VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS
Jadvyga Kerienė
CHEMIJA
Įvadas į dalyko studijas. Kontrolinių darbų temos
Mokomoji knyga
Jadvyga Kerienė. CHEMIJA. Įvadas į dalyko studijas. Kontrolinių darbų temos: mokomoji knyga. Vilnius: Technika, 2007. 159 p. [10 sp. l. 2007-11-30]
Mokomojoje knygoje pateiktas įvadas į chemijos dalyko studijas: apra-šyti chemijos dalyko tikslai ir reikalingumas, pateiktas dalyko temų sąrašas, rekomenduojama literatūra. Norint padėti studentams, kurie mokykloje chemiją mokėsi tik iki 10-os klasės, pakartoti chemijos pagrindus, aprašy-tus ir paaiškinaprašy-tus atitinkamuose mokykliniuose vadovėliuose, mokomojoje knygoje trumpai išdėstyti chemijos pagrindai – pagrindinės chemijos sąvo-kos; pagrindiniai chemijos dėsniai; periodinė cheminių elementų lentelė ir periodinis elementų savybių kitimas; cheminiai ryšiai; cheminiai junginiai bei jų klasifikacija; cheminių junginių formulių sudarymas ir pavadinimų nustatymas; reakcijų rašymas ir skaičiavimas iš reakcijos lygties.
Mokomojoje knygoje taip pat išdėstyta teorinė medžiaga chemijos mo-dulio temų, iš kurių semestro metu rašomi kontroliniai darbai (tirpalai ir jų koncentracijos, oksidacijos-redukcijos reakcijos, cheminė termodinamika), pateikti uždavinių sprendimo pavyzdžiai.
Mokomoji knyga skirta VGTU Statybos fakulteto statybos inžinerijos bakalauro studijų programos studentams, pirmame kurse studijuojantiems chemijos modulį.
Leidinį rekomendavo VGTU Fundamentinių mokslų fakulteto studijų komitetas
Recenzavo: prof. habil. dr. A. Kazragis,
VGTU Chemijos ir bioinžinerijos katedra prof. emeritas ir doc. dr. J. Jankauskas, VGTU Chemijos ir bioinžinerijos katedra
http://leidykla.vgtu.lt
VGTU leidyklos TECHNIKA 901 mokomosios metodinės literatūros knyga
Redaktorė Viktorija Tamoševičienė ISBN 978-9955-28-202-0
© Kerienė, J., 2007
TURINYS
1. ĮVADAS...6
1.1. Chemijos kurso, dėstomo Statybos fakulteto statybos inžinerijos bakalauro studijų programos studentams, tikslai ir reikalingumas ...6
1.2. Chemijos dalyko temų sąrašas ...9
1.3. Rekomenduojama literatūra ...11
1.4. Elementariosios chemijos žinios, reikalingos chemijos dalykui studijuoti ...12
1.5. Mokomojoje knygoje išdėstytos chemijos žinios...13
2. PAGRINDINĖS CHEMIJOS SĄVOKOS, REAKCIJOS, JUNGINIAI, CHEMIJOS DĖSNIAI ...14
2.1. Pagrindinės chemijos sąvokos...14
2.2. Cheminiai junginiai (oksidai, rūgštys, bazės, druskos)...23
2.3. Cheminės reakcijos...24
2.3.1. Cheminių reakcijų klasifikavimas ...26
2.3.2. Skaičiavimai iš cheminės reakcijos lygties ...26
2.4. Pagrindiniai chemijos dėsniai...30
3. PERIODINĖ CHEMINIŲ ELEMENTŲ LENTELĖ IR ELEMENTŲ SAVYBĖS ...41
3.1. Periodinės cheminių elementų lentelės sudarymo principas...41
3.2. Periodinis cheminių elementų savybių kitimas ...42
3.2.1. Jonizacijos potencialas ir jonizacijos energija...45
3.2.2. Giminingumo elektronui energija...46
3.2.3. Elektrinis neigiamumas ...46
4. CHEMINIAI RYŠIAI ...48
4.1. Cheminiai ryšiai tarp atomų ...48
4.1.1. Kovalentinis ryšys ...48
4.1.2. Joninis ryšys ...52
4.1.3. Metališkasis ryšys...53
4.2. Cheminiai ryšiai tarp molekulių ...54
4.2.1. Vandenilinis ryšys ...54
5. OKSIDACIJOS LAIPSNIS. CHEMINIŲ JUNGINIŲ FORMULIŲ
SUDARYMAS IR PAVADINIMŲ NUSTATYMAS ...56
5.1. Oksidacijos laipsnis ...56
5.2. Joninių junginių cheminių formulių sudarymas ir pavadinimų nustatymas ...58
5.3. Kovalentinių junginių cheminių formulių sudarymas ir pavadinimų nustatymas...62
5.4. Oksidacijos laipsnių nustatymas junginiuose...65
6. OKSIDACIJOS-REDUKCIJOS REAKCIJOS ...67
6.1. Svarbiausieji oksidatoriai ir reduktoriai ...68
6.2. Oksidacijos-redukcijos reakcijų stechiometrinių koeficientų skaičiavimo metodai...69
6.2.1. Oksidacijos-redukcijos reakcijų stechiometrinių koeficientų skaičiavimas elektronų balanso (elektroninių lygčių) metodu ...69
6.2.2. Oksidacijos-redukcijos reakcijų koeficientų skaičiavimas jonų ir elektronų balanso metodu...76
7. CHEMINĖ TERMODINAMIKA...78
7.1. Pagrindinės cheminės termodinamikos sąvokos ...78
7.2. Sistemos vidinė energija...79
7.3. Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas cheminiams procesams. Entalpija ...80
7.4. Termochemija. Cheminių reakcijų šiluminiai efektai ir termocheminės lygtys ...82
7.4.1. Cheminių reakcijų šiluminiai efektai...82
7.4.2. Termocheminės lygtys...83
7.4.3. Termocheminiai skaičiavimai...84
7.5. Šiluminiai efektai, gaunami vykstant įvairiems virsmams...94
7.6. Entropija ...95
7.7. Pagrindinė cheminės termodinamikos lygtis. Cheminių reakcijų vyksmo prognozavimas ...97
7.7.1. Pagrindinė cheminės termodinamikos lygtis...97
7.7.2. Cheminių reakcijų vyksmo prognozavimas ...99
8. TIKRIEJI TIRPALAI (TIRPALAI)...109
8.1. Medžiagų tirpimas ir tirpalų susidarymas ...110
8.2. Tirpimo proceso šiluminis efektas ...112
8.3. Medžiagų tirpumas skysčiuose...112
8.3.2. Skysčių tirpumas skysčiuose ...114
8.3.3. Kietų medžiagų tirpumas skysčiuose ...115
8.4. Tirpalų procentinė, molinė, molinė ekvivalentų (normalinė) ir molialinė koncentracijos ...116
8.4.1. Tirpalų koncentracijų skaičiavimo pavyzdžiai ...124
8.5. Neeletrolitų tirpalų savybės...134
8.5.1. Tirpalų garų slėgio depresija ...134
8.5.2. Tirpalų virimo temperatūros pakilimas ir stingimo temperatūros depresija ...138
8.5.3. Tirpalų osmosinis slėgis ...143
8.6. Elektrolitų tirpalų savybės...145
8.6.1. Disociacijos laipsnis ...146
8.6.2. Izotoninis koeficientas ...147
8.6.3. Elektrolitų tirpalų virimo ir stingimo temperatūros skaičiavimas...149
8.6.4. Silpnųjų elektrolitų disociacija ...153
8.6.5. Vandenilio jonų koncentracijos rodiklis...154
8.6.6. Vandenilio ir kitų jonų koncentracijų skaičiavimas ...155
1. ĮVADAS
Chemija yra mokslas, nagrinėjantis medžiagų sandarą, sudėtį ir savybes, sąlygas ir būdus, kaip vieną medžiagą paversti kita.
VGTU Statybos fakulteto statybos inžinerijos studijų progra-mos bakalauro studijose yra dėstomas 3 kreditų (120 val.) apimties chemijos dalykas. Jis dėstomas vieną semestrą, kurio trukmė 16 savaičių. Dalykui išdėstyti per semestrą yra skirta 32 val. paskaitų ir 16 val. laboratorinių darbų. Likusios 74 val. skirtos pasirengti trims kontroliniams darbams, kurie yra rašomi semestro metu, labo-ratoriniams darbams bei egzaminui, kuris yra laikomas žiemos sesi-jos metu.
Kreditų skaičius, skirtas chemijos dalykui išdėstyti, lemia tai, kad studentams pateikiamos tiktai tos bendrosios chemijos žinios, kurios yra būtinos statybos inžinerijos studijų programos studentams, kai jie pradės studijuoti specialiuosius dalykus bakalauro studijų pro-gramoje ir, baigę ją, studijuos magistrantūros studijų programose, taip pat jos bus reikalingos jų praktiniam darbui, kurį jie turės dirbti baigę universitetą.
1.1. Chemijos kurso, dėstomo Statybos fakulteto statybos
inžinerijos bakalauro studijų programos studentams,
tikslai ir reikalingumas
Didžioji dauguma pastatų statyboje naudojamų statybinių me-džiagų yra gaminama iš neorganinės kilmės žaliavų. Gaminant šias medžiagas vyksta neorganinių junginių skilimo bei susidarymo reakci-jos, kurios lemia neorganinių statybinių medžiagų sandarą ir savybes.
Eksploatuojant pastatus, vyksta statybinių medžiagų, iš kurių jie yra pastatyti, ir aplinkoje esančių vandens arba jo garų (drėgmės), agresyviųjų dujų, tokių kaip SO2, CO2, H2S ir kt., bei kitų agresyvių medžiagų cheminė sąveika. Šios sąveikos intensyvumas priklauso nuo statybinių medžiagų cheminio atsparumo aplinkoje esančių agre-syvių medžiagų poveikiui. Kuo statybinės medžiagos yra mažiau atsparios, tuo sąveika yra intensyvesnė. Pastatai, kuriuos statant yra
taikyti tinkami konstrukciniai sprendimai ir naudotos aplinkos che-miniam poveikiui atsparios medžiagos, yra ilgalaikiai; pastatai, pas-tatyti iš aplinkos poveikiui neatsparių medžiagų, trumpai tarnauja, nors konstrukciniai sprendimai ir yra tinkami. Tai rodo, kad pastatą sudarančių statybinių medžiagų cheminis atsparumas aplinkos po-veikiui, esant tinkamiems konstrukciniams sprendimams, lemia pas-tato ilgalaikiškumą. Todėl statybos inžinierius turi turėti reikiamų teorinių ir praktinių žinių apie statybose naudojamas medžiagas, jų gamybos technologijos pagrindus ir atsparumą aplinkos, kurioje pastatai bus eksploatuojami, poveikiui, sugebėti prognozuoti me-džiagų ilgalaikiškumą. Dėl to statybos inžinerijos studijų programoje daug dėmesio yra skiriama statyboje naudojamų medžiagų savybių studijoms. Tiktai turint pakankamai chemijos žinių, galima sėkmin-gai studijuoti labai svarbius statybos inžinerijos bakalauro studijų programos dalykus statybinės medžiagos bei medžiagų mokslas. Chemijos žinios yra labai reikalingos studijuojant pasirinktų specia-lizacijų dalykus: bakalauro studijose – neorganinės rišamosios me-džiagos; magistrantūros studijose – statybinių medžiagų fizikinė chemija, silikatinių medžiagų technologija.
