Вещества и смеси. Классификация веществ

Интерактивный online урок по
химии
для учащихся 10-11 классов
Алтаева Гульнар Саматовна,
учитель химии Назарбаев Интеллектуальной школы
города Астаны, к.х.н.
12.09.11
Постоянная Авогадро,
применение и способы
определения
Цель урока:
на основе полученных из курса физики и
химии знаний обобщить знания о
постоянной Авогадро, законе Авогадро и
научить определять число Авогадро
опытным путем, используя имеющееся
в школьной лаборатории оборудование
* Знать значение постоянной Авогадро и
сущность закона Авогадро
*Знать первые способы определения числа
Авогадро из истории развития физики и химии
*Знать современные способы определения
числа Авогадро
*Знать взаимосвязь постоянной Авогадро с
другими физическими константами:
постоянной Больцмана, постоянной Фарадея
*Уметь применять число Авогадро в
химических расчетах
Количество вещества. Моль
Проведем химическую реакцию, протекающую при
взаимодействии алюминия с йодом:
2Аl + 3I2 = 2АlI3
Из уравнения реакции следует, что
1) алюминий и йод реагируют между собой, образуя новое
вещество – иодид алюминия;
2) в реакцию вступают атомы алюминия и молекулы йода;
3) отношение числа вступивших в реакцию формульных
единиц (в данном случае - атомов) алюминия к числу
вступивших в реакцию молекул йода равно 2 к 3:
N(Al) : N(I2) = 2 : 3
Количество вещества. Моль
Если для проведения реакции мы возьмем,
например, 90000 молекул йода, то в этом
случае, чтобы все они прореагировали, нужно
взять 60000 атомов алюминия.
Если мы возьмем исходные вещества в другом
соотношении, то одно из них останется
непрореагировавшим.
В таком случае говорят, что это вещество
было взято в избытке.
Как отмерять взятые для реакции
вещества, чтобы они прореагировали без
остатка?
Количество вещества. Моль
Очевидно, что отмерять вещества следует
по числу атомов, молекул (для молекулярных
веществ) или формульных единиц (для
немолекулярных веществ).
Число таких структурных элементов в
порции вещества является физической
величиной, называемой количество вещества.
В нашем случае роль структурных элементов
выполняют частицы – атомы алюминия и
молекулы йода.
Количество вещества – физическая величина,
равная числу структурных элементов,
составляющих систему
Количество вещества. Моль
Что же удобно выбрать за единицу измерения
количества вещества?
Такая единица измерения получила название
моль, а величина, показывающая массу одного
моля вещества – молярная масса.
Молярная масса вещества обозначается М.
Таким образом, единица измерений количества
вещества [n] = 1 моль, а единица измерений
молярной массы [М] = 1 г/моль.
Физическая величина, показывающая,
сколько частиц содержится в 1 моле вещества,
называется постоянной Авогадро
и обозначается NA
Постоянная Авогадро
Единица измерений этой величины – " штуки
в 1моле", но, так как физики штуку единицей
измерения не считают, то получается
[NA] =
,или [NA] = моль– 1.
Значение постоянной Авогадро выбрано
таким образом, чтобы числовое значение
молярной массы любого вещества было равно
числовому значению молекулярной массы:
{M} = {Mr}
NA = 6,02.1023 моль– 1
Постоянная
Авогадро
1
Числовое значение постоянной Авогадро {NA}
называется числом Авогадро.
Моль – порция из {NA} частиц.
В Международной системе единиц определение
моля формулируется несколько иначе.
Моль – единица измерения количества
вещества, равная количеству вещества
системы, содержащей столько же
структурных элементов, сколько содержится
атомов в 12 граммах углерода- С12
Но так как в 12 г углерода С12 содержится {NA}
штук атомов углерода, оба эти определения не
противоречат друг другу.
Число частиц, количество вещества,
моль, структурный элемент
*1.Используя округленные значения атомных масс
элементов, определите молярные массы следующих
веществ: O2, O3, Cl2, HCl, CO2, H3PO4, NaCl,
Ba(OH)2, Fe2(SO4)3, Ca3(PO4)2.
2.Сколько молекул содержится в: а) 1 г водорода H2,
б) 1 г кислорода O2, в) 9,8 мг серной кислоты H2SO4?
3.Определите массу : а) 6,02*1022 атомов железа; б)
2,107*1025 молекул диоксида углерода СО2; в)
9,03*1022 формульных единиц CuSO4; г) 1,204*1024
электронов.
