше число приймемо за одиницю (тобто всі числа розділимо на найменше число 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Отже, найпростіша формулаз'єднання заліза з киснем має вигляд Fe 2 O 3 . |
| Відповідь | Fe 2 O 3 |
Фізичні властивості заліза залежать від супеня його чистоти. Чисте залізо є досить пластичним металом сріблясто-білого кольору. Щільність заліза становить 7,87 г/см3. Температура плавлення становить 1539°С. На відміну від багатьох інших металів, залізо виявляє магнітні властивості.
Чисте залізо повітря досить стійким. У практичній діяльності залізо застосовується, що містить домішки. При нагріванні залізо є досить активним щодо багатьох неметалів. Розглянемо хімічні властивості заліза з прикладу взаємодії з типовими неметалами: киснем і сіркою.
При згорянні заліза у кисні утворюється з'єднання заліза з кисню, що отримала назву залізна окалина. Реакція супроводжується виділенням тепла та світла. Складемо рівняння хімічної реакції:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
При нагріванні залізо бурхливо реагує із сіркою з утворенням ферум (II) сульфіду. Реакція також супроводжується виділенням тепла та світла. Складемо рівняння хімічної реакції:
Залізо широко застосовується у промисловості та побуті. Залізний вік - епоха у розвитку людства, яка почалася на початку першого тисячоліття до нашої ери у зв'язку з поширенням виплавки заліза та виготовлення залізної зброї праці та військової зброї. Залізний вік прийшов на зміну бронзовому віку. Сталь вперше з'явилася в Індії в десятому столітті до нашої ери, чавун - лише в середні віки. Чисте залізо використовується для виготовлення сердечників трансформаторів та електромагнітів, а також у виробництві спеціальних сплавів. Найбільше практично використовують сплави заліза: чавун і сталь. Чавун застосовується у виробництві лиття та сталі, сталь – як конструкційний та інструментальний матеріали, які виявляють стійкість до корозії.
Під впливом кисню повітря та вологи залізні сплави перетворюються на іржу. Продукт іржавлення можна описати хімічною формулою Fe 2 O 3 · хH 2 O. Одна шоста частина чавуну, що виплавляється, гине від іржавіння, тому питання боротьби з корозією є дуже актуальним. Методи захисту від корозії дуже різноманітні. Найважливіші: захист поверхні металу покриттям, створення сплавів з антикорозійними властивостями, електрохімічні засоби, зміна складу середовища. Захисні покриття ділять на дві групи: металеві (заліза покриття цинком, хромом, нікелем, кобальтом, міддю) і неметалеві (лаки, фарби, пластмаси, гума, цемент). При введенні до складу сплавів спеціальних добавок одержують нержавіючу сталь.
Залізо. Поширеність заліза у природі
Залізо. Поширеність заліза у природі. Біологічна роль заліза
Другий важливий хімічний елемент після кисню, властивості якого вивчатимуться, - це Ферум. Залізо є металевим елементом, який утворює просту речовину – залізо. Залізо входить до складу восьмої групи побічної підгрупи періодичної системи. Згідно з номером групи максимальна валентність заліза повинна становити вісім, однак у сполуках Ферум частіше виявляє валентність два і три, а також відомі сполуки із валентністю заліза шість. Відносна атомна маса заліза дорівнює п'ятдесят шість.
За поширеною у складі земної кори Ферум посідає серед металевих елементів друге місце після алюмінію. Масова частка заліза у земній корі становить майже п'ять відсотків. У самородному стані залізо зустрічається дуже рідко, зазвичай лише як метеоритів. Саме в цьому виді наші предки і змогли вперше познайомитися із залізом та оцінити його як дуже гарний матеріалвиготовлення знарядь праці. Вважається, що залізо є головною складовою ядра земної кулі. Найчастіше Ферум зустрічається у природі у складі руд. Найважливішими з них є: магнітний залізняк (магнетит) Fe 3 O 4 , червоний залізняк (гематит) Fe 2 O 3 , бурий залізняк (лимоніт) Fe 2 O 3 · nH 2 O, залізний колчедан (пірит) FeS 2 , шпатовий залізняк ( сидерит) FeСO3, гетит FeO(OH). У водах багатьох мінеральних джерел міститься Fe (НСO 3) 2 та деякі інші солі заліза.
