книги / Неорганическая химия

Зная вес взятых газов, легко вычислить плотность испытуемого газа Э по отношению к водороду:

Подставив вместо Р и С} их значения, получим:

0 = — .

Нх

После сокращения х выражение принимает более простой вид:

откуда

М = кй.

Подставив вместо к его значение — 2,016, получим окончатель-« ную формулу:

М = 2,0160.

Молекулярный вес испытуемого газа равен его плотности по водороду, умноженной на молекулярный вес водорода. Если не преследовать большой точности, то можно пользоваться приближенной формулой: М = 2й . Так как практически более удобно определять плотность газов по отношению к воздуху, а не к водороду, то приведенная формула дополняется еще одним множителем, выражающим плотность самого воздуха по отнО' шению к водороду — 14,4:

М = 2* 14,4'Ор или Л4 = 28,8^I.

Число 28,8 условно можно считать средним молекулярным весом воздуха. Таким образом, молекулярный вес испытуемого газа равен плотности этого.газа по воздуху (й ^ , умноженной

на средний молекулярный вес воздуха.

Обобщая высказанное, можно заключить, что молекулярный вес испытуемого газа может быть вычислен на основании изме­ рения плотности этого газа по отношению к любому другому газу с известным молекулярным весом:

’ м = м р п ,

где:

М— молекулярный вес испытуемого газа;

— молекулярный вес известного газа;

И — плотность испытуемого газа по отношению к известно­

му газу.

Молекулярный вес испытуемого газа равен плотности этого газа по отношению к известному газу, умноженной на молекул лярный вес последнего.

Если по плотности газа можно определить молекулярный вес этого газа, то и наоборот, зная молекулярный вес газа, легко вычислить плотность этого газа по отношению к любому друго­ му газу, молекулярный вес которого известен.

Грамм-молекулярный объем газа. Так как 1 л водорода при нормальных условиях, т. е. при 0°С и 760 мм рт. ст., весит 0,08988 г, то объем 1 моля водорода будет равен 2,016:0,08988= =22,4 л. Таким же путем можно вычислить объем, занимаемый грамм-молекулой любого газа при нормальных условиях. Результаты вычисления для некоторых газов приведены ниже:

Оказывается, грамм-молекула любого газа при нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 л (точнее 22,415 л). Этот объем носит название грамм-молекулярного, или молярного объема.

Грамм-молекулярный объем 22,4 л, вес в граммах й 1л газа (плотность) и молекулярный вес М связаны следующей зависи­ мостью (условия нормальные):

М = 22,4-й.

Число Авогадро. Равное число грамм-молекул различных га­ зов при одинаковой температуре и одинаковом давлении зани­ мает равный объем. Согласно закону Авогадро, в равных объ-' емах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Следовательно, одна грамм-молеку­ ла любого газа содержит одно и то же число молекул. Это чис­ ло называется числом Авогадро. По наиболее точным измере­ ниям это число Авогадро, равно 6,023 •1023 . Оно определено различными методами (измерение вязкости газов, коэффициен­ та диффузии, электропроводности электролитов и др.). Совпа­ дение результатов, полученных многими методами, служит дока­ зательством справедливости закона Авогадро и основных поло­ жений атомно-молекулярного учения.

Положение об одинаковом числе молекул в грамм-молекуле оказалось справедливым не только для газов. Грамм-молекула любого вещества, независимо от его агрегатного состояния, со­ держит одинаковое число молекул, равное числу Авогадро. По­ добно грамм-молекулам веществ и грамм-атомы элементов со­ держат одинаковое число атомов, а грамм-ионы — одинаковое число ионов, равное числу Авогадро.

Насколько -велико количество молекул, содержащихся в грамм-молекуле любого вещества, можно судить по следующим сравнениям.

1. Если грамм-молекулу любого вещества растворить в ми­ ровом океане, общий объем которого исчисляется 1,369 . 1021 л% и после равномерного распределения растворенного вещества зачерпнуть 1 л воды, то в ней окажется около 440 молекул это­ го вещества.

2. Число зерен ржи, равное числу Авогадро, весит

100000000000000 т.