Toliau pateikiama keletas pavyzdžių, labai aiškiai parodančių chemijos žinių reikalingumą tolesnėse studijose ir praktinėje veik-loje.
Pirmasis pavyzdys. Mūrijimo skiediniams gaminti yra naudoja-mos statybinės kalkės (CaO). Pramoniniu būdu statybinės kalkės yra gaunamos šachtinėse arba sukamosiose krosnyse degant CaCO3 turinčias gamtines žaliavas (kalkakmenį, klintis ir kt.). Degimo metu CaCO3 skyla ir susidaro CaO ir CO2. Remdamiesi chemijos kurso dalyje cheminė termodinamika nagrinėjamais cheminės termodinami-kos dėsniais ir skaičiavimais, atliekamais, remiantis šiais dės-niais, galime nustatyti, kad ši reakcija yra grįžtamoji, nustatyti CaCO3 skilimo temperatūrą, apskaičiuoti kuro kiekį, reikalingą konkrečiam kalkių kiekiui pagaminti. Remiantis chemijos kurso dalyje cheminė pusiausvyra nagrinėjamu grįžtamųjų reakcijų pusiausvyros perstū-mimo principu, galima nustatyti, kokia turi būti taikoma žaliavų de-gimo proceso technologija, norint gauti didžiausią kalkių išeigą ma-žiausiomis energijos sąnaudomis. Tai rodo, kad chemijos žinios yra statybinių kalkių gamybos technologijos kūrimo pagrindas. Vado-vaujantis šiomis žiniomis, yra daromi atitinkami klinčių degimo
krosnių konstrukciniai sprendimai bei nustatomi ekonomiškiausi kal-kių gamybos proceso technologiniai parametrai. Ir dar. Mūrijant naudojami kalkiniai skiediniai, kurie yra gaunami užmaišius vande-niu statybinių kalkių ir smėlio (paimtų atitinkamu santykiu) mišinį, į kurį dar dedama kai kurių priedų, sujungia plytas kietėjant kalkėms. Užmaišius vandeniu kalkių ir smėlio mišinį, vyksta kalkių reakcija su vandeniu – susidaro kalcio hidroksidas. Kalcio hidroksidas reaguoja su ore esančiu deguonimi – susidaro kalcio karbonatas ir vanduo. Abi šios reakcijos yra heterogeninės. Vykstant nurodytiems proce-sams pirma susidaro koloidinė sistema, paskui vyksta kristalizacija. Tiktai gerai išmanant heterogeninių cheminių reakcijų vyksmo ypa-tumus bei koloidinių sistemų savybes, galima suprasti kalkių kietė-jimo procesą ir jį vykdyti taip, kad būtų gautos reikiamų savybių mū-ro siūlės.
Antrasis pavyzdys. Betonui ir gelžbetoniui gaminti kaip rišamoji medžiaga yra naudojamas portlandcementis, kuris gaminamas aukš-toje – apie 1 450 °C, temperatūroje degant klinčių, molio ir koreguo-jančių priedų mišinį, taip gautąjį klinkerį sumalant ir dar pridedant kai kurių specialių priedų. Portlandcementis, sumaišytas su vandeniu, kietėja. Šio proceso pradžioje vyksta portlandcementį sudarančių komponentų hidrolizės ir hidratacijos reakcijos – susidaro koloidinės būklės junginiai ir laisvasis kalcio hidroksidas bei laisvųjų aliumi-nio, geležies, kalcio jonų. Šių produktų sistemoje vykstant koagulia-cijos (trapiojo gelio susidarymo) ir kristalizakoagulia-cijos procesams po-rtlandcementis sukietėja. Kietėjimo metu susidarę produktai ir jų kiekybinis santykis lemia sukietėjusio portlandcemenčio, o kartu ir betono ar gelžbetonio, kurių gamyboje jis yra naudojamas, mechani-nį stiprį ir jų stabilumą eksploatacijos metu veikiant agresyvioms medžiagoms. Tiktai išmanant portlandcemenčio gamybos ir jo kietė-jimo cheminius procesus galima juos atitinkamai reguliuoti ir gauti reikiamų savybių portlandcementį, reikiamo stiprio ir stabilumo ag-resyvios aplinkos poveikiui betono ir gelžbetonio gaminius.
Trečiasis pavyzdys. Statybinių medžiagų gamyboje, pastatų sta-tyboje bei kitose veiklose, su kuriomis neišvengiamai susiduria Sta-tybos fakulteto absolventai, yra labai plačiai naudojamas vanduo bei jo tirpalai. Vanduo ir vandens garai yra vieni iš agresyviųjų aplinkos komponentų, ardančių statybines medžiagas ir statinius jų eksploata-cijos metu. Vanduo yra naudojamas betonavimo, kalkiniams
skiedi-niams ir kt. gaminti. Šiems tikslams naudojamam vandeniui yra ke-liami specialūs reikalavimai. Todėl chemijos kurse yra skiriama daug dėmesio vandens (gryno bei gamtinio) ir jo tirpalų cheminėms ir fi-zikinėms cheminėms savybėms nagrinėti.
Ketvirtasis pavyzdys. Statybinių medžiagų pramonėje ir statybų aikštelėse susidaro daug panaudoto vandens, kuris yra vadinamas nuotekų vandeniu, arba nuotekomis. Prieš išleidžiant iš gamybos teri-torijos, jos būtinai turi būti neutralizuojamos ir išvalomos. Nuote-koms neutralizuoti ir valyti taikomi cheminiai metodai. Jie taip pat nagrinėjami chemijos kurse.
Penktasis pavyzdys. Atskira chemijos kurso dalis yra skirta nag-rinėti elektrocheminiams procesams, vykstantiems cheminiuose nuo-latinės srovės elektros srovės šaltiniuose, elektrolizėje, koroduojant metalams. Su šiais procesais specialiųjų kursų studijose ir studijas baigus gamybinėje veikloje tenka susidurti visiems technikos univer-sitetų studijų programų, įskaitant ir statybos inžinerijos, studentams bei absolventams. Eletrocheminių procesų supratimo svarbą liudija ir tai, kad visose šiuolaikinėse transporto priemonėse, naudojamose statybų aikštelėse, statybinių medžiagų gamybos įmonėse ir kitokiose veiklos srityse, yra naudojami cheminiai nuolatinės srovės šaltiniai; visur, kur tik yra naudojami techniniai metalai, dėl elektrai laidžios aplinkos poveikio vyksta metalų korozija, kurios nepaisymas ar netu-rėjimas žinių, kaip ją galima sulėtinti, gali atnešti didžiulių ekonomi-nių nuostolių.
Šeštasis pavyzdys. Labai svarbios problemos, kurias tenka spręs-ti statybų aikštelėse dirbanspręs-tiems statybos inžinieriams, yra, kaip iš-vengti ledo sluoksnio susidarymo statybos aikštelėse, išvalyti iš oro dūmus ir dulkes. Šioms labai svarbioms problemoms spręsti reika-lingos chemijos žinios taip pat yra dėstomos chemijos kurse.
1.2. Chemijos dalyko temų sąrašas
• Cheminių elementų atomų sandara ir savybės
Jonizacijos energija. Jonizacijos potencialas. Giminingumo elektronui energija. Elektrinis neigiamumas. Oksidacijos laipsnis. Periodinis cheminių elementų savybių kitimas. Oksidacijos-reduk-cijos reakOksidacijos-reduk-cijos.
• Cheminiai ryšiai
Cheminiai ryšiai tarp atomų. Junginių savybių priklausomybė nuo ryšių tarp atomų tipo. Cheminiai ryšiai tarp molekulių ir jų įtaka medžiagų savybėms.
• Cheminė termodinamika
Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas cheminiams proce-sams; entalpija; cheminių reakcijų šiluminiai efektai, termocheminės lygtys, termochemijos dėsniai, cheminių reakcijų šiluminių efektų skaičiavimai; entropija; gibso energija; cheminių reakcijų vyksmo prognozavimas.
• Cheminė kinetika ir pusiausvyra
Cheminių reakcijų greitis. Homogeninių reakcijų greičio pri-klausomybė nuo reaguojančių medžiagų koncentracijos, tempera-tūros, slėgio. Heterogeninių reakcijų vyksmo ypatumai. Katali-zė. Grįžtamosios ir negrįžtamosios cheminės reakcijos. Cheminė pusiausvyra. Cheminės pusiausvyros poslinkis.
• Medžiagų tirpimas. Tirpalų koncentracijos
Medžiagų tirpimo teorijos. Kietų, skystų ir dujinių medžiagų tir-pimas, tirpimo šiluma ir tirpumas. Tirpalų procentinė, molinė, molinė ekvivalentų (normalinė) ir molialinė koncentracijos bei jų skaičia- vimai.
• Neelektrolitų tirpalų savybės
Tirpalų garų slėgio nuokrytis (depresija). Pirmasis Raulio dėsnis. Tirpalų osmosinis slėgis. Van’t Hofo dėsnis. Tirpalų virimo tempera-tūros pakilimas ir stingimo temperatempera-tūros nuokrytis (depresija). Ant-rasis Raulio dėsnis.
• Elektrolitų tirpalų savybės
Elektrolitinės disociacijos teorija. Disociacijos laipsnis ir kons-tanta. Izotoninis koeficientas. Rūgščių, bazių ir druskų disociacija. Jonų koncentracijų skaičiavimai. Tirpumo sandauga. Vandens elekt-rolitinė disociacija. Vandenilio jonų koncentracijos rodiklis. Buferi-niai tirpalai. Druskų hidrolizės reakcijos. Hidrolizės laipsnis ir kons-tanta, druskų vandeninių tirpalų pH lemiantys veiksniai. Šaldomieji mišiniai ir antifrizai.
• Koloidinės sistemos
Liozoliai (koloidiniai tirpalai), aerozoliai ir kietieji zoliai. Koloi-dinių tirpalų gavimas ir koloiKoloi-dinių dalelių sandara. KoloiKoloi-dinių tirpalų patvarumas. Koloidinių tirpalų koaguliacija.