Залізо є життєво важливим елементом. В організмі людини, як і тварин, ферум є у всіх тканинах, проте найбільша його частина (приблизно три грами) зосереджена в кров'яних кульках. Атоми заліза займають центральне становище у молекулах гемоглобіну, їм гемоглобін зобов'язаний своїм забарвленням і здатністю приєднувати відщеплювати кисень. Залізо бере участь у процесі перенесення кисню від легень до тканин організму. Добова потреба організму Ферум становить 15-20 мг. Загальна його кількість потрапляє в організм людини з рослинною їжею та м'ясом. При втраті крові потреба у Ферум перевищує кількість, яку людина отримує з їжею. Нестача заліза в організмі може призвести до стану, що характеризується зменшенням кількості еритроцитів та гемоглобіну крові. Медичні препарати заліза слід приймати лише за призначенням лікаря.
Хімічні властивості кисню. Реакції з'єднання
Хімічні властивості кисню. Реакція сполуки. Поняття оксиди, окислення та горіння. Умови виникнення та припинення горіння
Кисень при нагріванні енергійно реагує з багатьма речовинами. Якщо в посудину з киснем внести розпечене деревне вугілля С, воно розжарюється добіла і згоряє. Складемо рівняння хімічної реакції:
З + ONaHCO 2 = CONaHCO 2
Сірка S горить у кисні яскравим синім полум'ям з утворенням газоподібної речовини- сірчистого газу. Складемо рівняння хімічної реакції:
S + ONaHCO 2 = SONaHCO 2
Фосфор Р згоряє в кисні яскравим полум'ям з утворенням білого густого диму, який складається з твердих частинок фосфор (V) оксиду. Складемо рівняння хімічної реакції:
4P + 5ONaHCO 2 = 2PNaHCO 2 ONaHCO 5
Рівняння реакцій взаємодії кисню з вугіллям, сіркою та фосфором поєднує те, що з двох вихідних речовин у кожному з випадків утворюється одна речовина. Такі реакції, у яких з кількох вихідних речовин (реагентів) утворюється лише одне речовина (продукт), називаються реакціями повідомлення.
Продукти взаємодії кисню з розглянутими речовинами (вугіллям, сіркою, фосфором) є оксидами. Оксидами називають складні речовини, що містять два елементи, один із яких кисень. Майже всі хімічні елементи утворюють оксиди, крім деяких інертних елементів: гелію, неону, аргону, криптону і ксенону. Є деякі хімічні елементи, які безпосередньо не поєднуються з киснем, наприклад Аурум.
Хімічні реакції взаємодії речовин із киснем називають реакціями окислення. Поняття "окислення" є загальнішим, ніж поняття "горіння". Горіння - це хімічна реакція, коли відбувається окислення речовин супроводжується виділенням тепла і світла. Для виникнення горіння необхідні такі умови: тісний контакт повітря з горючою речовиною та нагрівання до температури займання. Для різних речовин температура займання має різні значення. Наприклад, температура займання деревного пилу становить 610 ° С, сірки - 450 ° С, білого фосфору 45 - 60 ° С. Для того щоб запобігти виникненню горіння, необхідно порушити хоча б одну із зазначених умов. Тобто треба видалити пальне, охолодити його нижче температури займання перекрити доступ кисню. Процеси горіння супроводжують нас у повсякденному житті, тому кожна людина повинна знати умови виникнення та припинення горіння, а також дотримуватись необхідних правил поводження з вогненебезпечними речовинами.