4.Каково количество вещества атомов кислорода в
3,5 моль газообразного кислорода?
.
Расчеты с использованием понятий
«моль» и «молярный объем газа»
Воспользуйтесь формулами:
ν = m/M, ν = V/VM, ν = N/NA,
где –ν количество вещества в моль, m –
масса в г, V – объем газа в л, N – число
частиц (молекул, атомов или ионов) в
порции вещества, М – молярная масса в
г/моль, VM – молярный объем в л/моль,
NA – постоянная Авогадро в моль-1.
Расчеты с использованием понятий
«моль» и «молярный объем газа»
1. Сколько молекул HNO3 содержится в 4,2 г азотной кислоты?
Сколько это молей?......................................................................
2.Вычислите массу 0,4 моль горькой соли MgSO4*7Н2О....
3.. Для реакции взяли 22 г сульфида железа FeS и избыток
соляной кислоты. Сколько литров сероводорода (н.у.)
выделится в реакции?...........................................................
4. Какой объем (н.у.) кислорода О2 потребуется для сжигания
7,2 г. магния?..................................................................................
5. При взаимодействии растворов ляписа AgNO3 и хлорида
калия KCl получили 28,7 г осадка AgCl. Определите массы
прореагировавших солей AgNO3 и KCl………………………
Постоянная Авогадро
Для газообразных веществ понятие моль
имеет еще одну важную особенность: такое
количество частиц любого газа всегда
занимает одинаковый объем.
Вот как это выяснилось:
Французский химик и физик Гей-Люссак в 1808
году изучал удивительную химическую
реакцию, в которой из двух газов – хлористого
водорода и аммиака - получалось твердое
кристаллическое вещество - хлорид аммония:
HCl (газ) + NH3 (газ) = NH4Cl (крист.)
Постоянная Авогадро
Обнаружилось, что для реакции требуются равные
объемы обоих газов – HCl и NH3. Если один из этих
газов вначале имелся в избытке, то по окончании
реакции этот избыток оставался неиспользованным.
Гей-Люссак проводил свои опыты в замкнутом сосуде
– достаточно прочном для того, чтобы выдержать
реакции, идущие со взрывом.
Поэтому он смог изучить и некоторые другие реакции
между газами. Выяснилось, что два объема водорода
со взрывом реагируют с одним объемом кислорода,
образуя два объема газообразных водяных паров:
2 H2 + O2 = 2 H2O (все вещества – газообразные)
Постоянная Авогадро
В этих и других экспериментах неизменно
обнаруживалось, что газы реагируют между собой
(и образуются тоже) в простых целочисленных
объемных отношениях.
Гей-Люссак опубликовал свои наблюдения,
не делая из них никаких выводов.
Важные выводы спустя три года сделал
итальянский химик Амедео Авогадро.
Он предположил, что равные объемы любых газов
содержат равное число молекул.
Закон Авогадро
Так был сформулирован закон,
справедливо названный впоследствии
законом Авогадро:
равные объемы любых газов (при
одинаковых температуре и
давлении) содержат равное
число молекул.
Амедео Авогадро (1776–1856)
О жизни выдающегося итальянского ученого Лоренцо
Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья э ди Черрето мы
знаем очень мало. Известно, что он получил юридическое
образование и был адвокатом по делам бедных. А когда
войска Наполеона заняли Северную Италию, Авогадро стал
секретарем новой французской провинции. Но не защита
бедных и не ответственная работа в новой французской
администрации принесли ему всемирную (хотя и сильно
запоздалую) славу. Сейчас невозможно найти ни одного
учебника химии и физики, на каком бы языке он ни был
издан, в котором бы не упоминался закон,
сформулированный с помощью гениальной интуиции
итальянского ученого.
Первые определения постоянной
Авогадро
Одной из самых трудных проблем химии и физики второй
половины XIX века было определение числа Авогадро .
В 1866 г. Йозеф Лошмидт (1821-1895) попытался впервые
вычислить число NА, исходя из кинетической теории газов,
которая объясняет давление газа на стенки резервуара
ударами молекул газа о стенки.
При прочих равных условиях давление газа будет тем
сильнее, чем больше число ударов и, следовательно, чем
больше число молекул, содержащихся в резервуаре. Таким
образом, существует соотношение между числом Авогадро
и давлением, производимым определенной массой газа при
данной температуре; этим соотношением и
воспользовался Лошмидт при первом вычислении числа NА,
конечно, пока лишь в первом приближении.