• Stambiadispersės sistemos
Suspensijos, emulsijos, putos, milteliai, dulkės, dūmai, rūkas. • Vandens chemija
Vandens fizikinės ir cheminės savybės. Vandens kietumas ir minkštinimas. Gamtinio vandens valymas. Nuotekų vanduo ir jo va-lymas bei neutralizacija.
• Neorganinės rišamosios statybinės medžiagos
Orinės rišamosios medžiagos (kalkės, gipsinės rišamosios me-džiagos), jų gavimas ir kietėjimas. Hidraulinės rišamosios medžiagos (portlandcementis, aliuminatinis cementas), jų gavimas ir kietėjimas. Betono irimą sukeliančios priežastys ir jo apsauga nuo irimo.
• Elektros srovės šaltiniai. Elektrolizė
Elektrodų potencialai ir galvaniniai elementai. Standartiniai elektrodų potencialai. Procesai, vykstantys ant elektrodų galvani-niuose elementuose. Galvaninių elementų elektrovaros jėga.
Elektrolizė (druskų vandeninių tirpalų ir lydalų). Elektrolizės procesai katodo ir anodo paviršiuose. Elektrolizės dėsniai. Elektroli-zės taikymas.
Akumuliatoriai.
• Metalų korozija ir apsauga nuo jos
Cheminė metalų korozija. Elektrocheminė metalų korozija. Me-talų apsaugos nuo korozijos būdai.
1.3. Rekomenduojama literatūra
Literatūra lietuvių kalba
1. BUINEVIČIENĖ, G. ir kt. Bendroji chemija. Vilnius: Mokslas, 1991 (VGTU bibliotekoje šifras V 4346).
2. PETROŠEVIČIŪTĖ, O. Bendroji chemija. Kaunas: Technologija, 2007.
3. GRAŽĖNIENĖ, R. ir kt. Bendrosios chemijos laboratoriniai dar-bai ir teoriniai pagrindai. Vilnius: Technika, 2007.
4. Chemijos laboratoriniai darbai. Vilnius: Technika, 1995 (VGTU bibliotekoje šifras V 4825; www.vgtu.lt Fakultetai – Fundamenti-nių mokslų fakultetas – Chemijos ir bioinžinerijos katedra – Studi-jos – Studentams – Mokomoji knyga ChemiStudi-jos laboratoriniai dar-bai).
5. JANKAUSKAS, J. ir kt. Bendrosios chemijos teoriniai pagrindai ir uždaviniai. Vilnius: Technika, 2006 (www.vgtu.lt Fakultetai – Fundamentinių mokslų fakultetas – Chemijos ir bioinžinerijos ka-tedra – Studijos – Studentams – Informacija neakivaizdinio sky-riaus studentams).
6. GREVYS, S.; NAVICKIENĖ, R. Chemija. Programa, pagrindai ir užduotys neakivaizdininkams. Kaunas: Technologija, 2002. 7. GREVYS, S.; NAVICKIENĖ, R. Bendroji chemija. Teoriniai
pa-grindai ir užduotys. Kaunas: Technologija, 1999.
8. JANICKIS, V. ir kt. Bendroji ir neorganinė chemija. Vilnius: Mokslas, 1997.
9. KREIVĖNIENĖ, N.; ŽARNAUSKAS, A. Tirpalų koncentracijos ir savybės. Kaunas: Technologija, 1995.
Literatūra anglų kalba
1. MASTERTON, W. L.; HURLEY, C. N. Chemistry. Principles and Reactions. Saunders College Publishing, 1989 (VGTU bibliotekoje šifras V 4456).
2. ZUMDAHL, S. S. Chemical principles. Houghton Mifflin Compa-ny, 2005.
Literatūra rusų kalba
1. ГОРБУНОВ, А. И. и др. Теоретические основы общей химии. Москва: МГТУ им. Баумана, 2003.
1.4. Elementariosios chemijos žinios, reikalingos
chemijos dalykui studijuoti
Atsižvelgiant į tai, kad dalis įstojusiųjų į statybos inžinerijos studijų programą bendrojo lavinimo mokykloje chemiją mokėsi tik iki dešimtos klasės, chemijos dalyko modulio programa sudaryta taip, kad moduliui studijuoti pakaktų chemijos žinių, kurios sutei-kiamos bendrojo lavinimo mokykloje (pagal dabar galiojančią pro-gramą mokantis chemijos iki dešimtos klasės). Tačiau šios žinios turi būti nuoseklios ir gilios, t. y. chemijos, pradedant aštuntoje klasė
je dėstomomis temomis, turi būti mokytasi labai nuosekliai, gerai įsisavinti visi iki 10-os klasės imtinai išdėstyti chemijos mokslo pa-grindai.
Praktika parodė, kad tie studentai, kurie mokykloje chemijos mokėsi tik iki dešimtos klasės ir buvo ją gerai išmokę, įstoję į uni-versitetą jau būna ją šiek tiek primiršę, o tie, kurie mokykloje chemi-ją mokėsi nenuosekliai ir neįgijo šio mokslo pagrindų, daugelio temų beveik neprisimena. Todėl tokiems studentams, patariama pakartoti visa tai, kas išdėstyta 8–10-oms klasėms skirtuose chemijos vadovė-liuose. Kartojant ypač reikia atkreipti dėmesį į šias mokykloje įsisa-vintas chemijos žinias: pagrindinės chemijos sąvokos; periodinės cheminių elementų sistemos sudarymo principas; periodiškas nių elementų savybių kitimas; cheminių ryšių susidarymas; chemi-niai jungichemi-niai (kovalentichemi-niai molekulichemi-niai bei nemolekulichemi-niai jungi-niai; joniniai junginiai); cheminių junginių formulių sudarymas ir junginių pavadinimų nustatymas; cheminių junginių klasės (oksidai, bazės, rūgštys, druskos) ir svarbiausios jų savybės; cheminių reakcijų tipai ir reakcijų rašymas; skaičiavimai iš cheminių reakcijų lygčių.
1.5. Mokomojoje knygoje išdėstytos chemijos žinios
Norint padėti studentams, kurie mokykloje chemijos mokėsi tik iki 10-os klasės, pakartoti chemijos pagrindus, aprašytus ir paaiškin-tus atitinkamuose mokykliniuose vadovėliuose, mokomojoje knygoje trumpai išdėstyti chemijos pagrindai.
Kartu su šiai mokomajai knygai rengti naudota literatūra, jos są-rašas pateiktas p. 166) buvo naudotasi šiais mokykliniais vadovėliais: JASIŪNIENĖ, R.; VALENTINAVIČIENĖ, V. Chemija: vadovėlis VIII klasei. Vilnius: Alma littera, 2000. 207 p.; JASIŪNIENĖ, R.; VALENTINAVIČIENĖ, V. Chemija: vadovėlis IX klasei. Vilnius: Alma littera, 2002. 229 p.; VAITKUS, R. Chemija: vadovėlis X kla-sei. Kaunas: Šviesa, 2002. 187 p.
Mokomojoje knygoje taip pat yra išdėstyti teoriniai pagrindai tų chemijos dalyko temų (tirpalai ir jų koncentracijos, oksidacijos-redukcijos reakcijos, cheminė termodinamika), iš kurių semestro me-tu rašomi kontroliniai darbai; pateikti kontrolinių darbų uždavinių sprendimo pavyzdžiai.
2. PAGRINDINĖS CHEMIJOS SĄVOKOS,
REAKCIJOS, JUNGINIAI, CHEMIJOS DĖSNIAI
2.1. Pagrindinės chemijos sąvokos
Cheminis elementas – visuma atomų, turinčių vienodą branduo-lio krūvį. Kiekvienas cheminis elementas turi pavadinimą ir simbolį. Simbolis – elemento lotyniško pavadinimo viena (pirmoji) arba dvi (pirmoji ir antroji, pirmoji ir trečioji ir pan.) raidės. Pavyzdžiui, ang-lies lotyniškasis pavadinimas carboneum, simbolis C; natrio lotyniš-kasis pavadinimas natrium, simbolis Na; magnio lotynišlotyniš-kasis pava-dinimas magnium, simbolis Mg; sidabro lotyniškasis pavapava-dinimas argentum, simbolis Ag; švino lotyniškasis pavadinimas plumbum, simbolis Pb ir pan.
Atomas – mažiausia chemiškai nedaloma medžiagos dalelė. Cheminių elementų atomų masės (1,67–450) · 10–24 g, skersmuo – 1,06–5,50 Å (1 Å= 10–1 nm = 10–4μm = 10–8 cm = 10–10 m). Į vieno centimetro ilgio eilutę galima išrikiuoti 100 mln. H atomų; į guminio kamuolio sudėtį įeinantis C atomas mažesnis už kamuolį tiek kartų, kiek guminis kamuolys mažesnis už Žemės rutulį. Kaip matyti, ato-mai yra labai mažos dalelės. Juos galima pamatyti milijoną kartų di-dinančiais elektroniniais mikroskopais.
Atomas yra sudėtinga dalelė, sudaryta iš branduolio ir aplink jį skriejančių elektronų.
Atomo branduolys turi teigiamąjį krūvį. Atomo branduolys yra sudarytas iš protonų, kurių kiekvienas turi teigiamąjį +4,8029 · 10–10 absoliučiųjų elektrostatinių vienetų, arba +1,602 · 10−19 C, krūvį ir 1,673 ·10–24 g masę, ir neturinčių krūvio neutronų, kurių kiekvieno masė yra 1,675 · 10–24 g. Kadangi neutronas krūvio neturi, teigiamąjį atomo branduolio krūvį sudaro protonų, esančių atomo branduolyje, krūvis. Elektronai turi neigiamąjį –4,8029 · 10–10 absoliučiųjų elekt-rostatinių vienetų, arba −1,602 · 10−19 C, krūvį. Elektrono masė yra labai maža – ji lygi 9,1085 · 10–28 g, todėl, atliekant cheminius skai-čiavimus, laikoma, kad elektronas masės neturi ir kad atomo masė apytikriai lygi atomo branduolio masei.
Taigi protono ir elektrono krūviai skaitine reikšme yra lygūs, tiktai yra priešingų ženklų. Priimta protono ir elektrono krūvius žy-mėti atitinkamai +1 ir –1, o protono ir neutrono mases žyžy-mėti 1. To-dėl protonas, neutronas ir elektronas yra žymimi atitinkamai:
p
1 1
+ 01n −01e.
Nesužadintasis atomas yra neutralioji dalelė. Kiek atomo bran-duolyje yra protonų, lygiai tiek pat aplink branduolį skrieja elektronų nepriklausomai nuo to, kiek branduolyje yra neutronų. Branduolyje esantis protonų skaičius nusako, koks yra elementas. Protonų skai-čius yra vadinamas atominiu skaičiumi.