Кругообіг кисню в природі
Кругообіг кисню в природі. Застосування кисню, його біологічна роль
Приблизно четверта частина атомів всієї живої матерії посідає частку кисню. Оскільки загальна кількість атомів кисню в природі незмінна, з видаленням кисню з повітря внаслідок дихання та інших процесів має відбуватися його поповнення. Найважливішими джерелами кисню в неживої природиє вуглекислий газ та вода. Кисень потрапляє в атмосферу головним чином в результаті процесу фотосинтезу, в якому бере участь це два. p align="justify"> Важливим джерелом кисню є атмосфера Землі. Частина кисню утворюється у верхніх частинах атмосфери внаслідок дисоціації води під впливом сонячного випромінювання. Частина кисню виділяється зеленими рослинами в процесі фотосинтезу з аш-два-о і це-в-два. У свою чергу атмосферне це-о-два утворюється в результаті реакцій горіння та дихання тварин. Атмосферне о-два витрачається на утворення озону у верхніх частинах атмосфери, окислювальні процеси вивітрювання гірських порід, у процесі дихання тварин та у реакціях горіння. Перетворення в-два в це-о-два призводить до виділення енергії, відповідно, на перетворення це-о-два на два енергія повинна витрачатися. Ця енергія виявляється Сонцем. Отже, життя Землі залежить від циклічних хімічних процесів, можливих завдяки потраплянню сонячної енергії.
Застосування кисню обумовлено його хімічними властивостями. Кисень широко використовується як окислювач. Його застосовують для зварювання та різання металів, у хімічній промисловості - для отримання різних сполук та інтенсифікації деяких виробничих процесів. У космічній техніці кисень застосовується для спалювання водню та інших видів палива, в авіації - при польотах на великих висотах, у хірургії - для підтримки хворих із утрудненим диханням.
Біологічна роль кисню обумовлена його здатністю підтримувати дихання. Людина при диханні протягом однієї хвилини в середньому споживає 0,5 дм3 кисню, протягом доби – 720 дм3, а протягом року – 262,8 м3 кисню.
1. Реакція термічного розкладання калію перманганату. Складемо рівняння хімічної реакції:
Речовина калій-марганець-о-чотири широко поширена у повсякденному житті під назвою "марганцівка". Кисень, який утворився, виявляють тліючою лучиною, яка яскраво спалахує біля отвору газовідвідної трубки приладу, в якому проводять реакцію, або при внесенні в посудину з киснем.
2. Реакція розкладання водень пероксиду у присутності марганцю (IV) оксиду. Складемо рівняння хімічної реакції:
Водень пероксид також добре відомий із повсякденного життя. Він може бути використаний для обробки подряпин і дрібних ран (розчин аш-два-о-два мас три відсотки повинен бути в кожній аптечці невідкладної допомоги). Багато хімічних реакцій прискорюється в присутності певних речовин. У разі реакції розкладання водень пероксиду прискорює марганець-о-два, проте сам марганець-о-два не витрачається і входить до складу продуктів реакції. Марганець-о-два є каталізатором.
Каталізаторами називаються речовини, які прискорюють хімічні реакції, але при цьому не витрачаються. Каталізатори не тільки широко застосовуються в хімічній промисловості, а й відіграють важливу роль у житті людини. Природні каталізатори, які отримали назву ферментів, що беруть участь у регулюванні біохімічних процесів.
Кисень, як уже зазначалося раніше, трохи важчий за повітря. Тому його можна зібрати витісненням повітря в посудину, розміщену отвором нагору.
Відновлювали деревним вугіллям у горні, влаштованому в ямі; в горн хутром нагнітали, продукт - крицю ударами відокремлювали від шлаку і з неї виковували різні вироби. У міру вдосконалення способів дуття та збільшення висоти горна процесу підвищувалася і частина навуглерожувалася, тобто виходив чавун; цей порівняно тендітний продукт вважали відходом виробництва. Звідси назва чавуну "Чушка", "свинське" - англійське pig iron. Пізніше було помічено, що при завантаженні в горн не залізної, а чавуну також виходить низьковуглецева залізна криця, причому такий двостадійний процес виявився більш вигідним, ніж сиродутний. У 12-13 ст. кричний спосіб був широко поширений. У 14 ст. чавун почали виплавляти не тільки як напівпродукт для подальшого переділу, а й як матеріал для відливання різних виробів. До того ж часу відноситься і реконструкція горна у шахтну («домницю»), а потім і доменну. У середині 18 в. у Європі почав застосовуватися тигельний процес одержання сталі, який був відомий на території Сирії ще в ранній період середньовіччя, але надалі виявився забутим. При цьому способі сталь отримували розплавленням металеві шихти в невеликих (тиглях) з високовогнетривкої маси. В останній чверті 18 ст. став розвиватися пудлінговий процес переділу чавуну на поду полум'яної відбивної (див. Пудлінгування). Промисловий переворот 18 - початку 19 ст., винахід парової машини, будівництво залізниць, великих мостів і парового флоту викликали величезну потребу і його. Проте всі існували способи виробництва було неможливо задовольнити потреби ринку. Масове виробництво стали почалося лише в середині 19 ст, коли було розроблено безсемерівський, томасівський і мартенівський процеси. У 20 ст. виник і набув широкого поширення електросталеплавильного процесу, що дає сталь високої якості.