Первые определения постоянной
Авогадро
Метод Лошмидта
Он основан на предположении, что
сжиженный газ состоит из
плотноупакованных сферических молекул.
Измеряя объем влаги, которая образовалась
из данного объема газа, и зная
приблизительно объем молекул газа (этот
объем можно определить, опираясь на
некоторые свойства газа, например
вязкость), Лошмидт получил оценку
величины Авогадро ~1022.
Первые определения постоянной
Авогадро
Определение, основанное на измерении заряда электрона.
Единица количества электричества, известная как
величина Фарадея F, – это заряд, переносимый одним
молем электронов, т.е. F = N*e, где е – заряд электрона, N –
число электронов в 1 моль (т.е. величина Авогадро).
Величину Фарадея можно определить, измеряя количество
электричества, необходимое для растворения или
осаждения 1 моль серебра. Тщательные измерения,
выполненные Национальным бюро стандартов США, дали
значение F = 96490,0 Кл, а заряд электрона, измеренный
разными методами ( в опытах Р.Милликена), равен
1,602*10-19 Кл. Отсюда можно найти NА.
Этот метод определения величины Авогадро является
одним из самых точных.
Первые определения постоянной Авогадро
Исследования Перрена.
Исходя из кинетической теории, была высказана гипотеза об
уменьшении плотности газа с высотой столба этого газа.
Если бы удалось подсчитать величину молекул в 1 см3 газа на
двух разных высотах, то, мы могли бы найти NА.
К сожалению, сделать это невозможно, поскольку молекулы
микроскопические.
Однако в 1910 Ж.Перрен провел испытание с суспензиями
коллоидных частиц, которые видны в микроскопе. Подсчет
величины частиц, находящихся на разной высоте в столбе
суспензии, дал величину Авогадро 6,82*10 23.
Из другой серии исследований, в которых измерялось
среднеквадратичное смещение коллоидных частиц в
результате их броуновского движения, Перрен получил
значение NА = 6,86 *10 23
Измерение константы Авогадро
Наиболее точное измерение числа Авогадро было проведено
в 2010 году.
Для этого использовались две сферы, сделанные из кремния-28. Сферы были
получены в Институте кристаллографии имени Лейбница и
отполированы в австралийском Центре высокоточной оптики настолько
гладко, что высота выступов на их поверхности не превышали 98 нм.
Для их производства был использован высокочистый кремний-28,
выделенный в нижегородском Институте химии высокочистых веществ
РАН из высокообогащённого по кремнию-28 тетрафторида кремния,
полученного в Центральном конструкторском бюро машиностроения в
Санкт-Петербурге.
Располагая такими практически идеальными объектами, можно с
высокой точностью подсчитать число атомов кремния в шаре и тем
самым определить число Авогадро.
Согласно полученным результатам оно равно 6,02214084(18)×10 23
Измерение константы Авогадро
Эти сферы были отполированы настолько
идеально, что неровности на них не превышали по
высоте 97 нанометров. Это значит, что если их
увеличить до размеров Земли, то самый высокий
холм был бы высотой не более трех метров,
отмечает сайт Science News. Измерения этих
"идеальных объектов" позволили ученым получить
новое, значительно более точное значение
постоянной Авогадро: 6,02214084(18) на 10 в 23-й
степени.
Практическая работа
Измерение константы Авогадро
В данном эксперименте, вы подтвердите число Авогадро
путем проведения электрохимического процесса, именуемого
электролизом. Для проведения электролиза используется
внешний источник питания для предотвращения перепадов
напряжения.
В качестве электродов будут использоваться пластинки меди
и цинка, помещенные в стакан с серной кислотой.
Гальванический элемент будет получен путем использования
медной пластинки в качестве анода и цинковой – в качестве
катода.
Путем определения среднего значения тока в реакции, наряду
со знаниями, что все ионы меди представляют собой
катионы 2+, вы сможете рассчитать количество атомов в
одном моле меди и сравнить со значением числа Авогадро.
Измерение константы Авогадро
ЗАДАЧИ
В этом эксперименте, вы будете:
•Изготавливать гальванический элемент для окисления оксида меди;
•Определять количество меди, которое было осаждено, и среднее значение
используемого тока;
•Рассчитать число Авогадро и сравнить со общепринятым значением.
Материалы:
Интерфейс Vernier на компьютере;
Датчик для определения силы тока;
Источник постоянного тока 1,5 вольт;
4 соединительных провода с прищепками, стальная стружка;
1 М раствор серной кислоты;
Анод (медная пластинка);
Катод (цинковая);
Дистиллированная вода;
Два стакана на 250 мл;
Аналитические весы.
