1 · Principles of chemistry

Всё в этом курсе написано на одном языке: частицы, формулы и уравнения. Раздел 1 знакомит с ним — как частицы упорядочены в твердых телах, жидкостях и газах; как устроены атомы и расположены в Периодической таблице; как перевести предложение о реакции в сбалансированное уравнение и расчет массы; и как три вида химической связи придают каждому веществу его свойства.

Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Section 1 (утверждения 1.1–1.60C) — самый большой раздел и фундамент для трех других. Утверждения с суффиксом C являются расширением для отдельной науки (только Химия).

Твердое тело: частицы колеблются вокруг фиксированных позиций в регулярном узоре. Жидкость: частицы касаются друг друга, но перемещаются мимо друг друга случайным образом. Газ: частицы далеко друг от друга, быстрые, случайное движение. Переходы между состояниями: плавление / кристаллизация, кипение / конденсация, испарение (только поверхность, ниже температуры кипения), сублимация (твердое тело → газ напрямую). Энергия поглощается для разделения частиц и выделяется при их повторном связывании.

Растворитель растворяет растворенное вещество, образуя раствор; насыщенный раствор содержит максимально возможное количество растворенного вещества при данной температуре. (C) Растворимость — это масса растворенного вещества на 100 г растворителя при указанной температуре, определяется по кривой растворимости — точки на линии соответствуют насыщенным растворам; ниже линии — ненасыщенные.

Разведение окрашенных растворов и диффузия газа (распространение брома через воздух) демонстрируют движение частиц из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.

Элемент содержит один тип атомов; соединение содержит разные атомы, химически связанные; смесь не имеет химических связей. Чистое вещество имеет четкую температуру плавления/кипения; смеси плавятся и кипят в диапазоне температур — это тест на чистоту.

Методы разделения, соответствующие задаче: фильтрация (нерастворимый твердый осадок из жидкости); кристаллизация (выпаривание раствора для получения кристаллов); простая перегонка (жидкость из растворенного твердого вещества — испарить затем сконденсировать); фракционная перегонка (жидкости с близкими температурами кипения, с использованием ректификационной колонны); бумажная хроматография (вещества, по-разному растворимые в растворителе).

*Хроматограмма: расстояния от фронта растворителя до пятен дают значения Rf, идентифицирующие каждый компонент.

Rf = расстояние, пройденное пятном ÷ расстояние, пройденное фронтом растворителя. Одно и то же вещество всегда имеет одинаковое значение Rf в том же растворителе — сравнение с известными значениями позволяет идентифицировать компоненты смеси.

Атомный номер = протоны; массовое число = протоны + нейтроны. Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Относительная атомная масса ($A_r$) — взвешенное среднее по изотопам.

Пример расчета. Хлор: 75 % Cl-35, 25 % Cl-37 → $A_r = (75 \times 35 + 25 \times 37)/100 = 35.5$.

Периодическая таблица упорядочивает элементы по атомному номеру в группы (столбцы, одинаковое число внешних электронов) и периоды (строки). Первые 20 электронные конфигурации заполняют 2,8,8,2 оболочки (например, натрий 2.8.1). Металлы расположены слева/в центре: их оксиды основны, они проводят ток; оксиды неметаллов кислотны. Элементы одной группы ведут себя схоже, так как имеют одинаковое число внешних электронов; инертные газы Group 0 имеют полностью заполненные внешние оболочки и не реагируют легко.

Уравнивайте реакции с символами агрегатных состояний: (tв), (ж), (г), (р-р). $M_r$ суммирует значения $A_r$. Моль — это количество вещества: $n = m/M_r$ (масса в граммах).

Разобранный пример (массы реагирующих веществ). Какая масса оксида магния образуется из 6.0 г магния? $2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO}$: $n(\mathrm{Mg}) = 6.0/24 = 0.25$ моль → $n(\mathrm{MgO}) = 0.25$ моль → масса $= 0.25 \times 40 = 10$ г.

Процентный выход $=$ фактический ÷ теоретический × 100 %. Эмпирическая формула — простейшее целочисленное соотношение (разделите каждую массу на её $A_r$, приведите к целым числам); молекулярная формула — истинное количество атомов ($M_r$ ÷ эмпирическая масса даёт множитель).