Поширеність у природі. За вмістом у літосфері (4,65% за масою) посідає друге місце серед (на першому). Воно енергійно мігрує у земній корі, утворюючи близько 300 (і т. д.). бере активну участь у магматичних, гідротермальних та гіпергенних процесах, з якими пов'язано утворення різних типів його родовищ (див. Залізні). - земних глибин, воно накопичується на ранніх етапах магми, в ультраосновних (9,85%) та основних (8,56%) (у гранітах його всього 2,7%). Накопичується в багатьох морських і континентальних опадах, утворюючи осадові.
Нижче наводяться фізичні властивості, що відносяться в основному із загальним вмістом домішок менше 0,01% за масою:
Своєрідна взаємодія с. Концентрована HNO 3 (щільність 1,45 г/см 3) пасивує внаслідок виникнення на поверхні захисної окисної плівки; більш розведена HNO 3 розчиняє з утворенням Fe 2+ або Fe 3+ відновлюючись до MH 3 або N 2 O і N 2 .
Отримання та застосування. Чисте отримують у відносно невеликих кількостях водних або його. Розробляється спосіб безпосереднього отримання. Поступово збільшується виробництво досить чистого шляхом його прямого з рудних концентратів, або вугіллям за відносно низьких.
Найважливіший сучасної техніки. У чистому вигляді через його низьку практично не використовується, хоча в побуті залізними часто називають сталеві або чавунні вироби. Основна маса застосовується у вигляді дуже різних за складом та властивостями. На частку припадає приблизно 95% усієї металевої продукції. Багаті (понад 2% за масою) - чавуни, що виплавляють у доменних із збагачених залізних (див. Доменне виробництво). Сталь різних марок (зміст менше 2% по масі) виплавляють з чавуну в мартенівських та електричних і конвертерах шляхом (випалювання) зайвого, видалення шкідливих домішок (головним чином S, Р, Про) та додавання легуючих елементів (див. Мартенівська, Конвертер). Високолеговані сталі (з великим вмістом, та ін. елементів) виплавляють в електричних дугових та індукційних. Для виробництва сталей та особливо відповідального призначення служать нові процеси - вакуумний, електрошлаковий переплав, плазмова та електронно-променева плавка та ін Розробляються способи виплавки сталі в безперервно діючих агрегатах, що забезпечують високу якість та автоматизацію процесу.
На основі створюються матеріали, здатні витримувати вплив високих і низьких, і високих, агресивних середовищ, великої змінної напруги, ядерних випромінювань тощо. Виробництво та його постійно зростає. У 1971 в СРСР виплавлено 89,3 млн. т чавуну та 121 млн. т сталі.
Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.
Як художній матеріал використовувалося з давнини в Єгипті (для голови з гробниці Тутанхамона біля Фів, середина 14 ст до н.е., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамії (кинджали, знайдені біля Кархеміша, 500 до н. Британський музей, Лондон),
Маси атомів і молекул дуже малі, тому як одиниця виміру зручно вибрати масу одного з атомів і виражати маси інших атомів щодо неї. Саме так і чинив основоположник атомної теорії Дальтон, який становив таблицю атомних мас, прийнявши масу атома водню за одиницю.
До 1961 року у фізиці за атомну одиницю маси (а.е.м. скорочено) приймали 1/16 маси атома кисню 16 Про, а хімії - 1/16 середньої атомної маси природного кисню, що є сумішшю трьох ізотопів. Хімічна одиниця маси була на 0,03% більше, ніж фізична.
В даний час у фізиці та хімії прийнята єдина система вимірювання. Як стандартна одиниця атомної маси обрана 1/12 частина маси атома вуглецю 12 С.