Измерение константы Авогадро
Ход работы
1.
Получи и одень защитные очки;
2.
Используй стальную стружку, чтобы очистить
медную пластинку и цинковую, если необходимо.
3.
Используй аналитические весы, чтобы
определить массу медной пластинки. Запиши массу в
свою таблицу данных.
4.
Заполни стакан на ¾ раствором серной кислоты.
Осторожно!!! С кислотой обращайся очень
осторожно! Можно получить ожог, если кислота
попадет на кожу.
Измерение константы Авогадро
Ход работы
5.
Получи источник постоянного тока и датчик.
Используй соединительные провода с прищепками, чтобы
соединить источник постоянного тока, датчик и два
металлических электрода, используемых в гальванических
элементе. Медь – анод, цинк – катод, не помещай электроды в
раствор пока не дойдешь до пункта 8.
6.
Соедини датчик с каналом 1 на интефейсе Vernier.
Соедини устройство с компьютером через кабель.
7.
Открой программу LoggerPro на твоем компьютере.
Открой файл ’31 Avogadro’из папки Advanced Chemistry with
Vernier.
8.
Поместите электроды в 1М раствор серной кислоты.
Удостоверься, что электроды погружены в раствор на
одинаковую глубину и находятся как можно дальше друг от
друга.
Измерение константы Авогадро
Ход работы
9.
Включи источник постоянного тока и проверь готовность
датчика. Первое измерение проводится при токе в 0,2-0,4 А.
10.
Нажми кнопку ‘Collect’ ,чтобы начать сбор данных.
Измерение будет проходить в течение 3 минут. Внимательно
наблюдай за реакцией. Будь готов выключить источник тока, когда
измерение закончится.
11.
Когда закончится сбор данных, осторожно вынь электроды
из раствора серной кислоты. Промой электроды дистиллированной
водой. Аккуратно высуши медный электрод.
12.
Взвесь сухой медный электрод и запиши данные в таблицу в
графе Измерение 1.
13.
Проанализируй таблицу с данными, чтобы определить
среднее значение всех измерений. Запиши значение в таблицу.
Закрыть вкладку ‘Statistics’.
14.
Заново присоедини электроды и повтори шаги с 8 по 13,
чтобы провести второе измерение.
Измерение константы Авогадро
Ход работы
Таблица данных
Измерение 1
Измерение 2
Первоначальная
масса медного
электрода(г)
Конечная масса
медного
электрода (г)
Среднее
значение
источника
тока(А)
Время
проведения
эксперимента(с)
Измерение 3
Измерение константы Авогадро
Анализ данных
1.
Посчитай средний заряд в кулонах (Кл), проходивший через
гальванический элемент при каждом измерении.
2.
Используй значение, рассчитанное в первом шаге, чтобы
посчитать количество электронов при каждом измерении.
3.
Определи количество атомов меди потерянных анодом при
каждом измерении. Запомни, что в процессе электролиза
используются два электрона, чтобы получить один ион меди Cu 2+.
4.
Рассчитайте количество атомов меди на каждый
потерянный грамм меди на аноде для каждого измерения. Масса
потери на аноде равно сумме массы атомов меди и массе полученных
ионов(массой электронов можно пренебречь).
5.
Рассчитайте количество атомов меди на 1 моль меди для
каждого измерения. Сравни с числом Авогадро.
Измерение константы Авогадро
Анализ данных
1.
Суммарный заряд, переданный электролитической
системой, составляет 84.2 Кл
Суммарный заряд (С)=(Сила тока) * (время)
С= 0.468 А * 180 с = 84.2 Кл
2.
Количество электронов переданных в результате
электролиза составляет 5.26 * 10 20
Кол-во электронов=8 4.2 / 1.602 * 10-19 Кл/электрон = 5.26 * 10
20
3.
Количество атомов меди, потерянных анодом
составляет 2.63 * 1020, т.к. на каждые 2 электрона
приходится 1 атом меди.
Кол-во атомов Cu= 5.26 * 1020 / 2 = 2.63 * 10 20
Измерение константы Авогадро
4.
Количество атомов меди приходящихся на 1
грамм меди составляет 9.74 * 1021
Масса медной пластинки до электролиза = 5.1
грамм, после электролиза = 5.073 грамм. Масса
выделившейся меди = 5.1 – 5.073 = 0.027 грамм
Атомов Cu/грамм = 2.63 * 1020 * 0.027 г = 9.74 * 10 20
5.