To paties cheminio elemento atomai, kurių branduoliuose yra tiek pat protonų, bet nevienodai neutronų, vadinami izotopais. Be-veik visų elementų atomai turi izotopus. Gamtoje cheminiai elemen-tai egzistuoja kaip izotopų mišiniai.
Susitarta cheminio elemento atomo sandarą žymėti skaičiais, ku-rie rašomi cheminio elemento simbolio kairėje: viršuje rašomas ma-sės skaičius (protonų skaičius + neutronų skaičius), apačioje – ato-minis skaičius, lygus protonų skaičiui.
Pavyzdžiui, vandenilio izotopai yra šie: protis 11H; deuteris 21H; tritis 31H. Pročio branduolyje yra vienas protonas, neutronų nėra. Deuterio branduolyje yra vienas protonas ir vienas neutronas. Tričio branduolyje yra vienas protonas ir du neutronai. Anglies izotopai yra šie: 126C (branduolyje yra 6 protonai ir 6 neutronai); 136C (branduoly-je yra 6 protonai ir 7 neutronai); 146C (branduolyje yra 6 protonai ir 8 neutronai).
Remiantis išdėstytais teiginiais, galima apskaičiuoti cheminių elementų atomų izotopų mases.
Pročio 11H, kurio branduolį sudaro tik vienas protonas (neutronų nėra), masė 1,673 · 10–24 g, t. y. šio izotopo atomo masė lygi protono masei.
Helio 42He, kurio branduolyje yra du protonai ir du neutronai, atomo masė bus lygi protonų ir neutronų masių sumai:
3,350 · 10–24 = 6,696 · 10–24 g .
Ličio izotopo 63Li, kurio branduolyje yra trys protonai ir trys neutronai, atomo masė: (3 · 1,673 · 10–24) + (3 · 1,675 · 10–24) = 10,044 · 10–24 g.
Ličio izotopo 73Li, kurio branduolyje yra trys protonai ir keturi neutronai, atomo masė
(3 · 1,673 · 10–24) + (4 · 1,675 · 10–24) = 11,719 · 10–24 g . Skaičiuojant naudoti 10–24 g eilės dydžio atomų mases yra labai nepatogu. Todėl nutarta atomų mases matuoti santykiniais dydžiais, t. y. dydžiais, kurie rodo, kiek kartų cheminio elemento atomo masė yra didesnė už anglies izotopo 126C 1/12 masės dalį, kuri yra lygi 1,66 · 10–24 g ir yra vadinama atominiu masės vienetu (1 u). Skaičius, rodantis, kiek kartų cheminio elemento atomo masė yra didesnė už vieną atominį masės vienetą, yra vadinamas santykine atomine mase (atomine mase). Ši masė yra žymima Ar. Santykinė atominė masė yra
nedimensinis dydis.
Norint apskaičiuoti bet kurio cheminio elemento izotopo atomo santykinę atominę masę, jo masė yra dalijama iš skaičiaus 1,66 · 10–24. Lengviausio ir labiausiai paplitusio vandenilio izotopo 11Hpročio santykinė atominė masė yra lygi
1,673 · 10–24 : 1,66 · 10–24 = 1,008. Helio 42He atomo santykinė atominė masė yra lygi
6,696 · 10–24 : 1,66 · 10–24 = 4,033. Ličio izotopo 63Lisantykinė atominė masė yra lygi
10,044 · 10–24 : 1,66 · 10–24 = 6,051. Ličio izotopo 73Lisantykinė atominė masė yra lygi
Šie skaičiavimai rodo, kad kiekvienas cheminio elemento izoto-pas turi savo santykinę atominę masę, kuri skiriasi nuo kito to paties elemento izotopo santykinės atominės masės.
Santykinė atominė masė (nedimensinis dydis), kuri periodinėje cheminių elementų lentelėje įrašyta šalia cheminio elemento, yra to elemento gamtinių izotopų mišinio vidutinė santykinė atominė masė, yra apskaičiuota įvertinant kiekvieno izotopo procentinį kiekį miši-nyje. Pavyzdžiui, periodinėje elementų lentelėje šalia chloro simbo-lio nurodyta šio elemento santykinė atominė masė 35,45. Ši masė yra apskaičiuota, remiantis tuo, kad chloro dujas sudaro du izotopai: vie-nas iš jų 1735Cl(chloro atomai, kurių atominis skaičius yra 17, masės skaičius yra 35), šio izotopo procentinis kiekis mišinyje yra 75,5 %, ir kitas – 3177Cl (chloro atomai, kurių atominis skaičius 17, masės skaičius 37), šio izotopo procentinis kiekis mišinyje 24,5 %. Trup-meninė yra ir visų kitų cheminių elementų (išskyrus transuraninius, kurių nurodytas patvariausias izotopas periodinėje lentelėje), santy-kinė atominė masė, netgi ir tų elementų, kurie izotopų neturi. Ele-mentų, net ir neturinčių izotopų, santykinė atominė masė yra trup-meninis skaičius todėl, kad santykinė atominė masė yra santykinis dydis.
Atomas, atidavęs ar prisijungęs elektroną, virsta krūvį turinčia (elektringąja) dalele, kuri vadinama jonu. Atomas, atidavęs elektro-ną, virsta teigiamuoju jonu, o prisijungęs elektroną virsta neigiamuo-ju jonu.
Pavyzdžiui, natrio atomas, atidavęs vieną elektroną, virsta tei-giamuoju jonu (katijonu):
Na – 1e → Na+,
o chloro atomas, prisijungęs elektroną, virsta neigiamuoju jonu (ani-jonu):
Cl + 1e → Cl−.
Vieninės medžiagos – medžiagos, sudarytos iš tos pačios rūšies elementų atomų. Pavyzdžiui, labai grynos geležies (Fe) gabalas, van-denilio dujos (H2).
Sudėtinės medžiagos (cheminiai junginiai) – medžiagos, sudary-tos iš dviejų ar kelių skirtingų elementų atomų. Pavyzdžiui, vanduo (H2O) sudarytas iš vandenilio ir deguonies; natrio šarmas NaOH su-darytas iš natrio (Na), deguonies (O) ir vandenilio (H); kvarcinis smėlis SiO2 sudarytas iš silicio (Si) ir deguonies (O).
Cheminiai junginiai būna kovalentiniai (molekuliniai, kuriuose atomai, susijungę kovalentiniais ryšiais, sudaro molekules, pavyz-džiui, H2O; nemolekuliniai, kuriuose atomai, susijungę kovalenti-niais ryšiais, sudaro erdvines struktūras, pavyzdžiui, SiO2) ir joniniai (juos sudaro joniniais ryšiais susijungę priešingus krūvius turintys jonai, pavyzdžiui, NaCl).
Cheminė formulė – vieninių ar sudėtinių medžiagų sudėties iš-raiška simboliais ir indeksais.
Cheminė formulė užrašoma taip: rašomi cheminių elementų, iš kurių sudaryta medžiaga, cheminiai simboliai. Simbolio dešinėje, apačioje, rašomas indeksas, rodantis atitinkamo elemento atomų skaičių.
Jei simbolio dešinėje, apačioje, nėra jokio skaičiaus, tai reiškia, kad yra tik vienas šiuo simboliu pažymėto cheminio elemento ato-mas. Pavyzdžiui, vieninės medžiagos – helio – formulė He. Dešinėje, apačioje, He simbolio nėra indekso, tai reiškia, kad He yra vienatomė medžiaga. Vieninės medžiagos – chloro – cheminė formulė Cl2.
De-šinėje, apačioje, Cl simbolio indeksas 2 rodo, kad chloro molekulę sudaro du chloro atomai. Sudėtinės medžiagos vandens cheminė formulė H2O, kurią sudaro H (vandenilis) ir O (deguonis); simbolio H dešinėje apačioje esantis indeksas 2 rodo, kad vandens molekulėje yra du vandenilio atomai; simbolio O dešinėje nėra indekso, ir tai reiškia, kad vandens molekulėje yra tik vienas deguonies atomas. Sudėtinės medžiagos – azoto (V) oksido – cheminė formulė N2O5. Vadinasi, azoto (V) oksido molekulę sudaro du azoto atomai ir 5 de-guonies atomai.
Taip pat rašomos ir iš nesudėtinių jonų sudarytų joninių junginių (joniniai junginiai yra nemolekuliniai junginiai) formulės. Šių nių formulėse indeksai rodo jonų skaičių. Pavyzdžiui, joninio jungi-nio CaCl2 formulė rodo, kad šiame junginyje vienas kalcio katijonas yra susijungęs su dviem chloro anijonais.
Sudėtinius jonus turinčiuose joniniuose junginiuose cheminio elemento simbolio dešinėje apačioje esantis indeksas rodo
nesudėti-nių jonų skaičių, taip pat ir elemento atomų skaičių sudėtiniame jone. Pavyzdžiui, joninio junginio K2SO4 formulė rodo, kad šiame jungi-nyje du kalio katijonai yra susijungę su sulfato anijonu, kurį sudaro vienas sieros atomas ir 4 deguonies atomai. Kai joniniame junginyje yra daugiau nei vienas sudėtinis jonas, sudėtinis jonas rašomas skliaustuose, kurių dešinėje apačioje rašomas indeksas, rodantis su-dėtinių jonų skaičių. Pavyzdžiui, formulė Al2(SO4)3 rodo, kad joninis junginys yra sudarytas iš dviejų aliuminio katijonų ir trijų sulfato anijonų ir kad kiekviename sulfato anijone yra vienas sieros atomas ir keturi deguonies atomai.
Junginių cheminių formulių sudarymo ir pavadinimų nustatymo principai plačiau nagrinėjami 5 skyriuje.
Molekulė – daugelio medžiagų mažiausioji dalelė, turinti esmi-nes tų medžiagų savybes ir galinti savarankiškai egzistuoti. Visas medžiagai būdingas chemines ir fizikines chemines savybes lemia ją sudarančių molekulių visuma.
Skaičius, rodantis, kiek kartų molekulės masė yra didesnė už vieną atominį masės vienetą (anglies izotopo 126C atomo masės 1/12 dalį, t. y. 1,66 · 10–24g), yra vadinamas santykine molekuline mase (molekuline mase). Ši masė yra žymima Mr. Santykinė molekulinė
masė yra molekulę sudarančių atomų santykinių atominių masių al-gebrinė suma. Santykinė molekulinė masė, kaip ir santykinė atominė masė, yra nedimensinis dydis.
Ir molekulinių, ir joninių junginių santykinės molekulinės masės skaičiuojamos tokiu pačiu būdu.
Cheminių junginių santykinės molekulinės masės skaičiavimas yra labai paprastas. Užrašoma junginio cheminė formulė, periodinėje cheminių elementų lentelėje randama kiekvieno formulėje užrašyto cheminio elemento santykinė atominė masė ir apskaičiuojama visų formulėje esančių cheminių elementų atomų santykinių atominių masių algebrinė suma.
