Сохранение массы веществ при химических реакциях. Основные законы химии

1. Закон сохранения массы и энергии.

Это объеди­ненный закон. В него входят два закона.

I. Закон сохранения массы : Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции.

Этот закон был открыт М. В. Ломоносовым 1748 г. и дополнен А. Л. Лавуазье в 1789 г.

В процессе реакции сохраняется масса каждого 1 элемента.

Этот закон позволяет составлять уравнения химиче­ских реакций и осуществлять расчеты на их основе. Он не является абсолютным (см. ниже). Абсолютным явля­ется закон сохранения энергии.

2.Закон сохранения энергии: Энергия не возникает из ничего и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.

Этот закон - результат работ А. Эйнштейна. Он ус­тановил связь между энергией и массой вещества (1905 г.):

Е = тс 2 , (6)

где с - скорость света в вакууме, равная -300 000 км/с. Поскольку в результате химической реакции выде­ляется или поглощается энергия, то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, изменяется и масса веществ. Однако это изменение столь мало, что на практике не учитывается (так называемый дефект массы).

Образование одного моля хлороводорода из простых веществ сопровождается тепловым эффектом 92,3 кДж/моль, что соответ­ствует потере массы вещества («дефект массы») около 10 -9 г.

Следующие законы справедливы только для соедине­ний с постоянным составом молекул - дальтонидов. Они отличаются от соединений, имеющих переменный состав молекул - бертоллидов.

В сплавах металлов содержатся соединения типа М т М л, где т и n - переменные.

2. Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1801).

Соотношение между массами химических элементов, входящих в состав данного соединения, есть величина постоянная, не зависящая от способа его получения.

3. Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803).

Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на определенную массу другого, относятся друг к другу как небольшие целые числа.

В оксиде углерода (II) СО: М(С)/М(О) = 12/16 = 3/4, в оксиде углерода (IV) СО 2: М(С)/М(2О) = 12/32 = 3/8. Следовательно, мас­сы углерода, приходящиеся на определенную массу кислорода, в этих соединениях относятся, как:

3 / 4: 3 / 8 =2:1

4. Закон простых объемных отношений (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808).

Объемы вступивших в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образовавшихся газов как небольшие целые числа.

В реакции образования аммиака в соответствии со стехиомет-рическими коэффициентами в уравнении реакции:

H 2 + 3N 2 = 2NH 3 получаем, что V(N 2) : V(Н 2) : V(NН 3) = 1:3:2.

5. Закон Авогадро (1811). В равных объемах различных газов при одинако­вых условиях (р и Т) содержится одинаковое число молекул.

Этот закон вытекает из анализа уравнения состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона:

рV = nRТ.

Это уравнение можно записать для двух газов: p 1 V 1 = V 1 RТ 1 , р 2 V 2 = V 2 RТ 2 .

При равенстве p 1 = р 2 , T 1 = Т 2 и V i = V 2 будут равны и количества веществ газов: n 1 = n 2 или, с учетом числа Авогадро:

n 1 ·N А = n 2 · N A ,

т. е. будет равно и число молекул этих газов.

Закон Авогадро имеет следствия:

1. Одинаковое число молекул любого газа при оди­наковых условиях занимает один и тот же объем.

2. Массы газов, взятых в одинаковых объемах при одинаковых условиях (р, Т), относятся друг к другу как их молярные массы:

т 1 /т 2 = М 1 /М 2 . (7)

Это следствие вытекает из равенства количеств ве­ществ этих газов (см. выше): ν 1 = ν 2 .

Подставляя вместо количества вещества отношение его массы к молярной массе (уравнение 2) получим:

т 1 /М 1 = т 2 /М 2

т 1 /т 2 = М г /М 2 .

Второе следствие позволяет вывести уравнение для определения молярной массы неизвестного газа по извест­ной величине относительной плотности этого газа по дру­гому известному газу.

После подстановки в числитель и знаменатель левой части уравнения 7 объемов первого и второго газов, ко­торые равны, получаем:

т 1 · V 2 /т 2 · V 1 = М 1 /М 2 .

Отношение массы вещества к его объему заменяем на плотность (см. уравнение 5):

Р 1 /Р 2 = М 1 /М 2

и получаем уравнение для расчета молекулярной массы первого газа по второму:

М 1 = (ρ 1 / ρ 2)·М 2 = D 1/2 М 2 (8)

Или в общем виде:

М = D г М г (9)

где D Г - относительная плотность первого газа по вто­рому.