1 а.е.м. = 1/12 m(12 С) = 1,66057×10 -27 кг = 1,66057×10 -24 р.
ВИЗНАЧЕННЯ
Відносна атомна маса елемента (A r)- це безрозмірна величина, що дорівнює відношенню середньої маси атома елемента до 1/12 маси атома 12 С.
При розрахунку відносної атомної маси враховується поширеність ізотопів елементів у земній корі. Наприклад, хлор має два ізотопи 35 Сl (75,5%) і 37 Сl (24,5%). Відносна атомна маса хлору дорівнює:
A r (Cl) = (0,755×m(35 Сl) + 0,245×m(37 Сl)) / (1/12×m(12 С) = 35,5.
З визначення відносної атомної маси випливає, що середня абсолютна маса атома дорівнює відносної атомної маси, помноженої на а.
m(Cl) = 35,5×1,66057×10 -24 = 5,89×10 -23 р.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | У якій із зазначених речовин масова частка елемента кисню більша: а) в оксиді цинку (ZnO); б) у оксиді магнію (MgO)? |
| Рішення |
Знайдемо молекулярну масу оксиду цинку: Mr(ZnO) = Ar(Zn) + Ar(O); Mr (ZnO) = 65 + 16 = 81. Відомо, що M = Mr означає M(ZnO) = 81 г/моль. Тоді масова частка кисню в оксиді цинку дорівнюватиме: ω(O) = Ar(O)/M(ZnO) × 100%; ω (O) = 16/81 × 100% = 19,75%. Знайдемо молекулярну масу оксиду магнію: Mr(MgO) = Ar(Mg) + Ar(O); Mr (MgO) = 24 + 16 = 40. Відомо, що M = Mr означає M(MgO) = 60 г/моль. Тоді масова частка кисню в оксиді магнію дорівнюватиме: ω(O) = Ar(O)/M(MgO) × 100%; ω (O) = 16/40 × 100% = 40%. Таким чином, масова частка кисню більша в оксиді магнію, оскільки 40 > 19,75. |
| Відповідь | Масова частка кисню більша в оксиді магнію. |
ПРИКЛАД 2
| Завдання | У якій із зазначених сполук масова частка металу більша: а) в оксиді алюмінію (Al 2 O 3); б) у оксиді заліза (Fe 2 O 3)? |
| Рішення | Масова частка елемента Х у молекулі складу НХ розраховується за такою формулою: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Розрахуємо масову частку кожного елемента кисню у кожному із запропонованих сполук (значення відносних атомних мас, взятих із Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва округлим до цілих чисел). Знайдемо молекулярну масу оксиду алюмінію: Mr (Al2O3) = 2×Ar(Al) + 3×Ar(O); Mr (Al2O3) = 2×27 + 3×16 = 54 + 48 = 102. Відомо, що M = Mr означає M(Al 2 O 3) = 102 г/моль. Тоді масова частка алюмінію в оксиді дорівнюватиме: ω (Al) = 2 × Ar (Al) / M (Al 2 O 3) × 100%; ω (Al) = 2×27/102×100% = 54/102×100% = 52,94%. Знайдемо молекулярну масу оксиду заліза (III): Mr (Fe2O3) = 2×Ar(Fe) + 3×Ar(O); Mr (Fe2O3) = 2×56+ 3×16 = 112 + 48 = 160. Відомо, що M = Mr означає M(Fe 2 O 3) = 160 г/моль. Тоді масова частка заліза в оксиді дорівнюватиме: ω (O) = 3 × Ar (O) / M (Fe 2 O 3) × 100%; ω(O) = 3×16/160×100% = 48/160×100% = 30%. Таким чином, масова частка металу більша в оксиді алюмінію, оскільки 52,94 > 30. |
| Відповідь | Масова частка металу більша в оксиді алюмінію. |
У процесі розвитку науки хімія зіткнулася з проблемою підрахунку кількості речовини для проведення реакцій та отриманих у ході речовин.
На сьогодні для подібних розрахунків хімічної реакції між речовинами та сумішами використовують значення відносної атомної маси, внесеної до періодичної таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва.