Разобранный пример. Углеводород содержит 85.7 % C, 14.3 % H: C 85.7/12 = 7.14, H 14.3/1 = 14.3 → соотношение 1:2 → эмпирическая CH₂. При молярной массе $M_r = 56$: 56/14 = 4 → молекулярная C₄H₈.

(C) Растворы: $n = c \times V$ с $c$ в моль/дм³ и $V$ в дм³ (см³ ÷ 1000). Газы: молярный объём 24 дм³ при н.у., поэтому $n = V/24$. (C-практически) Формула оксида металла определяется по горению (взвесить магний, сжечь, взвесить оксид) или восстановлению (взвесить медь(II)оксид, восстановить водородом, взвесить медь).

Ионная связь: металлы отдают электроны неметаллам; заряженные ионы притягиваются электростатически в гигантской решётке — схемы «точка-крест» показывают передачу (Groups 1–3 с 5–7). Высокие температуры плавления (сильное притяжение); проводят ток только в расплаве или растворе (ионы свободны для движения). Запомните заряды: Groups 1/2/3 → 1+/2+/3+; Groups 5/6/7 → 3−/2−/1−; Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Zn²⁺; OH⁻, NH₄⁺, CO₃²⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻. Формулы балансируют заряды: нитрат кальция Ca(NO₃)₂, сульфат аммония (NH₄)₂SO₄.

Ковалентная связь: общие пары электронов (схемы «точка-крест» для H₂, O₂, N₂, галогены, HCl, H₂O, NH₃, CO₂ и малых органических соединений). Простые молекулярные вещества имеют слабые межмолекулярные силы — низкие температуры плавления, растущие с $M_r$; не проводят ток (нет ионов, нет свободных электронов). Гигантская ковалентная: алмаз (каждый C связан с 4 — очень твёрдый, не проводит), графит (3 связей + один свободный электрон на C, слои со слабыми силами — мягкий, проводит, скользкий), C₆₀ фуллерен (простая молекулярная клетка).

(C) Металлическая: решётка положительных ионов в море делокализованных электронов — электростатическое притяжение; свободные электроны проводят электричество, слои скользят (ковкость).

Электролиз использует электрический ток для разложения расплавленных или растворённых ионных соединений: катод (отрицательный) притягивает катионы; анод (положительный) притягивает анионы. Расплав PbBr₂ даёт Pb на катоде (Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb) и Br₂ на аноде (2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻). В водном растворе водород выделяется на катоде, если металл более активен, чем водород; на аноде галогениды дают галоген, иначе кислород (4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻). Потеря электронов — окисление, присоединение — восстановление.

1. Опишите расположение частиц и их движение в жидкости.
2. Определите насыщенное решение и укажите единицы растворимости.
3. Какой метод разделяет две смешивающиеся жидкости с близкими температурами кипения?
4. Изотоп имеет 17 протонов и 20 нейтронов. Укажите его массовое число и количества каждой частицы.
5. Вычислите $A_r$ элемента, если его масса состоит на 80 % из 20 и на 20 % из 22.
6. Уравнение с указанием агрегатных состояний: магний + кислород → оксид магния.
7. Из 8.4 г оксида кальция образуется 6.0 г оксида. Запишите эмпирическую формулу оксида.
8. Напишите формулу карбоната аммония.
9. Объясните, почему графит проводит электрический ток, а алмаз — нет.
10. (C) Что образуется на каждом электроде при электролизе расплава хлорида калия?

Ответы: 1 частицы соприкасаются, но расположены беспорядочно и хаотично перемещаются друг относительно друга; 2 раствор, содержащий максимальную массу растворенного вещества при данной температуре; г на 100 г растворителя; 3 фракционная перегонка; 4 массовое число 37; 17 протоны, 20 нейтроны, 17 электроны; 5 $(80 \times 20 + 20 \times 22)/100 = 20.4$; 6 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s); 7 Ca 6.0/40 = 0.15 моль; масса O 8.4 − 6.0 = 2.4 г → 2.4/16 = 0.15 моль; соотношение 1:1 → эмпирическая формула CaO; 8 (NH₄)₂CO₃; 9 в графите каждый атом углерода образует три связи, оставляя один делокализованный электрон свободным для движения между слоями — в алмазе все четыре электрона участвуют в прочных фиксированных связях; 10 (C) калий на катоде (K⁺ + e⁻ → K) и хлор на аноде (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻).