Химические реакции протекают между веществами. Вещества состоят из атомов, молекул или ионов, и именно эти, элементарные частицы вещества принимают участие во взаимодействии друг с другом.
химические реакции – это взаимодействие или перегруппировка отдельных атомов, молекул или ионов реагирующих веществ
На практике (в промышленности, или химической лаборатории) реакции проводят с макроколичествами веществ, которые состоят из огромного числа его простейших химических частиц (атомов, молекул ионов).
Основываясь на атомной гипотезе Дальтона и гипотезе Авогадро, австрийский физик Лошмидт в 1865 г. установил количественное соотношение между микро- и макрообластью химии. Он нашел, что в 1 см3 газа при нормальных физических условиях содержится примерно 2,69·1019 частиц этого газа (атомов – для атомных газов, например гелий (He), молекул – для молекулярных газов, например водород (H2)). Это число 2,69·1019 в физике называется числом Лошмидта.
Для того, чтобы легче различать микро- и макрообласти химии, введено понятие о количестве вещества (обозначение n – в физике, или ν (ню) – в химии) – физико-химической величине, характеризующей макропорцию этого вещества подобно тому, как число частиц (или вообще некоторых объектов, одинаковых предметов) характеризует микропорцию вещества (например, 2 атома кислорода, 7 молекул водорода).
В химии мерой химических частиц является их целое число (т.к. частицы – атомы, молекулы, ионы определяют и характеризуют свойства вещества, их число не может быть дробным, а есть только целым, например 2 атома гелия – но не 2,3 (две целых три десятых) атома гелия, потому, что три десятых – это часть атома, которая не может иметь ничего общего с атомом и его характерными физико-химическими свойствами и химией), а мерой порций веществ является их количество, числовое значение которого уже может быть и целым и дробным (например 1 моль хлора, 3,16 моль кремния).
Наряду с этим та же порция вещества может быть охарактеризована ее массой или объемом (которые взаимосвязаны через понятие плотность, для твердых и жидких веществ).
Подобно тому, как наши предки придумывали названия для обозначения определенного числа предметов, например 12 горошин (или других предметов) раньше называли дюжиной; в 1971 г., химики договорились (официально, на международном уровне, и обозначение моль было включено в Международную систему СИ) называть определенное число частиц вещества (материи) словом – моль (mol – международное обозначение).
Какое же число частиц содержится в 1 моль вещества (материи)?
Количество вещества, содержащееся в порции простого или сложного вещества, определяется сравнением с некоторым строго определенным единичным количеством вещества. При этом основой для сравнения служит наиболее распространенный изотоп углерода – 12С
Моль – это количество вещества, содержащее столько же формульных единиц этого вещества, сколько сожержит атомов 12 грамм (точно) изотопа углерода-12
Формульная единица вещества (или структурный элемент вещества, его элементарный объект) – это химическая частица (атом, молекула, катион, анион), а также любая совокупность иных элементарных частиц передаваемая ее химической формулой, или символом, например: Na, H2O, H2SO4, NH+, e– (электрон), CuSO4•5H2O. Поэтому заданное количество вещества имеет смысл, если точно названо само вещество, т.е. указано, из каких формульных единиц оно состоит. Так, запись “1 моль хлора” является не полной (в том числе и подобные записи в условиях задач считаются ошибкой условия) т.к. она может относиться как к 1 моль газа молекулярного хлора Cl2 так и к 1 моль атомов хлора Cl как элемента – а это разные вещества, с разными массами частиц и физико-химическими свойствами.
В названии физической величины – количество вещества – слово “вещество” употреблено в более широком смысле, обозначающем не только химическое вещество, но и саму материю. Поэтому в число формульных единиц включаются также электроны (а в физике и другие физические частицы), которые сами химического вещества не образуют. Количество электронного газа (или просто электронов) также может быть 1 моль, поскольку электроны (и другие подобные им частицы) являются исчислимыми на равне с атомами, молекулами и ионами.
Так вот, 1 моль = 6.02214082(11)×1023 штук формульных единиц (атомов, молекул, ионов и др. частиц). Физико-химическая константа, отвечающая этому числу, называется постоянной Авогадро (число Авогадро) и обозначается NA:
NA = 6.02214082(11)×1023 моль-1 ≈ 6.022×1023 моль-1
Не следует путать число Авогадро с числом Лошмидта. Число Авогадро универсально, оно указывает на число формульных единиц вещества в его количестве, равном 1 моль, независимо от агрегатного состояния вещества. Число Лошмидта имеет ограниченный смысл, оно относится только к газам при нормальных физических условиях, для которых можно использовать постоянную Лошмидта:
NL = 2,686754·1019 см-3 ≈ 2,69·1019 см-3
Постоянные Авогадро и Лошмидта определены с достаточной точностью при использовании различных методов и объектов. Однозначность результатов их определений является прямым доказательством существования атомов и молекул, подтверждает научную оправданность атомно-молекулярного учения.
Запись формульных единиц в уравнениях реакций означает не только, что реагируют между собой отдельные частицы веществ, но и их макропорции (в каждой из которых содержится огромное число химических частиц).
Пример. Из уравнения химической реакции
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
следует, что два атома натрия реагируют с двумя молекулами воды и при этом образуется две формульные единицы гидроксида натрия (вещество состоит не из молекул а из ионов Na+ и OH–) и одна молекула водорода. Но приведенное уравнение показывает не только химическую реакцию на микро уровне (между атомами), оно также показывает и взаимодействие веществ на макро уровне:
2 моль Na, или 2 * 6.022×1023 штук атомов Na реагирует с 2 моль H2O, или 2 * 6.022×1023 штук молекул H2O при этом образуются 2 моль ионов Na+ 2 моль ионов OH– и 1 моль молекул H2
Количество вещества может характеризовать также порции физических частиц (например электронов), а следовательно и порции электрических зарядов как на электронах, так и на ионах.