Хімічні процеси та вплив частки елемента в речовинах на перебіг реакції
Сучасна наука під визначенням «відносна атомна маса хімічного елемента» має на увазі, у скільки разів маса атома даного хімічного елемента більша за одну дванадцяту частини атома вуглецю.
Із зародженням ери хімії потреба у точних визначеннях ходу хімічної реакції та її результатів зростала.
Тому хіміки постійно намагалися вирішити питання про точні маси взаємодіючих елементів у речовині. Одним з найкращих рішеньна той час була прив'язка до найлегшого елементу. І вага його атома була взята за одиницю.
Історичний перебіг підрахунку речовини
Спочатку використовувався водень, потім кисень. Але це спосіб розрахунку виявився неточним. Причиною цього стала наявність у кисні ізотопів з масою 17 і 18.
Тому, маючи суміш ізотопів, технічно отримували число, відмінне від шістнадцяти. Сьогодні відносна атомна маса елемента розраховується виходячи з прийнятого за основу ваги атома вуглецю, у співвідношенні 1/12.
Дальтон заклав основи відносної атомної маси елемента
Лише через деякий час, в 19-му столітті, Дальтон запропонував вести розрахунок за найлегшим хімічним елементом - воднем. На лекціях своїм студентам він демонстрував на вирізаних із дерева фігурках, як з'єднуються атоми. За іншими елементами він використовував дані, раніше отримані іншими вченими.
За експериментами Лавуазьє у воді міститься п'ятнадцять відсотків водню та вісімдесят п'ять відсотків кисню. Маючи ці дані Дальтон розрахував, що відносна атомна маса елемента, що входить до складу води, в даному випадку кисню, становить 5,67. Помилковість його розрахунків пов'язана з тим, що він вважав невірно щодо кількості атомів водню в молекулі води.
На його думку, один атом кисню припадав один атом водню. Скориставшись даними хіміка Остіна у тому, що у складі аміаку 20 відсотків водню і 80 відсотків азоту, він розрахував, чому дорівнює відносна атомна маса азоту. Маючи цей результат, він дійшов цікавого висновку. Виходило, що відносна атомна маса (формула аміаку помилково була прийнята з однією молекулою водню та азоту) становить чотири. У розрахунках вчений спирався на періодичну систему Менделєєва. За аналізом він розрахував, що відносна атомна маса вуглецю - 4,4 замість прийнятих до цього дванадцяти.
Незважаючи на свої серйозні промахи, саме Дальтон першим створив таблицю деяких елементів. Вона зазнала неодноразових змін ще за життя вченого.
Ізотопна складова речовини впливає на значення точності відносної атомної ваги
При розгляді атомних мас елементів можна помітити, що точність кожного елемента різна. Наприклад, за літієм вона чотиризначна, а по фтору - восьмизначна.
Проблема в тому, що ізотопна складова кожного елемента є своєю і непостійною. Наприклад, у звичайній воді міститься три типи ізотопу водню. До них, крім звичайного водню, входить дейтерій і тритій.
Відносна атомна маса ізотопів водню становить відповідно два та три. «Тяжка» вода (утворена дейтерієм і тритієм) випаровується гірше. Тому в пароподібному стані ізотопів води менше, ніж у рідкому стані.
Вибірковість живих організмів до різних ізотопів
Живі організми мають селективну властивість по відношенню до вуглецю. На побудову органічних молекул використовують вуглець із відносною атомною масою, що дорівнює дванадцяти. Тому речовини органічного походження, а також ряд корисних копалин, таких як вугілля та нафта, містять менше ізотопної складової, ніж неорганічні матеріали.
Мікроорганізми, що переробляють і накопичують сірку, залишають після себе ізотоп сірки 32. У зонах, де бактерії не переробляють, частка ізотопу сірки - 34, тобто набагато вища. Саме на підставі співвідношення сірки в породах грунту геологи приходять до висновку про природу походження шару - магматичну природу він має або осадову.
З усіх хімічних елементів лише один немає ізотопів - фтор. Тому його відносна атомна маса точніша, ніж інших елементів.
Існування в природі нестабільних речовин
У деяких елементів відносна маса вказана у квадратних дужках. Як бачимо, це елементи, розташовані після урану. Справа в тому, що вони не мають стійких ізотопів та розпадаються з виділенням радіоактивного випромінювання. Тому в дужках вказано найбільш стійкий ізотоп.
