Биология для студентов-медиков: общая биология, молекулярная биология, генетика

Жданов Дмитрий

Каждое вещество имеет строго определенный элементный состав, который отражает его структурная единица. Для веществ молекулярной природы (газы, жидкости, молекулярные кристаллы) в качестве структурной единицы выступает реальная частица – молекула. Для простых веществ с атомной структурой (металлы, алмаз, графит и др.) структурной единицей является атом.

Для сложных кристаллических веществ, имеющих ионную решетку (соли, основания) или решетку с ковалентными полярными связями (например, кремнезем SiO₂), структурной единицей является условная формульная

единица, в которой индексы у символов химических элементов отражают соотношение их количеств в кристалле.

Образец любого вещества можно охарактеризовать с помощью трех физических величин – массы m, объема V и количества вещества n.

Количество вещества – это число структурных единиц, составляющих данный образец веществf. Единицей измерения количества вещества является моль – это порция вещества, содержащая столько структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода ₁₂С. Последняя величина называется постоянной Авогадро N_А (N_А = 6,022 · 10²³ моль^{– 1}).

Любые газы при одинаковых условиях (фиксированы температура и давление) имеют одинаковый молярный объем ( V_m = 22,4 дм3 /моль = 22,4 л /моль)

Химическая формула отражает качественный и количественный состав структурной единицы простого или сложного вещества.

Расчеты по схемам химических реакций:

Масса вступивших в реакцию реагентов равна массе образовавшихся продуктов. Таким образом, все вычисления по схеме реакции основаны на составлении уравнений материального баланса по количеству вещества или массе каждого элемента с последующим использованием соотношений, связывающих количество данных атомов с количеством вещества реагентов и продуктов реакции, в составе которых они находятся.

Расчеты по уравнениям химических реакций:

С помощью стехиометрических коэффициентов схема химической реакции переходит в ее уравнение, которое в явном виде отражает закон сохранения количества атомов каждого вида при переходе от исходных веществ (реагентов) к продуктам реакции. Стехиометрические коэффициенты позволяют установить связь между количествами участвующих в реакции веществ на основе следующего правила: коэффициенты в химическом уравнении задают молярные пропорции (отношения), в которых вступают в реакцию исходные вещества (реагенты) и образуются продукты реакции.

Пример: реакция синтеза аммиака: 3H₂ + N₂ = 2NH₃

n (H₂ ): n (N₂ ): n (NH₃ ) = 3:1: 2,

Отсюда n (NH₃ ) = 2/3 n (H₂ ) или n (NH₃ ) = 1/2 n (N₂ )

Газовые законы:

В основе расчета количества вещества, плотности и молярной концентрации газообразных веществ и их смесей при заданных давлении Р и температуре Т лежит уравнение Менделеева – Клапейрона (уравнение состояния идеального газа):

РV = nRT, которое

можно представить в других формах:

Р = (n/V)/ RT = сRT или РV = m/M = RT,

где m – масса; М – молярная масса; с – молярная концентрация газа при данных Р и Т, где размерность физических величин зависит от выбранной системы единиц.

Справочно: 1 атм = 760 мм рт.ст. = 101325 Па = 101,325 кПа и Т [K] = 273 + t °C.

R= 8,314 Дж / (моль ? К), или 0,082 (л ? атм)/ (моль ? К)

Следствия из уравнения Менделеева – Клапейрона:

а) Закон Авогадро: при одинаковых условиях (Р, Т – фиксированы) равные объемы газов содержат одинаковое число молекул: если для двух газов V1 = V2, то n1 = n2, и наоборот.

б) Молярные объемы Vm любых газов при одинаковых условиях одинаковы, то есть при n = 1 моль, получаем Vm = RT/P

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ:

1. Рассчитайте количество, массовые доли и массы химических элементов в 3,42 г сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃ .

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

2. В какой массе меди содержится 10,0 г электронов? (Аr(е) = 0,0005486). (Ответ: 39942,4 г.)

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

3. Содержание кремния и кислорода в земной коре составляет 27,6 % и 47,2 % по массе. Каких атомов, кремния или кислорода, больше в земной коре и во сколько раз? Какая доля кислорода связана с кремнием в виде оксида? (Ответ: соотношение 1: 3.)

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

4. Запишите химические формулы минералов через условные формулы составляющих их оксидов: тальк – Mg₃H₂Si₄O₁₂ (например, 3MgO·4SiO₂·H₂O); мусковит – K₂H₄Al₆Si₆O₂₄; нефелин – Na₂Al₂Si₂O₈; берилл – Be₃Al₂Si₆O₁₈.

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

5. В асбесте содержатся элементы (по массе): 9,6 % Са; 17,3 % Mg; 26,9 % Si, остальное – кислород. Определите формулу минерала и запишите ее через формулы составляющих его оксидов.

Решение:

_____________________________________

_____________________________________

6. Минерал изумруд содержит по массе: 5 % Be; 10 % Al; 31 % Si и 54 % О, а также примесь хрома (III), придающую ему зеленую окраску. Определите формулу минерала и запишите ее через формулы составляющих его оксидов.