Santykinės molekulinės masės skaičiavimo pavyzdžiai 1 pavyzdys
Molekulinio junginio vandens (H2O), kurį sudarančių vandenilio
(H) ir deguonies (O) atomų skaičius yra aptartas anksčiau, santykinė molekulinė masė skaičiuojama taip. Periodinėje cheminių elementų
lentelėje randamos vandenilio ir deguonies santykinės atominės ma-sės. Jos yra atitinkamai 1,008 ir 15,999. Vandenilio santykinė ato-minė masė padauginama iš 2 ir, prie gauto skaičiaus pridėjus eguonies santykinę atominę masę, gaunama vandens santykinė mo-lekulinė masė:
Mr(H2O) = 1,008 · 2 + 15,999 · 1 = 18,015. 2 pavyzdys
Molekulinio kovalentinio ryšio junginio H3PO4 (fosforo rūgšties) santykinė molekulinė masė skaičiuojama analogiškai kaip ir H2O santykinė molekulinė masė. Skaičiavimams reikalingos H ir O san-tykinės atominės masės, kaip jau yra užrašyta 1 pavyzdyje, yra ati-tinkamai 1,008 ir 15,999. P santykinė atominė masė randama peri-odinėje cheminių elementų lentelėje. Ji yra lygi 30,974. Formulėje H3PO4 prie simbolio H dešinėje, apačioje, užrašytas indeksas 3 rodo, kad šiame junginyje yra 3 vandenilio atomai. Simbolio P dešinėje, apačioje, užrašytas indeksas 1 rodo, kad junginyje yra vienas fosforo atomas. Prie simbolio O dešinėje, apačioje, užrašytas indeksas 4 ro-do, kad junginyje yra 4 deguonies atomai. Fosforo rūgšties santykinė molekulinė masė
Mr (H3PO4)= 1,008 · 3 + 30,974 · 1 + 15,999 · 4 = 97,994. 3 pavyzdys
Joninio junginio natrio hidroksido (NaOH) santykinė molekulinė masė randama apskaičiavus jo katijoną ir anijoną sudarančių elemen-tų (Na, O ir H) atomų santykinių atominių masių (jos yra nurodytos periodinėje cheminių elementų lentelėje) algebrinę sumą. Elementų Na, O ir H santykinės atominės masės yra atitinkamai: 22,989; 15,999; 1,008. Kiekvieno iš šių elementų indeksas NaOH junginyje yra lygus 1. Santykinė molekulinė masė
Mr(NaOH) = 22,989 · 1 + 15,999 · 1 + 1,008 · 1 = 39,996. 4 pavyzdys
Joninio junginio Al2(SO4)3 (aliuminio sulfato) santykinės
mole-kulinės masės skaičiavimo tvarka tokia pati, kaip ir 1–3 pavyzdžiuo-se ir labai panaši į 2 pavyzdžio skaičiavimus, tiktai šiuo atveju sudė-tinį anijoną sudarančių elementų atomų santykinių atominių masių
sumą dar reikia padauginti iš 3, kadangi junginyje yra trys anijonai. Periodinėje cheminių elementų lentelėje randame Al, S ir O santyki-nes atomisantyki-nes mases. Jos yra atitinkamai 26,981; 32,066 ir 15,999. Santykinė molekulinė masė
MrAl2(SO4)3 = 26,981 · 2 + (32,066 · 1 + 15,999 · 4) · 3 = 342,148. Medžiagos kiekio vienetas molis yra medžiagos kiekis, kuriame yra tiek sudėtinių dalelių (atomų, molekulių, jonų), kiek sudėtinių dalelių yra anglies izotopo 126C 12-oje gramų (0,012 kg). Mokslinin-kai nustatė, kad 12-oje gramų anglies izotopo 126C yra 6,022 · 1023 sudėtinių dalelių. Tiek pat sudėtinių dalelių (6,022 · 1023) yra ir vie-name grame vandenilio. Skaičius 6,022 · 1023 yra vadinamas Avogad-ro skaičiumi.
Vieno medžiagos molio masė yra vadinama moline mase. Moli-nė masė žymima raide M. MoliMoli-nės masės matavimo vienetas yra g/mol.
Absoliuti atomo, molekulės, jono masė (gramais) yra gaunama molinę masę dalijant iš Avogadro skaičiaus.
Vieninių kietų ir vienatomių dujinių medžiagų molinė masė yra lygi jų santykinei atominei masei, išreikštai gramais. Pavyzdžiui, vieninės kietos medžiagos geležies santykinė atominė masė Mr(Fe) =
55,845, geležies molinė masė M(Fe) = 55,845 g/mol. Absoliuti Fe atomo masė (gramais) yra lygi
55,845 g/mol : 6,022 · 1023 = 9,274 · 10–23 g.
Vienatomių dujų neono santykinė atominė masė yra 20,1797. Neono molinė masė M(Ne) = 20,1797 g/mol. Absoliuti Ne atomo masė (gramais) yra lygi
20,1797 g/mol : 6,022 · 1023 = 3,351 · 10–23 g.
Molekulinių junginių molinė masė yra lygi jų santykinei molekulinei masei, išreikštai gramais. Vandens santykinė molekulinė masė Mr(H2O) = 18,015. Vandens molinė masė M(H2O) = 18,015 g/mol. Absoliuti vandens molekulės masė (gramais) yra lygi
Fosforo rūgšties (H3PO4) santykinė molekulinė masė Mr (H3PO4) = 97,994. Todėl H3PO4 molinė masė M(H3PO4) = 97,994 g/mol. Absoliuti H3PO4 molekulės masė (gramais) yra lygi
97,994 g/mol : 6,022 · 1023 = 16,27 · 10–23 g .
Joninių junginių molinė masė yra skaičiuojama taip pat, kaip ir molekulinių junginių. Natrio hidroksido santykinė mole-kulinė masė Mr(NaOH) = 39,996. Šio junginio molinė masė M(NaOH) = 39,996 g/mol.
Aliuminio sulfato Al2(SO4)3 santykinė molekulinė masė MrAl2(SO4)3 = 342,148. Šio junginio molinė masė MAl2(SO4)3 = 342,148 g/mol. Absoliuti Al2(SO4)3 molekulės masė (gramais) yra lygi
342,148 g/mol : 6,022 · 1023 = 56,82 · 10–23 g .
Jonų molinė masė yra lygi jų santykinei molekulinei masei, iš-reikštai gramais. Jonų santykinės molekulinės masės yra skaičiuoja-mos analogiškai kaip ir junginių santykinės molekulinės masės. Į jono krūvį neatsižvelgiama, kadangi susidarant jonui prijungtų ar atiduotų elektronų (priimta laikyti, kad jų masė lygi nuliui) skaičius jono masei įtakos neturi. Pavyzdžiui, nitrato (NO3−) jonosantykinė molekulinė masė
Mr(NO3−) = (14,0067 + 15,9994 · 3) = 62,0049.
Todėl NO jonų molinė masė M(NO−3 3−) = 62,0049 g/mol; abso-liuti NO jono masė yra lygi −3
62,0049 g/mol : 6,022 · 1023= 10,296 · 10–23 g.
Vandenilio jono H+ santykinė molinė masė Mr(H+) = 1,008, todėl vandenilio jonų H+ molinė masė M(H+) = 1,008 g/mol. Absoliuti vandenilio jono H+ masė yra lygi
Jeigu žinome medžiagos masę m (gramais) ir vieno jos molio masę (t. y. molinę masę M), galime apskaičiuoti medžiagos molių skaičių:
n = . M
m
Atliekant skaičiavimus chemijos laboratorinių darbų metu bei sprendžiant įvairius chemijos uždavinius, molinę masę galima skai-čiuoti vienos dešimtosios tikslumu.
Valentingumas – cheminio elemento atomo ryšių, sudaromų su kitais atomais, skaičius. Pavyzdžiui, junginyje HCl chloras yra vien-valentis, kadangi jis yra sudaręs vieną ryšį su H atomu; junginyje H2O deguonis yra dvivalentis, kadangi jis yra sudaręs du ryšius su vandenilio atomais (vieną ryšį su vienu H atomu, kitą – su kitu H atomu, t. y. po vieną ryšį su kiekvienu iš dviejų H atomų); junginyje NH3 azotas yra trivalentis, kadangi jis yra sudaręs tris ryšius su van-denilio atomais, t. y. po vieną ryšį su kiekvienu iš trijų H atomų). Vienų elementų valentingumas yra pastovus (pavyzdžiui, Na, K, Al, Zn, Cd), kitų – kintamas (pavyzdžiui, N junginyje NH3 yra trivalen-tis, junginyje N2O vienvalentis, junginyje N2O5 penkiavalentis).
2.2. Cheminiai junginiai (oksidai, rūgštys, bazės,
druskos)
Oksidai – metalų arba nemetalų sąveikos su deguonimi produk-tai. Oksidai – tai junginiai, sudaryti iš dviejų cheminių elementų, ku-rių vienas yra deguonis. Pavyzdžiui, CaO, SO2, NO, N2O5.
Rūgštys – molekuliniai kovalentinio ryšio junginiai, disocijuo-jantys į vandenilio katijonus ir rūgšties liekanos anijonus. Rūgštys būna deguoninės ir bedeguonės. Pavyzdžiui, nitrato, arba azoto, rūgš-tis HNO3 disocijuoja į H katijonus ir + NO anijonus, ši rūgštis yra 3−
deguoninė; vandenilio chloridas (arba druskos) rūgštis HCl disoci-juoja į H katijonus ir + Cl anijonus, ši rūgštis yra bedeguonė. −
Hidroksidai (bazės) – joniniai junginiai, sudaryti iš metalo (ar amonio) katijonų ir hidroksido (OH−) anijonų. Pavyzdžiui, NaOH, sudarytas iš Na+ katijonų ir OH anijonų, ištirpintas vandenyje diso-−
cijuoja į šiuos jonus; Ca(OH)2, sudarytas iš Ca katijonų ir 2+
−
OH anijonų, ištirpintas vandenyje disocijuoja į šiuos jonus.
Druskos – kristalinės struktūros joniniai junginiai, kuriuose me-talo (ar amonio) katijonai yra susijungę su rūgšties liekanos anijo-nais. Pavyzdžiui, druska CuSO4 yra sudaryta iš Ca katijonų ir iš 2+
− 2 4
SO anijonų, ištirpinta vandenyje disocijuoja į šiuos jonus; druska Na2CO3 yra sudaryta iš Na+ katijonų ir CO anijonų, ištirpinta van-23− denyje disocijuoja į šiuos jonus; druska KCl yra sudaryta iš K kati-+ jonų ir Cl anijonų, ištirpinta vandenyje disocijuoja į šiuos jonus. −
Oksidai, rūgštys, bazės, druskos yra sudėtinės medžiagos. Apie oksidų, rūgščių, bazių, druskų cheminių formulių sudary-mą bei pavadinimų nustatysudary-mą yra išdėstyta šio leidinio 5.2 ir 5.3 po-skyriuose.