Количество атомов меди в 1 грамме, т.е.
число Авогадро, составляет 6.19 * 1023
Число Авогадро = 9.74 * 1020 атомов Cu/грамм *
63.546 г/моль = 6.19 * 1023 атом/моль
Связь между константами
Через произведение постоянной
Больцмана на число Авогадро
выражается Универсальная газовая
постоянная, R=kNA.
Через произведение элементарного
электрического заряда на число
Авогадро выражается постоянная
Фарадея, F=eNA.
Дома. Физические методы определения числа
Авогадро
Три метода определения числа Авогадро.
8-1. В состоянии теплового равновесия вероятность нахождения тела на
высоте h пропорциональна величине exp(–E(h)/kBT), где E(h) –
потенциальная энергия в гравитационном поле (mgh, g = 9.81 м/с2), а kB
– константа Больцмана. Зависимость плотности числа частиц от
высоты соответствует барометрическому распределению:
(а) Дана взвесь сферических частиц диаметром 0.5 мкм и плотностью
1.10 г/см3 в воде (плотность – 1.00 г/см3) при 20 °C. Рассчитайте
эффективную массу частиц с учетом архимедовой силы.
(б) Данная система имеет барометрическое распределение. В
эксперименте измерялось распределение частиц по высоте, и было
установлено, что при увеличении высоты на 6.40х10–3 см плотность
числа частиц падет в e раз. Рассчитайте константу Больцмана.
(в) Рассчитайте число Авогадро, используя полученное значение kB и
универсальную газовую постоянную (R = 8.314 Дж/(моль К)).
Физические методы определения числа
Авогадро
8-2. Число Авогадро можно определить по данным
рентгеноструктурного анализа. Плотность кристаллического
хлорида натрия составляет 2.165 г/см3. Его структура
изображена на рис. 8-1. Расстояние между центрами соседних
ионов Na+ и Cl–равно 2.819 x 10–8 см. Рассчитайте число
Авогадро.
Структура хлорида натрия представляет собой
гранецентрированную кубическую решетку анионов и
аналогичную решетку катионов, внедренные друг в друга.
Элементарная ячейка содержит 4 аниона (8 анионов,
находящихся в вершинах ячейки принадлежат 8 ячейкам,
итого 1/8*8 = 1 анион; еще 6 находятся на гранях и
принадлежат 2 ячейкам, еще 1/2*6 = 3 аниона) и 4 катиона.
8-3. В знаменитом эксперименте с падением капли масла
Милликен в 1913 г. определил значение элементарного
электрического заряда (1.593 x 10–19 Кл). Рассчитайте число
Авогадро, зная, что постоянная Фарадея равна 96 496 Кл/моль.
Рис. 8-1.
Кристаллическая структура хлорида натрия.
Ресурсы
*Число Авогадро // Большая советская энциклопедия
*Andreas et al., Determination of the Avogadro Constant by
Counting the Atoms in a 28Si Crystal, Phys. Rev. Lett. 106,
2011, 030801
Источники
http://ru.wikipedia.org/wiki
http://www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf
CODATA Value: Avogadro constant
http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000008/st044.shtml
.
ОЦЕНИВАНИЕ УЧЕБНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ
Критерии для оценивания
практических и лабораторных работ
Критерий С. Научное знание и
понимание
Критерий D: Научноe исследованиe
Критерий E. Обработка информации
Критерий F. Проведение эксперимента
Общий критериальный уровень переводится в отметку
по следующей шкале:
Оценивание по 4 критериям:
MБ
1
2
3
4
5
6
7
Крите 0-3
рии
4
5-8
9-12
13-16
17-20
20-24
НИША 1
2
3
3
4
4
5
7 баллов – превосходно
6 баллов – очень хорошо
5 баллов – хорошо
4 балла – удовлетворительно
3 балла – посредственно
2 балла – плохо
1 балл – очень плохо
Прием “Кластер” для рефлексии
Разбивка на кластеры очень проста и легко
запоминается:
1. Напишите ключевое слово или предложение
в середине листа или доски.
2. Далее запишите слова или предложения,
которые приходят на ум в связи с данной
темой.
3. По мере того как возникают идеи
необходимо установить связи между ними,
обозначив их черточками.
Ждем ваших вопросов и
ответов
Спасибо за внимание!
До скорой встречи!