Если известна плотность данного газа по водороду, то используют уравнение:

М = 2DН 2 . (10)

Если известна плотность газа по воздуху, то исполь­зуют уравнение:

М = 29D возд. (11)

Из данного урока вы узнаете, в чем заключается сущность химической реакции с позиции атомно-молекулярной теории. Урок посвящен изучению одного из важнейших законов химии - закона сохранения массы веществ.

Тема: Первоначальные химические представления

Урок: Сущность химической реакции. Закон сохранения массы веществ

Вопрос о сущности химического превращения долгое время оставался загадкой для естествоиспытателей. Только с развитием атомно-молекулярной теории стало возможным предположить, как на уровне атомов и молекул происходят химические реакции.

В соответствие с атомно-молекулярной теорией, вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов. В ходе химической реакции атомы, входящие в состав исходных веществ, не исчезают и не появляются новые атомы.

Тогда, мы можем предположить, что в результате химической реакции продукты реакции образуются из атомов, которые ранее входили в состав исходных веществ. Вот модель химической реакции:

Рис. 1. Модель химической реакции с позиции АМТ

Проанализировав данную модель, мы можем выдвинуть гипотезу (научно обоснованное предположение):

Суммарная масса продуктов реакции должна быть равна суммарной массе исходных веществ.

Еще Леонардо да Винчи сказал: «Знания, не проверенные опытом, матерью всякой достоверности, бесплодны и полны ошибок». Значит, гипотеза никогда не станет законом, если ее не подтвердить экспериментально.

Экспериментальный метод в химии начал широко использоваться после исследований Р. Бойля в 17 в. Английский естествоиспытатель прокаливал металлы в незапаянных сосудах – ретортах и обнаружил, что после прокаливания масса металла становилась больше.

Основываясь на этих опытах, он не учитывал роль воздуха и сделал неправильный вывод, что масса веществ в ходе химических реакций изменяется.

М.В. Ломоносов, в отличие от Р. Бойля, прокаливал металлы не на открытом воздухе, а в запаянных ретортах и взвешивал их до и после прокаливания. Он доказал, что масса веществ до и после реакции остается неизменной и что при прокаливании к металлу присоединяется воздух (кислород в то время не был еще открыт). Но Ломоносов не опубликовал результаты своих исследований.

В 1774 г. опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте. Вместе с тем часть металла осталась в свободном виде.

Таким образом, независимо друг от друга, М.В. Ломоносов и А. Лавуазье подтвердили справедливость предположения о сохранении массы веществ в результате химической реакции.

Это предположение стало законом лишь после десятилетнего исследования немецкого химика Г. Ландольта в начале 20 века. Сегодня закон сохранения массы веществ формулируется так:

Масса веществ, участвующих в реакции, равна массе продуктов реакции .

Подтвердить правильность закона сохранения массы веществ можно с помощью следующего опыта. В первом сосуде Ландольта подготовим растворы йодида калия и нитрата свинца. Во втором сосуде – пройдет реакция хлорида железа с роданидом калия. Плотно закрываем пробки. Уравновешиваем чашки весов. Сохранится ли равновесие после окончания реакций? В первом сосуде выпадает желтый осадок йодида свинца, во втором образуется темно-красный роданид трехвалентного железа. В сосудах Ландольта произошли химические реакции: образовались новые вещества. Но равновесие не нарушилось (Рис. 2). Масса исходных веществ всегда равна массе продуктов реакции.

Рис. 2. Эксперимент, подтверждающий правильность закона сохранения массы веществ

Приведем пример еще одного опыта, доказывающего правильность закона сохранения массы веществ в химических реакциях. Внутри колбы при закрытой пробке будет гореть свеча. Уравновесим весы. Подожжем свечу и опустим ее в колбу. Плотно закроем колбу пробкой. Горение свечи – это химический процесс. Израсходовав находящийся в колбе кислород, свеча гаснет, химическая реакция завершается. Но равновесие весов не нарушается: масса продуктов реакции остается такой же, какой была масса исходных веществ (Рис. 3).

Рис. 3. Эксперимент с горящей свечой в колбе

Открытие закона сохранения массы веществ имело огромное значение для дальнейшего развития химии. На основании закона сохранения массы веществ производят важнейшие расчеты и составляют уравнения химических реакций.