2.3. Cheminės reakcijos
Kitimai, kuriems vykstant vienos medžiagos nevirsta kitomis, vadinami fizikiniais reiškiniais. Pavyzdžiui, ledo tirpimas yra fiziki-nis reiškinys, kadangi tirpstant ledui tiktai kinta vandens agregatinė būsena: kietoji būsena pereina į skystąją. Tirpstant ledui vanduo ne-virsta kita medžiaga.
Kitimai, kuriems vykstant iš vienų medžiagų susidaro kitos me-džiagos, vadinami cheminiais reiškiniais arba cheminėmis reakcijo-mis. Pavyzdžiui, sumaišius du bespalvius sidabro nitrato ir natrio chlorido druskų tirpalus, iškrinta baltos nuosėdos. Šios nuosėdos iš-krito dėl to, kad tarp sidabro nitrato ir natrio chlorido įvyko cheminė reakcija ir susidarė naujos medžiagos: netirpus baltos spalvos sidabro chloridas (baltos nuosėdos) ir tirpus natrio nitratas.
Medžiagos savybės, kurios išryškėja jai reaguojant su kitomis medžiagomis, vadinamos cheminėmis savybėmis.
Nuosėdų susidarymas, dujų išsiskyrimas, spalvos, kvapo poky-čiai, šilumos išsiskyrimas arba jos sugėrimas yra cheminių reakcijų požymiai.
Vykstant cheminėms reakcijoms susidaro naujos medžiagos su kitomis fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis.
Vykstant fizikiniams procesams naujų medžiagų nesusidaro, medžiagų cheminė sudėtis ir cheminės savybės nepakinta.
Cheminės reakcijos yra užrašomos cheminėmis lygtimis. Lygtį sudaro dvi pusės: kairioji ir dešinioji. Kairėje pusėje rašomos reaguo-jančiųjų medžiagų cheminės formulės, dešinėje – reakcijos produktų cheminės formulės. Tarp abiejų lygties pusių rašomas „→“ ženklas. Rodyklė rodo reakcijos kryptį.
Cheminės reakcijos lygtis (cheminė lygtis) rodo, kokios medžia-gos ir kiek jų reaguoja bei kokios medžiamedžia-gos ir kiek jų susidaro. Šią lygtį galima užrašyti tiktai žinant reaguojančiųjų medžiagų ir reakci-jos produktų formules.
Kiekvienos rūšies cheminių elementų atomų skaičiai abiejose reakcijos lygties pusėse turi būti vienodi. Skaičiams išlyginti prieš chemines formules yra rašomi stechiometriniai koeficientai.
Reaguojančiųjų medžiagų ir reakcjos produktų agregatinę būse-ną susitarta žymėti šalia medžiagos formulės lenktiniuose skliaustuo-se užrašant agregatinę būskliaustuo-seną nusakančio žodžio pirmąją raidę. Lie-tuvių kalba rašomuose tekstuose agregatinės būsenos žymimos taip:
(k) – kieta medžiaga, pavyzdžiui, Fe2O3(k);
(s) – skysta medžiaga, pavyzdžiui, C2H5OH(s);
(d) – dujinė medžiaga, pavyzdžiui, CO2(d).
Anglų kalba rašomuose tekstuose agregatinė būsena, kuri atitin-kamai yra nusakoma žodžiais solid, liquid, gas, yra žymima taip: (s), (l), (g).
Medžiagos tirpalas vandenyje nepriklausomai nuo teksto kalbos žymimas (aq).
Reakcijų rašymo pavyzdžiai 1 pavyzdys
AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(k) + Na NO3(aq).
AgNO3 ir NaCl reakcijoje kiekvienos rūšies cheminių elementų atomų skaičiai abiejose cheminės lygties pusėse yra vienodi, todėl šiuo atveju nereikia lyginti atomų skaičių.
2 pavyzdys
Jeigu šioje reakcijoje nebūtų užrašyti stechiometriniai koeficientai prieš NaOH ir H2O formules, Na atomų skaičius prieš reakciją būtų 1, po reakcijos 2, H atomų skaičius prieš reakciją būtų 3, o po reakcijos 2. Na ir H atomų skaičiui prieš reakciją ir po reakcijos išlyginti prieš NaOH reikėjo užrašyti 2 ir prieš H2O reikėjo užrašyti 2. Na atomų skai-čiai prieš ir po reakcijos pasidarė lygūs (prieš ir po reakcijos po 2), H atomų skaičiai taip pat pasidarė lygūs (prieš ir po reakcijos po 4). 3 pavyzdys
CuSO4(aq) + 2NaOH(aq) → Cu(OH)2(k) + Na2SO4(aq). Jeigu reakcijoje nebūtų stechiometrinio koeficiento prieš NaOH, Na atomų skaičius prieš reakciją būtų 1, po reakcijos 2, O atomų skaičius prieš reakciją būtų 5, po reakcijos 6, H atomų skaičius prieš reakciją būtų 1, po reakcijos 2. Todėl Na, O ir H atomų skaičiui išlyginti prieš NaOH reikėjo užrašyti 2. Taip padarius, Na, O ir H atomų skaičiai prieš ir po reakcijos pasidarė lygūs: Na – 2, O – 6, H – 2.
2.3.1. Cheminių reakcijų klasifikavimas
Pagal reaguojančiųjų medžiagų ir reakcijos produktų skaičių bei cheminę sudėtį reakcijos yra grupuojamos į jungimosi, skilimo ir pavadavimo reakcijas. Reakcijos, kurioms vykstant iš dviejų (ar dau-giau) medžiagų susidaro viena, vadinamos jungimosi reakcijomis, o kai iš vienos pradinės medžiagos susidaro dvi ar daugiau medžiagų – skilimo reakcijomis. Reakcijos, kurioms vykstant vienas elementas junginyje pakeičia kitą, vadinamos pavadavimo reakcijomis.
Pagal reakcijos šiluminį efektą jos skirstomos į egzotermines (kai šiluma išsiskiria) ir endotermines (kai šiluma sunaudojama).
Reakcijos, kurioms vykstant keičiasi elementų oksidacijos laips-nis, priskiriamos oksidacijos-redukcijos reakcijoms.
Bazių bei bazinių oksidų reakcijos su rūgštimis ir rūgštinių oksi-dų reakcijos su bazėmis yra vadinamos neutralizacijos reakcijomis.
2.3.2. Skaičiavimai iš cheminės reakcijos lygties
Vykstant konkrečiai cheminei reakcijai medžiagos reaguoja ir reakcijos produktai susidaro griežtai nustatytais santykiais, kuriuos rodo reakcijos lygtis. Jeigu kurios nors iš reaguojančiųjų medžiagų
būtų pridėtas perteklius, tai tas perteklius liktų nesureagavęs. Todėl užrašius cheminės reakcijos lygtį ir išlyginus stechiometrinius koefi-cientus, galima atlikti skaičiavimus iš reakcijos lygties. Žinant, kiek bent vienos iš reaguojančiųjų medžiagų sureagavo reakcijoje, galima apskaičiuoti, kiek sureagavo kitos medžiagos (ar kitų medžiagų) ir kiek susidarė reakcijos produktų. Ir atvirkščiai, žinant, kiek susidarė bent vieno kurio nors iš reakcijos produktų, galima apskaičiuoti, kiek susidarė kito (ar kitų) produktų ir kiek reaguojančiųjų medžiagų su-reagavo reakcijoje.
1 pavyzdys
BaSO4 buvo gautas vykstant reakcijai:
BaCl2(aq) + H2SO4(aq) → BaSO4(k)+ 2HCl(aq). Apskaičiuokite, kiek gramų BaSO4 susidarė sureagavus 40 g BaCl2. Sprendimas
Užrašytoji reakcija rodo, kad sureagavus vienam moliui BaCl2 susidaro vienas molis BaSO4. Todėl, apskaičiavus BaCl2 ir BaSO4
mo-lines mases, galima sudaryti proporciją ir apskaičiuoti BaSO4 kiekį.
1. Apskaičiuojamos BaCl2 ir BaSO4 molinės masės:
M(BaCl2) = 137,3 + 35,5 = 208,3 g/mol, M(BaSO4) = 137,3 + 32,1 + 16,0 = 233,4 g/mol.
2. Apskaičiuojamas BaSO4 kiekis (gramais), susidaręs sureaga-vus 40 g BaCl2:
Sureagavus 208,3 g BaCl2 susidaro 233,4 g BaSO4, – ’’ – 40 g – ’’ – – x g – – ’’ –, x = g 3 , 208 g 4 , 233 g 40 ⋅ = 44,8 g.
Ats.: susidarė 44,8 g BaSO4. 2 pavyzdys
Vykstant reakcijai
buvo gauta 15,9 g Fe(OH)3.
Apskaičiuokite, kiek gramų KOH sureagavo. Sprendimas
Šio uždavinio sprendimas panašus į 1 pavyzdžio uždavinio sprendimą, tiktai šiuo atveju žinant susidariusio reakcijos produkto kiekį reikia apskaičiuoti sureagavusios medžiagos kiekį. Užrašytoji reakcija rodo, kad sureagavus 6 moliams KOH susidaro 2 moliai Fe(OH)3. Todėl šiuo atveju, skirtingai nei 1 pavyzdyje, reikės apskai-čiuoti ne tiktai KOH ir Fe(OH)3 molines mases, bet ir KOH 2 molių bei Fe(OH)3 6 molių mases.
1. Apskaičiuojamos KOH ir Fe(OH)3 molinės masės bei KOH 2 molių ir Fe(OH)3 6 molių masės:
M(KOH) = 39,1 + 16 + 1 = 56,1 g/mol, KOH 6 molių masė m = 56,1 g/mol · 6 mol = 336,6 g.
M(Fe(OH)3) = 55,9 + (16 + 1) · 3 = 106,9 g/mol, Fe(OH)3 2 molių masė m = 106,9 g/mol · 2 mol = 213,8 g.
2. Apskaičiuojama, kiek gramų KOH sureagavo susidarant 15,9 g Fe(OH)3:
213,8 g Fe(OH)3 susidaro sureagavus 336,6 g KOH, 15,9 g – “ – susidarė – “ – x g – “ –, x = g 8 , 213 g 6 , 336 g 9 , 15 ⋅ = 25,03 g.