3.Если все молекулы, заключающиеся в 2,016 г водорода,

нанизать, как бусы, на нить, то длина нити оказалась бы рав­ ной около 120000000000 км, т. е. почти в -1000 раз больше рас­ стояния от Земли до Солнца. Такой нитью можно было бы об­ вить земной шар по экватору 3 млн. раз (окружность земного шара по экватору равна 40000 км).

4. Если из сосуда емкостью 1 л, наполненного кислородом, будет вылетать по 1 млн. молекул газа в секунду, то все моле-1 кулы вылетят за 10 млн. лет.

Размеры и масса атомов и молекул. Число Авогадро пока­ зывает, что самые малые весовые количества веществ содержат очень большое число молекул и атомов, а это, в свою очередь, дает возможность судить, насколько малы по своим размерам и насколько незначительны по массе молекулы, а тем более ато­ мы. Атом в сравнении с песчинкой, как песчинка в сравнении с земным шаром. Исходя Из грамм-молекулярного объема и из числа Авогадро, можно рассчитать линейные размеры (диаметр, радиус) молекул и атомов. Они равны нескольким стомиллион­ ным долям сантиметра. Аналогичные результаты получены при расчетах, основанных-и на других методах. Стомиллионная до-

О

ля сантиметра получила название ангстрема и обозначается А.

О

Приводим данные о величине диаметра молекул газов (в А)

В 60-х годах XIX в. атомно-молекулярная теория строения веществ была дополнена кинетическими представлениями. Ос­ новные положения кинетической теории заключаются в следую­ щем:

1) молекулы и атомы, из которых образованы все вещества, находятся в состоянии непрерывного движения;

2) между молекулами и атомами одновременно действуют силы притяжения и отталкивания.

Одно из наиболее наглядных и убедительных доказательств дзижения молекул — явление диффузии. Под диффузией разу­ меют самопроизвольное распространение и распределение мо-

Рис. 3. Скорость диффузии водорода и воздуха через пористую стенку цилиндра

стекул одного вещества между молекулами другого. Диффузия наблюдается и в газообразных, и в жидких, и в твердых веще­ ствах, но протекает в них с различной скоростью. Исследова­ ния А. Эйнштейна и М. Смолуховского показали, что скорость диффузии зависит от температуры, от размеров молекул диф­ фундирующего вещества и от вязкости среды. Чем выше темпе­ ратура, тем интенсивнее движение молекул, тем больше ско­ рость диффузии. Чем больше размеры молекул диффундирую1 щего вещества, тем большее сопротивление они будут испыты­ вать со стороны среды, тем медленнее будет протекать диффу­ зия. Вещества, молекулы которых отличаются меньшими разме­ рами, будут диффундировать быстрее. И, наконец, чем выше вязкость среды, тем диффузия медленнее. Ясно, что одно и то

же вещество, растворенное в воде и глицерине, диффундировать’ будет по-разному: в глицерине медленнее, в воде — быстрее. Ко­ роче говоря, скорость диффузии прямо пропорциональна темпе­ ратуре, обратно пропорциональна величине молекул и вязкости, среды.

О резком различии в скорости диффузии молекул азота и кислорода, составляющих основную массу воздуха, и водорода можно судить по следующему опыту (рис. 3). До начала опыта,

и кислорода. В результате этого число молекул внутри цилинд­ ра уменьшится, уменьшится и давление в нем. Окрашенная жидкость в трубке В будет понижаться, а в трубке Б подни* маться.

Из этого опыта видно, что скорость движения молекул раз* личных газов неодинакова. Расчеты показывают, что средняя скорость движения молекул обратно пропорциональна корню квадратному из их плотности. Например, средняя скорость дви­ жения молекул водорода при 0° равна 1700 м/сек, а скорость движения молекул кислорода при тех_ же _условиях равна

425 м/сек. Следовательно, 1700:425= V 16 : 1^! 1=4: 1 (16 и 1 —■ плотность кислорода и водорода соответственно).