Згодом з'ясувалося, що деякі з них можуть отримати в штучних умовах стійкий ізотоп. Довелося змінювати в періодичній таблиці Менделєєва атомні маси деяких трансуранових елементів.
У процесі синтезу нових ізотопів та вимірювання їхньої тривалості життя часом вдавалося виявити нукліди з тривалістю напіврозпаду в мільйони разів довше.
Наука не стоїть на місці, постійно відкриваються нові елементи, закони, взаємозв'язки різних процесівв хімії та природі. Тому, в якому вигляді опиниться хімія та періодична системахімічних елементів Менделєєва у майбутньому, років за сто, - є туманним і невизначеним. Але хочеться вірити, що накопичені за минулі століття праці хіміків стануть новим, більш досконалим знанням наших нащадків.
Відносна атомна маса(скорочено – атомна маса) елемента є відношення маси його атома до 1/12 частини маси атома 12 С (вуглець).
Історія
Спочатку при обчисленнях атомних мас за одиницю маси приймали масу атома водню як самого легкого елементаі стосовно нього обчислювали маси інших елементів. Але оскільки атомні маси більшості речовин визначаються, виходячи зі складу їх кисневих сполук, то фактично обчислення проводилися по відношенню до атомної маси кисню, яка вважалася рівною 16 . Відношення між атомними масами кисню та водню приймали рівним 16:1. Згодом більш точні виміри показали, що це відношення дорівнює 15.874:1 або 16:1.0079. Зміна атомної маси кисню спричинила б зміну атомних мас більшості елементів. Тому було вирішено залишити для кисню атомну масу 16, прийнявши атомну масу водню, що дорівнює 1.0077.
Киснева одиниця маси
Таким чином, за одиницю атомної маси приймалася 1/16 частина атома кисню, що отримала назву кисневої одиниці.
Надалі було встановлено, що природний кисень є сумішшю ізотопів, так що киснева одиниця маси характеризує середнє значення маси атомів природних ізотопів кисню.
Для атомної фізики така одиниця виявилася неприйнятною, і в цій галузі науки за одиницю атомної маси було прийнято 1/16 частину маси атома кисню 16 О. У результаті оформилися дві школи атомних мас — хімічна та фізична. Наявність двох шкал атомних мас створювало великі незручності.
В 1961 прийнята єдина шкала відносних атомних мас, в основу якої покладена 1/12 частина маси атома ізотопу вуглецю 12 С, названа атомною одиницею маси (а.е.м.) .
\[ 1 а.е.м = 1.66·10^(-27) (кг) \]
У сучасній шкалі відносні масикисню та водню рівні відповідно 15.9994 та 1.00794.
Однією з основних характеристик будь-якого хімічного елемента є відносна атомна маса.
(Атомна одиниця маси - це 1/12 маси атома вуглецю, маса якого приймається рівною 12 а. е. м. і становить1,66 10 24 м.
Порівнюючи маси атомів елементів з одним а.е.м., знаходять чисельні значення відносної атомної маси (Аг).
Відносна атомна маса елемента показує, скільки разів маса його атома більше 1/12 маси атома вуглецю.
Наприклад, для кисню Аг(О) = 15,9994, а водню Аг(Н) = 1,0079.
Для молекул простих і складних речовинвизначають відносну молекулярну масу,яка чисельно дорівнює сумі атомних мас всіх атомів, що входять до складу молекули. Наприклад, молекулярна маса води Н2
Мг (Н2O) = 2 1,0079 + 1 15,9994 = 18,0153.
Закон оголодро
У хімії поряд з одиницями маси та обсягу використовується одиниця кількості речовини, яка називається молем.
!МОЛЬ (v) - одиниця виміру кількості речовини, що містить стільки структурних одиниць (молекул, атомів, іонів), скільки атомів міститься в 0,012 кг (12 г) ізотопу вуглецю "С''.
Це означає, що 1 моль будь-якої речовини містить одну і ту ж кількість структурних одиниць, що дорівнює 6,02 10 23 . Ця величина носить назву постійної Авогадро(позначення NА, розмірність 1/моль).