Ats.: sureagavo 25,03 g KOH. 3 pavyzdys
Apskaičiuokite, kiek susidarys gramų Cu ir kiek litrų (normalio-siomis sąlygomis) CO2 dujų, sureagavus 15,0 g CuO, vykstant reak-cijai:
2CuO(k) + C(k) → 2Cu(k) + CO2(d). Sprendimas
1. Apskaičiuojamos CuO ir Cu molinės bei šių medžiagų 2 mo-lių masės:
M(Cu) = 63,6 g/mol,
Cu 2 molių masė m = 63,6 g/mol · 2 mol = 127,2 g. M(CuO) = 63,6 + 16,0 = 79,6 g/mol,
CuO 2 molių masė m = 79,6 g/mol · 2 mol = 159,2 g.
2. Apskaičiuojamas Cu kiekis (gramais), susidaręs sureagavus 15,0 g CuO:
Sureagavus 159,2 g CuO susidaro 127,2 g Cu,
– ’’ – 15,0 g – ’’ – x g – ’’ –, x = g 2 , 159 g 2 , 127 g 0 , 15 ⋅ = 11,98 g.
3. Apskaičiuojamas CO2 tūris (litrais), susidaręs sureagavus 15,0 g CuO.
Reakcijos lygtis rodo, kad sureagavus 2 moliams CuO susidaro 1 molis CO2 dujų.
Pagal Avogadro dėsnį 1 molis bet kurių dujų normaliosiomis są-lygomis užima 22,4 litrų tūrį. Taigi 1 molis CO2 dujų normaliosiomis
sąlygomis užima 22,4 litrų tūrį.
Skaičiuojant iš reakcijos lygties dujų masę galima pakeisti ją ati-tinkančiu tūriu. Todėl galima sudaryti šią proporciją:
Sureagavus 159,2 g CuO susidaro 22,4 litro CO2,
– ’’ – 15,0 g – ’’ – x litrų – ’’ –, x = g 2 , 159 l 4 , 22 g 0 , 15 ⋅ = 2,1 litro. Ats.: susidarė 11,98 g Cu ir 2,1 litro CO2 dujų.
Pastaba: Šiame leidinyje toliau pateiktose reakcijų lygtyse medžiagų agregatinė būsena bus nurodyta ne visais atvejais, o tiktai tais, kai tai bus būtina. Pavyzdžiui, medžiagų agregatinė būsena bus nurodyta skyriuje „Cheminė termodinamika“ pateiktose cheminėse reakcijose, kadangi ter-modinaminės medžiagų charakteristikos priklauso nuo medžiagų agregati-nės būsenos.
2.4. Pagrindiniai chemijos dėsniai
Medžiagų masės tvermės dėsnis. Reakcijoje dalyvavusių me-džiagų masė yra lygi reakcijos produktų masei.
Pavyzdys
NaOH + HCl → NaCl + H2O, 40 g + 36,5 g → 58,5 g + 18 g,
76,5 g → 76,5 g.
Junginio sudėties pastovumo dėsnis. Bet kuriuo būdu gauti ne-kintamos sudėties junginiai visuomet yra tos pačios sudėties.
Pavyzdys
CaO + H2O → Ca(OH)2, CaCl2 + 2NaOH → Ca(OH)2 + 2NaCl.
Užrašytosios Ca(OH)2 susidarymo reakcijos rodo, kad nepriklau-somai nuo nekintamos sudėties Ca(OH)2 susidarymo reakcijos šio junginio sudėtis išlieka tokia pati.
Junginio sudėties pastovumo dėsnis kintamos sudėties jungi-niams negali būti taikomas.
Avogadro dėsnis. Kai temperatūra ir slėgis yra vienodi, vieno-duose įvairių dujų tūriuose yra vienodas molekulių skaičius. Šio dės-nio išvada yra tokia: normaliosiomis sąlygomis (esant temperatūrai 273 K, slėgiui 101 325 Pa) vienas dujų molis užima 22,4 litro.
Ekvivalentų dėsnis. Medžiagos jungiasi arba pakeičia viena kitą kiekiais, proporcingais jų ekvivalentų molinėms masėms:
2 1 m m = , 2 1 E E (2.1)
čia: m1 irm2 –reaguojančiųjų medžiagųmasės, g;
E1 ir E2 – reaguojančiųjų medžiagų ekvivalentų molinės ma-sės, g/mol.
Kai viena iš reaguojančiųjų medžiagų yra dujinė, atliekant skai-čiavimus pagal ekvivalentų dėsnį jos masę galima pakeisti tūriu V, o ekvivalentų molinę masę – ekvivalentiniu tūriu Vekv. Tada ekvivalen-tų dėsnio išraiška bus tokia:
V m = . ekv V E (2.2)
Cheminis ekvivalentas – reali ar sąlyginė medžiagos dalelė: rea-li dalelė yra lygi medžiagos formurea-liniam vienetui, kuris išreiškiamas jos chemine formule, o sąlyginė dalelė yra kartotinį skaičių kartų mažesnė už medžiagos formulinį vienetą. Ekvivalentų molis yra me-džiagos kiekis, kuriame yra 6,022 · 1023 jos ekvivalentų. Ekvivalentų molinė masė yra reiškiama g/mol. Šiame leidinyje ekvivalentų moli-nė masė žymima raide E.
Cheminio elemento ekvivalentų molinė masė yra jo kiekis, kuris jungiasi su 1 moliu vandenilio atomų arba pakeičia 1 molį vandenilio atomų cheminėse reakcijose.
Pavyzdžiui, susidarant HCl, 1 molis H atomų jungiasi su 1 moliu Cl atomų, todėl junginyje HCl chloro ekvivalentų molinė masė 35,5 g/mol. Susidarant H2O, 1 molis H atomų jungiasi su 1/2 molio
O atomų, todėl junginyje H2O deguonies ekvivalentų molinė masė
8 g/mol.
Elemento ekvivalentų molinė masė apskaičiuojama jo atomų molinę masę dalijant iš valentingumo:
E = ;
mas valentingu
A
(2.3)
čia: E – elemento ekvivalentų molinė masė, g/mol; A – elemento atomų molinė masė, g/mol. 1 pavyzdys
Aliuminio (Al), kurio valentingumas yra pastovus ir lygus 3, ek-vivalentų molinė masė:
E(Al) = 3 mol / g 27 = 9 g/mol.
2 pavyzdys
Cinko (Zn), kurio valentingumas yra pastovus ir lygus 2, ekviva-lentų molinė masė:
E(Zn) = 2 mol / g 4 , 65 = 32,7 g/mol.
Tokiu pat būdu skaičiuojama ir kitų pastovų valentingumą turin-čių elementų ekvivalentų molinė masė.
Elemento, esančio junginyje, ekvivalentų molinė masė apskai-čiuojama to elemento atomų molinę masę dalijant iš elemento valen-tingumo tame junginyje. Kintamąjį valentingumą turinčio elemento ekvivalentų molinės masės dydis skirtinguose junginiuose yra skir-tingas.
3 pavyzdys
Junginyje NO azoto valentingumas lygus 2. Azoto ekvivalentų molinė masė šiame junginyje:
E(N) = 2 mol / g 14 = 7 g/mol.
Junginyje N2O5 azoto valentingumas lygus 5. Azoto ekvivalentų molinė masė šiame junginyje:
E(N) = 5 mol / g 14 = 2,8 g/mol.
Nedisocijuojančių į jonus junginių ekvivalentų molinė masė ap-skaičiuojama dalijant jų molinę masę iš vieno kurio nors elemento valentingumo ir jo atomų skaičiaus, esančio tame junginyje, sandau-gos. Taigi, norint apskaičiuoti junginio ekvivalentų molinę masę, pirmiausia reikia apskaičiuoti to junginio molinę masę ir paskui ją dalyti iš vieno kurio nors elemento valentingumo ir junginyje esančio jo atomų skaičiaus sandaugos.
4 pavyzdys
Junginio N2O5 ekvivalentų molinė masė apskaičiuojama taip. 1. Apskaičiuojama N2O5 molinė masė:
2. Apskaičiuojama N2O5 ekvivalentų molinė masė: E(N2O5) = 1085g/2mol
⋅ = 10,8 g/mol.
Disocijuojančių į jonus junginių ekvivalentų molinė masė yra apskaičiuojama dalijant jų molinę masę iš teigiamųjų (arba neigia-mųjų) jonų, susidariusių disocijuojant junginiui, krūvių sumos. 5 pavyzdys
Skaičiuojant HCl ekvivalentų molinę masę šio junginio molinė ma-sė dalijama iš 1, kadangi jam disocijuojant susidaro vienas teigiamasis krūvis (vienas H+ jonas) ir vienas neigiamasis krūvis (vienas Cl− jonas).
E(HCl) = 1 (HCl) M = 1 5 , 35 1+ = 36,5 g/mol.
Skaičiuojant H2SO4 ekvivalentų molinę masę, šio junginio moli-nė masė dalijama iš 2, kadangi disocijuojant H2SO4 susidariusių tei-giamųjų krūvių suma lygi 2 (susidaro 2 H jonai) ir neigiamųjų krū-+ vių suma lygi 2 (susidaro vienas SO jonas). 24−
E(H2SO4) = 2 ) SO (H2 4 M = 2 4 16 32 2 1⋅ + + ⋅ = 2 98 = 49 g/mol.
Skaičiuojant Ca(OH)2 ekvivalentų molinę masę, šio junginio
molinė masė dalijama iš 2, kadangi jam disocijuojant susidaro 2 tei-giami krūviai (Ca2+jonas) ir 2 neigiamieji krūviai (2 OH jonai). −
E(Ca(OH)2) = 2 ) (Ca(OH)2 M = 2 2 ) 1 16 ( 40+ + ⋅ = 2 74 = 37 g/mol. Skaičiuojant Al2(SO4)3 ekvivalentų molinę masę, šio junginio molinė masė dalijama iš 6, kadangi jam disocijuojant susidaro 6 tei-giamieji krūviai (2 Al3+ jonai) ir toks pats skaičius neigiamųjų krūvių (3 SO jonai): 24− E(Al2(SO4)3) = 6 ) (SO (Al2 4 3 M = 6 3 ) 4 16 32 ( 2 27⋅ + + ⋅ ⋅ = 6 342 = 57 g/mol.
Rūgščių, bazių ir druskų, ištirpintų vandenyje, ekvivalentų moli-nės masės sprendžiant tirpalų koncentracijų uždavinius yra skaičiuo-jamos žinant, jog tirpinamas vandenyje elektrolitas tiktai disocijuoja į jonus, jokia cheminė reakcija nevyksta ir todėl šių medžiagų ekvi-valentų molinės masės yra nekintamos ir skaičiuojamos dalijant ištir-pusio elektrolito molinę masę iš teigiamųjų arba neigiamųjų krūvių, susidariusių disocijuojant elektrolitui, sumos.