Удобен для наблюдения опыт диффузии окрашенных паров брома в воздухе (рис. 4). Берут широкую стеклянную трубку А диаметром 6—7 см и высотой около 1 м; к нижней ее части при­ паяна делительная воронка Б. Верхний открытый конец трубки

накрывают стеклянным стаканом В, позади трубки помещают белый экран. С помощью делительной воронки в нижнюю часть трубки вводят небольшое количество жидкого брома. Бром ис­ паряется и его пары, диффундируя в воздухе, постепенно запол­ няют трубку. Бурая окраска паров брома позволяет следить за их распространением. Если одновременно с этим проделать опыт распространения паров брома в трубке, наполненной водоро­

ный раствор медного купороса или какой-либо другой окрашен­ ной соли {никелевого купороса, двухромовокислого калия, мар* ганцовокислого калия, хромовых квасцов и Др.), а сверху по* местить бесцветный слой чистой воды, то можно наблюдать, как окрашенное растворенное вещество постепенно будет пере­

Наглядным и убедительным доказательством движения мо­ лекул в жидкостях, служит так же броуновское движение, кото* рое впервые наблюдал в 1827 г. английский ботаник Р. Броун (1773— 1858): микроскопические частицы, взвешенные в жид* кости, совершают беспорядочное движение; сталкиваясь друг с

другом, они резко меняют направление движения. В результате этого путь каждой частицы оказывается очень сложным, зигза­ гообразным (рис. 5).

ние взвешенных в жидкости частиц.

Диффузия как результат теплового движения молекул на­ блюдается и в твердых телах. Но здесь скорость диффузии зна­ чительно меньше, чем в жидкостях и тем более в газах. Еще в XIX в. Спринг и Аустен показали, что если плотно прижать друг к другу куски двух различных металлов — золота и свин­ ца, меди и цинка, олова и свинца, — то наблюдается взаимная диффузия этих металлов. В обычных условиях этот процесс про­ текает чрезвычайно медленно — требуются многие годы для то­ го, чтобы обнаружить результаты диффузии. Под воздействием высокой температуры и повышенного давления скорость диф­ фузии в твердых веществах значительно увеличивается.

Применение радиоактивных изотопов делает очень удобным наблюдение за взаимной диффузией металлов. Возможность диффузии в твердых веществах в настоящее время в широких масштабах используется в промышленности для так называемой диффузионной металлизации.

Доказательством наличия движения молекул и атомов в твердых веществах служит также явление самопроизвольного перехода одной кристаллической формы в другую. Известно, что сера может существовать в виде ромбической или октаэдриче­ ской (с?=2,07, т. пл. 112,8°С), а также в виде призматической или моноклинической (с?= 1,96, т. пл. 119°С). Последняя оказы­ вается устойчивой выше 96°С, а первая — ниже 96°С. Поэтому призматическая или моноклиническая сера, попав в темпера­ турные условия ниже 96°С, самопроизвольно превращается в ромбическую или октаэдрическую.

Аналогичное явление наблюдается у олова: обычное белое олово оказыватся устойчивым при температуре выше 13,2°С, ни­ же 13,2°С оно самопроизвольно превращается в другую аллотро­ пическую разновидность — серое олово.

Форма кристалла обусловливается строго определенным по­ рядком, в котором взаимно расположены составляющие его час­ ти— ионы, атомы или молекулы. Переход одной кристалличе­ ской структуры вещества в другую есть следствие изменения порядка, в котором расположены молекулы, атомы или ионы в кристалле, а это в свою очередь обусловливается самопроиз­ вольным движением составных частиц кристалла.

Молекулярно-кинетическая теория строения вещества дает

стройное объяснение существованию трех агрегатных состоя­ ний— твердого, жидкого и газообразного, а также перехода ве­ щества из одного состояния в другое, основываясь на различных силах притяжения и отталкивания, действующих, между моле­ кулами.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ВЕСОВ ЭЛЕМЕНТОВ

