Закономерности, происходящие в веществах, процессы их превращения, при которых происходит изменение их состава и структуры, изучает раздел естествознания — химия. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части вещества и их применение на практике. Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV вв., зародилась алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.).
Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс сопровождается изменением состава веществ, их структуры и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе. Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопре-
197
вращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической энергии в теплоту, свет и проч. Химия нужна человечеству для того, чтобы из вещества природы получать по возможности все необходимое — металлы, цемент, бетон, керамику, фарфор, стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, лекарства и многое другое.
Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения массы вещества открыли М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, равна массе полученных веществ. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.
Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева не существовало той объединяющей концепции, с которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Было бы,
2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O = 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂↑
Поскольку щелочь в избытке, весь алюминий растворился. Значит, количество выделившегося водорода эквивалентно количеству растворившегося алюминия. Согласно уравнению, из 2 моль (2*27 г) алюминия образуется 3 моль (3*22,4 л) водорода. А в нашем случае из х г алюминия получилось 340 мл водорода.
27 г - это масса одного моль алюминия, то есть его молярная масса, 22,4 л - это молярный объем любого газа, то есть объем, занимаемый одним моль любого газа при нормальных условиях (давление 1 атмосфера, температура 0°С (273 К))
2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O = 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂↑
2*27 г 3*22,4 л
х г 340 мл
Составляем пропорцию:
2*27 г 3*22,4 л
х г 340 мл
Решаем пропорцию, заодно переходим от мл к л (340 мл = 0,340 л).
х = 2*27 г * 340 мл / (3*22,4) л = 2*27 г * 0,340 л / (3*22,4) л = 0,273 г
Масса алюминия в сплаве 0,273 г.
Чтобы найти массу меди, нужно из массы сплава отнять массу алюминия: 1 г - 0,273 г = 0,727 г
Масса меди в сплаве 0,727 г.
Массовая доля вещества в смеси (сплаве, растворе) - это масса этого вещества, деленная на массу смеси (сплава, раствора)
Массовая доля алюминия равна 0,273 г / 1 г = 0,273 = 27,3%
Массовая доля меди равна 0,727 г / 1 г = 0,727 = 72,7%
Конечно, можно было и не делить на единицу. Это для запоминания определения массовой доли ))