Італійський вчений Амадео Авогадро у 1811 році висунув гіпотезу, яка надалі була підтверджена досвідченими даними та отримала згодом назву закону Авогадро.Він звернув увагу на те, що всі гази однаково стискаються (закон Бойля-Маріотта) і мають однакові коефіцієнти термального розширення (закон Гей-Люссака). У зв'язку з цим він припустив, що:
в рівних обсягах різних газів, що знаходяться за однакових умов, міститься однакове числомолекул.
При однакових умовах (зазвичай говорять про нормальні умови: абсолютний тиск дорівнює 1013 мілібар і температура 0 ° С) відстань між молекулами у всіх газів однакова, а об'єм молекул мізерно малий. Враховуючи все вищесказане, можна зробити припущення:
!якщо у рівних обсягах газів за однакових умов міститьсяоднакове число молекул, то й маси, в яких міститься однакове число молекул, повинні мати однакові обсяги.
Іншими словами,
За однакових умов 1 моль будь-якого газу займає однаковий обсяг. За нормальних умов 1 моль будь-якого газу займає об'єм v, рівний 22,4 л. Цей обсяг називаєтьсямолярним обсягом газу (розмірність л/моль або м³ /моль).
Точне значення молярного обсягу газу за нормальних умов (тиск 1013 мілібар і температура 0 ° С) становить 22,4135±0,0006 л/моль. За стандартних умов (t= + 15 ° С, тиск = 1013 мбар) 1 моль газу займає об'єм 23,6451 л, а приt= +20 ° С і тиск 1013 мбар 1 моль займає об'єм близько 24,2 л.
У чисельному вираженні молярна маса збігається з масами атомів і молекул (в а. е. м.) та з відносними атомними та молекулярними масами.
Отже, 1 моль будь-якої речовини має таку масу в грамах, яка чисельно дорівнює молекулярній масі даної речовини, вираженої в атомних одиницяхмаси.
Наприклад, М(O2) = 16 а. е. м. 2 = 32 а. е. м., таким чином, 1 моль кисню відповідає 32 г. Щільності газів, виміряні за однакових умов, відносяться як їх молярні маси. Так як при перевезенні зріджених газів на газовозах основним об'єктом практичних завдань є молекулярні речовини (рідини, пари, гази), то і основними шуканими величинами будуть молярна маса М(г/моль), кількість речовини vв молях і маса тречовини у грамах чи кілограмах.
Знаючи хімічну формулу того чи іншого газу, можна вирішити деякі практичні завдання, що виникають під час транспортування зріджених газів.
Приклад 1. У дек-танці знаходиться 22 т зрідженого етилену (З2 Н4 ). Необхідно визначити, чи достатньо на борту вантажу, щоб продути три вантажних танка об'ємом 5000 м 3 кожен, якщо після продування температура танків становитиме 0° С, а тиск 1013 мілібар.
1. Визначаємо молекулярну масу етилену:
М = 2 12,011 + 4 1,0079 = 28,054 г/моль.
2. Розраховуємо щільність парів етилену за нормальних умов:
ρ = M/V = 28,054: 22,4 = 1,232 г/л.
3. Знаходимо обсяг пари вантажу за нормальних умов:
22∙106: 1,252= 27544 м 3 .
Загальний обсяг вантажних танків складає 15000 м3. Отже, на борту достатньо вантажу, щоб продути всі вантажні танки парами етилену.
Приклад 2. Необхідно визначити, яка кількість пропану (З3 Н8 ) потрібно для продування вантажних танків загальною місткістю 8000 м 3 якщо температура танків становить +15 ° С, а тиск парів пропану в танку після закінчення продування не перевищуватиме 1013 мілібар.
1. Визначимо молярну масу пропану З3 Н8
М = 3 12,011 + 8 1,0079 = 44,1 г/моль.
2. Визначимо щільність пар пропана після продування танків:
ρ = М: v = 44,1: 23,641 = 1,865 кг/м 3 .
3. Знаючи щільність пари та об'єм, визначаємо загальну кількість пропану, необхідну для продування танка:
m = ρ v = 1,865 8000 = 14920 кг ≈ 15 т.