Sudėtinių medžiagų (tarp kurių yra ir rūgštys, bazės bei drus-kos), dalyvaujančių cheminėse reakcijose, ekvivalentų molinės ma-sės priklauso nuo to, kaip medžiagos keičiasi vykstant reakcijai. Su-dėtinės medžiagos, dalyvaujančios cheminėje reakcijoje, ekvivalentų molinė masė gali turėti kelias reikšmes. Reakcijoje dalyvaujančios rūgšties arba rūgščiosios druskos ekvivalentų molinė masė apskai-čiuojama junginio molinę masę dalijant iš skaičiaus vandenilio ato-mų, pakeistų toje reakcijoje, o reakcijoje dalyvaujančios bazės ar bazinės druskos ekvivalentų molinė masė apskaičiuojama junginio molinę masę dalijant iš skaičiaus hidroksido grupių OH, pakeistų reakcijoje.
6 pavyzdys
Apskaičiuokite H3PO4 ekvivalentų molines mases reakcijose: 1 reakcija H3PO4 + NaOH → NaH2PO4 + H2O, 2 reakcija H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O. Sprendimas
1-ojoje reakcijoje pakeistas vienas H3PO4 vandenilio atomas.
Todėl šioje reakcijoje
E(H3PO4) =
(
)
1 PO H3 4 M = 1 4 16 31 3 1⋅ + + ⋅ = 1 98 = 98 g/mol.2-ojoje reakcijoje pakeisti trys H3PO4 vandenilio atomai. Todėl šioje reakcijoje E(H3PO4) =
(
)
3 PO H3 4 M = 3 4 16 31 3 1⋅ + + ⋅ = 3 98= 32,7 g/mol.7 pavyzdys
Apskaičiuokite Al(OH)3 ekvivalentų molines mases reakcijose: 1 reakcija Al(OH)3 + HCl → Al(OH)2Cl + H2O,
2 reakcija Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O. Sprendimas
1-ojoje reakcijoje pakeista Al(OH)3 viena OH grupė. Todėl šioje reakcijoje E(Al(OH)3) =
(
)
1 (OH) Al 3 M = 1 3 ) 1 16 ( 27+ + ⋅ = 1 78 = 78 g/mol.2-ojoje reakcijoje pakeistos Al(OH)3 trys OH grupės. Todėl šioje reakcijoje E(Al(OH)3) =
(
)
3 Al(OH)3 M = 3 3 ) 1 16 ( 27+ + ⋅ = 3 78= 26 g/mol. Elemento ar junginio ekvivalentų molinę masę galima rasti ir bandymo būdu, vykdant to elemento ar junginio reakciją su kitu ele-mentu ar junginiu, kurio ekvivalentų molinė masė yra žinoma. Šiuo atveju ekvivalentų molinė masė apskaičiuojama remiantis ekvivalen-tų dėsniu.8 pavyzdys
Nustatyta, kad sudeginus 4,56 g Mg susidaro 7,56 g magnio ok-sido. Kokia yra Mg ekvivalentų molinė masė?
Sprendimas
Sureagavusio Mg masė m = 4,56 g.
Sureagavusio O2 masė m = 7,56 − 4,56 = 3 g. Deguonies valentingumas 2.
Deguonies ekvivalentų molinė masė:
E(O) = 2 (O) A = 2 16 = 8 g/mol.
) O ( ) Mg ( m m = , (O) (Mg) E E 3 56 , 4 = , 8 ) Mg ( E E(Mg) = 3 8 56 , 4 ⋅ = 12,16 g/mol. Ats.: E(Mg) = 12,16 g/mol.
9 pavyzdys
Užrašykite švino oksido formulę, jeigu yra žinoma, kad 1 g švi-no be liekašvi-nos jungiasi su 0,1544 g deguonies.
Sprendimas
1. Remiantis uždavinio sąlygoje pateiktais duomenimis, ekviva-lentų dėsniu (formulė (2.1)) bei ankstesnių pavyzdžių užda-vinių sprendimo rezultatais, apskaičiuojama Pb ekvivalentų molinė masė: (O) (Pb) m m = , (O) (Pb) E E 1544 , 0 1 = , 8 (Pb) E E(Pb) = 1544 , 0 8 = 51,81 g/mol.
2. Surašius duomenis į formulę (2.3), apskaičiuojamas Pb va-lentingumas švino okside:
E(Pb) = , (Pb) mas valentingu (Pb) A valentingumas (Pb) = (Pb) (Pb) E A = 81 , 51 2 , 207 = 4. Švino oksido formulė PbO2.
10 pavyzdys
Vandeniliu redukuojant 2,68 g metalo oksido iki metalo, susida-rė 0,648 g vandens. Apskaičiuokite metalo ekvivalentų molinę masę. Sprendimas
1. Apskaičiuojama vykstant reakcijai susidariusio deguonies masė.
Vandens molinė masė M(H2O) = 18 g/mol. Viename molyje vandens yra 16 g deguonies. Galima užrašyti proporciją:
18 g H2O yra 16 g deguonies, 0,648 g H2O –’’– x g –’’–, x = 18 16 648 , 0 ⋅ = 0,576 g. 2. Apskaičiuojama metalo masė metalo okside:
m(metalo) = m(metalo oksido) – m(deguonies), m(metalo) = 2,68 g – 0,576 g = 2,104 g.
3. Pagal ekvivalentų dėsnį (formulė (2.1)) apskaičiuojama me-talo ekvivalentų molinė masė:
) (deguonies (metalo) m m = , ) (deguonies (metalo) E E 576 , 0 104 , 2 = , 8 (metalo) E E(metalo) = 576 , 0 8 104 , 2 ⋅ = 29,22 g/mol.
Ats.: E(metalo) = 29,22 g/mol.
Jeigu viena iš reaguojančiųjų medžiagų yra dujinė, jos ekviva-lentų molinę masę galima pakeisti ekvivalentiniu tūriu, o jos masę – tūriu.
11 pavyzdys
Koks vandenilio tūris (normaliosiomis sąlygomis) išsiskirs, iš-tirpus rūgštyje 18 g metalo, kurio ekvivalentų molinė masė 12 g/mol?
Sprendimas
Bet kurių dujų 1 molis normaliosiomis sąlygomis užima 22,4 lit-ro; vandenilio 1 molio masė M(H2) = 2,016 g/mol; vandenilio ekvi-valentų molinė masė E(H) = 1,008 g/mol, t. y. lygi atomų molinei masei, kadangi vandenilio valentingumas lygus 1.
1. Apskaičiuojamas vandenilio 1 ekvivalento (1,008 g) standar-tinėmis sąlygomis užimamas tūris (Vekv):
2,016 g vandenilio užima 22,4 litro tūrį, 1,008 g (1 ekv) –’’– Vekv –’’– , Vekv = mol / g 016 , 2 l 4 , 22 g 008 , 1 ⋅ = 11,2 l.
2. Pagal (2.2) formulę apskaičiuojamas vandenilio tūris, kuris išsiskirs, ištirpus rūgštyje 18 g metalo:
2 H (metalo) V m = (metalo), ekv V E 2 H g 18 V = 11,2l, g 12 2 H V = g 12 g 18 l 2 , 11 ⋅ = 16,8 l. Ats.: 16,8 litro.
Daltono dėsnis. Dujų mišinio slėgis yra lygus to mišinio dujų dalinių slėgių sumai:
p = p1 + p2 + p3 + ....+ pn; (2.4)
čia p – dujų mišinio slėgis;
p1, p2, p3, .... pn −mišinį sudarančių dujų daliniai slėgiai.
Šis dėsnis plačiau galėtų būti paaiškintas taip: jeigu tam tikrame tūryje yra dujų mišinys (pavyzdžiui, oro, azoto ir deguonies mišinys), tai kiekvienos dujos atskirai paėmus turi savo slėgį, kuris vadinamas
jų daliniu slėgiu. Dujų dalinis slėgis mišinyje yra toks slėgis, kurį jos sudarytų būdamos vienos ir užimdamos visą mišinio užimamą tūrį.
Klapeirono dėsnis. Tam tikros dujų masės santykis T pV yra pas-tovusis dydis: 0 0 0 T V p = 1 1 1 T V p = 2 2 2 T V p = .... = n T V pn n arba T pV = const. (2.5)
Ši lygtis dar yra vadinama idealiųjų dujų būsenos lygtimi arba Klapeirono lygtimi. Šios lygties konstanta priklauso nuo dujų rūšies ir masės. Visų rūšių dujoms šią lygtį pritaikė D. Mendelejevas. Jis sujungė Klapeirono ir Avogadro dėsnius. Įrašius į Klapeirono lygtį dujų molinį tūrį VM, gauta Klapeirono ir Mendelejevo lygtis:
R = M; T
pV (2.6)
čia: R – universalioji dujų konstanta, kurios vertė priklauso nuo to, kokiais vienetais yra išreikšti p ir VM;
VM – dujų vieno molio užimamas tūris (22,4 l/mol arba 22,4 × 10−3 m3/mol), esant stadartinėms sąlygoms, t. y. kai p0= 101 325 Pa, T0 = 273 K.
Standartinėmis sąlygomis slėgį p reiškiant paskaliais (Pa), tūrį VM kubiniais metrais (m3), dujų universaliosios konstantos R vertė:
R = K 273 mol / m 10 4 , 22 Pa 325 101 ⋅ ⋅ −3 3 = 8,314 Pa · m3/mol · K.
Standartinėmis sąlygomis slėgį p išreiškiant kilopaskaliais (kPa), tūrį VM litrais (l), dujų universaliosios konstantos R vertė:
R = K 273 l 4 , 22 kPa 325 , 101 ⋅ = 8,314 kPa · l/mol · K.
Standartinėmis sąlygomis slėgį p išreiškiant niutonais į vieną kvadratinį metrą (N/m2), žinant, kad 1 Pa = 1 N/m2, tūrį VM išreiš-kiant kubiniais metrais (m3), dujų universaliosios konstantos R vertė:
R = K 273 mol / m 10 4 , 22 m / N 325 101 2⋅ ⋅ −3 3 = 8,314 N · m/mol · K.
Kadangi 1 N · m = 1 J (džauliui), R = 8,314 J/mol · K.
Bet kuriai dujų masei m pritaikyta Klapeirono ir Mendelejevo lygtis yra tokia:
pV = RT;
M m
(2.7)
čia: p – dujų slėgis; V – dujų tūris; m – dujų masė, g;
M – dujų molinė masė, g/mol; R – universalioji dujų konstanta; T – temperatūra, K.
Atliekant skaičiavimus pagal (2.7) lygtį, universaliosios dujų-konstantos reikšmę reikia parinkti priklausomai nuo to, kokiais vie-netais reiškiami p ir VM.