Атомный вес очень важная количественная характеристика химического элемента, поэтому его определению всегда прида­ валось большое значение. Впервые такие определения осущест­ вил Дж. Дальтон, с именем которого связано введение в химию самого понятия об атомном весе. Под атомным весом он разу­ мел число, показывающее, во с к о л ь к о раз атом данного элемен­ та тяжелее атома водорода, принятого им за единицу. В осно­ ву своих определений Дальтон положил данные количествен­ ного анализа водородных соединений элементов. По его мысли, атомные веса элементов, входящих в состав данного соедине­ ния, должны относиться друг к другу так же, как относятся между собою их весовые количества. Поясним это конкретным примером. По данным того времени, количественный состав во­ ды выражался следующими показателями кислорода 85%, водорода 15%, следовательно отношение между атомными ве­ сами кислорода и водорода будет равно 85:15. Приняв атомный вес водорода за единицу, Дальтон пришел к выводу, что атом­ ный вес кислорода равен 5,66. Большое расхождение результа­ тов, полученных Дальтоном, с современным атомным весом кислорода (16) объясняется двумя причинами. Во-первых, про-* центное содержание воды, которым пользовался Дальтон, было неточным. Во-вторых, не имея возможности точно определить число атомов водорода и кислорода в частице воды, он предпо­ ложил наиболее простое сочетание их — один атом водорода и один атом кислорода, т. е. состав воды он выражал формулой НО. Если бы Дальтон имел в своем распоряжении более точ^ ные данные о процентном содержании воды — кислорода 88,9% и водорода 11,1%, а состав воды выражал формулой Н*0, то и он бы получил данные, совпадающие с современными, т. е. атом­ ный вес кислорода был бы равен 16.

Большое значение в определении атомных весов элементов имели работы Я. Берцелиуса. Берцелиус, так же как и Даль-» тон, определял атомный вес на основании количественного ана« лиза соединений. Но в отличие от Дальтона, атомные веса эле* ментов он относил не к водороду, а к кислороду,. принимая атомный вес последнего равным 16. Это новшество было вызва­ но тем, что неорганические водородные соединения встречаются сравнительно редко, тогда как с кислородом соединяются поч«

зо

ти все элементы. Проанализировав окислы большинства извест­ ных тогда элементов, Берцелиус определил атомные веса этих элементов.

Правило изоморфизма. Явление изоморфизма, открытое в 1819 г. немецким ученым Э. Митчерлихом (1794— 1863), заклю­ чается в следующем. Вещества, сходные в химическом отношен нии, т. е. имеющие аналогичную формулу, обладающие сходным строением молекул, содержащие одинаковое число атомов в мо« лекуле, кристаллизуются в одинаковой или чрезвычайно близ­ кой друг к другу форме кристаллов и способны образовывать непрерывные или прерывные ряды кристаллов смешанного со­ става ( смешанные кристаллы, или изоморфные смеси). Приме­ рами изоморфных соединений могут служить некоторые соли мышьяковой Н3А5О4 и фосфорной Н3РО4 кислот А&25, Си25, квасцы — двойные соли серной кислоты общей формулы:

К2Ма (504)4 •24НаО,

где:

К — и , N3, К, КЬ, Сз;

М — От (III), А1, Ре (III);

Так как молекулы изоморфных веществ содержат одинако­ вое число атомов, то, основываясь на изоморфизме, можно уста­ новить формулу соединения, а пользуясь последней, вычислить’ атомный вес того или другого элемента. Так, Митчерлих пра­ вильно вычислил атомный вес селена по составу селената калия, приписав последнему формулу К25еС>4, основываясь на формуле изоморфного ему сульфата калия КгЗСХ

Закон Дюлонга и Пти. Изучение теплоемкости металлов при­ вело французских ученых Дюлонга и Пти в 1819 г. к открытию закономерности, согласно которой произведение удельной тепло­ емкости простого вещества в твердом состоянии на атомный вес соответствующего элемента является величиной приблизительно постоянной, равной в среднем 6>2 (она колеблется в пределах от 5,61 до 6,75):

А-С = 6,2,

где:

А— атомный вес элемента;

С— удельная теплоемкость простого вещества.

Постоянная 6,2, представляющая собой то количество тепла, которое потребно для нагревания 1 г-атома простого вещества на 1°С, получила название атомной теплоемкости.

В 50-х годах XIX в. закон Дюлонга и Пти был применен для определения атомных весов элементов, не образующих летучих соединений, например, металлов.