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.

2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.15-16)

3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§6)

4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.

5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().

2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

с. 16 №№ 3,5 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.

СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Все определяется мерой, числом и весом.

Г. Кавендиш

Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы впервые сформулировал М. В. Ломоносов в 1748 г. Экспериментально он подтвердил его на примере обжигания металлов в запаянных сосудах в 1756 г. Протекание химических реакций путем взвешивания исходных веществ и продуктов Ломоносов изучал в созданной им в 1748 г. при Академии наук химической лаборатории в г. Санкт-Петербурге.

М. В. Ломоносов в письме к Л. Эйлеру от 5 июля 1748 г. сформулировал этот закон так: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Несколько позже (1789 г.) закон сохранения массы был независимо от Ломоносова установлен А. Л. Лавуазье, который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ: «Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки. На этом положении основано все искусство делать опыты в химии». («Начальный курс химии», 1789 г.).

Современная формулировка закона:

Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции .

В процессе химической реакции остаются неизменными ядра атомов. Однако атом – это не только ядро, но и окружающие его электроны. В процессе химического взаимодействия происходит перестройка электронной структуры (во всяком случае, внешних электронных слоев), так что атом изменяется, и совсем не очевидно, что его масса остается постоянной. Но число электронов, как и ядер, сохраняется.

Закон сохранения массы, как и другие законы сохранения, строго выполняется, но нуждается в некоторых пояснениях. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что между массой тела (m) и его энергией (Е) существует связь, выражаемая соотношением:

где с – скорость света в вакууме. Это уравнение Эйнштейна справедливо как для макроскопических тел, так и для частиц микромира (например, электронов, протонов). В ходе химических реакций всегда выделяется или поглощается энергия, поэтому изменяется и масса веществ, участвующих в реакции.

Задание для самостоятельной работы. Определите значение массы, отвечающее количеству теплоты, выделяющейся в ходе реакции

Н 2(г) + 1/2О 2(г) = Н 2 О (г) + 241,8 кДж.

Можно ли заметить такое изменение массы в химических процессах?

Для каких процессов изменение массы в результате выделения или поглощения энергии становится заметным?

Как нужно переформулировать закон сохранения массы, чтобы он соблюдался для любых процессов?

Пример 2.1. Прокаливанием 100 г карбоната кальция получено 56 г оксида кальция и 22,4 л оксида углерода (IV) (н. у.). Противоречит ли это закону сохранения массы веществ?

Решение. По закону Авогадро при нормальных условиях 22,4 л газа соответствует 1 моль этого вещества. Следовательно, в процессе реакции образовался 1 моль СО 2 . Масса 1 моль углекислого газа:

m(СО 2) = ν(СО 2) · M(СО 2); M(СО 2) = 44 г/моль; m(СО 2) = 1 · 44 = 44 (г).

Сумма масс продуктов реакции составит:

56 + 44 = 100 (г),

что равняется массе исходного карбоната кальция. Следовательно, закон сохранения массы выполняется.

К числу основополагающих законов химии относится закон сохранения массы веществ, который был сформулирован в виде общей концепции сохранения материи и движения великим русским ученым М.В.Ломоносовым в 1748 году и подтвержден экспериментально им самим в 1756 году и независимо от него – французским химиком А.-Л.Лавуазье в 1773 г.

Современная формулировка закона:

масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

То есть, при химических реакциях количество атомов до и после реакции остается одинаковым, например: H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2 Н 2 О.

Однако практически все реакции сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Взаимодействие кислоты и щелочи всегда идет с выделением энергии в окружающую среду (экзотермическая реакция), поэтому приведенное уравнение не полностью отражает процесс. Правильнее будет записать эту реакцию следующим образом

H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2 Н 2 О + Q, где Q равно 113,7 кДж.

Нет ли здесь противоречия с законом сохранения массы веществ?

Гораздо позднее, в 1905 г. А.Эйнштейн установил количественную взаимосвязь между массой m и энергией системы Е: Е = m ∙ c 2 , где с – это скорость света в вакууме (около 300000 км/с или 3∙10 10 см/с). Используя уравнение Эйнштейна, определим изменение массы (в граммах) для нашей реакции

Δm = Δ Е/с 2 = (113,7 ∙10 10 г∙см 2 /г)/ (3∙10 10 см/с) 2 = 1,26 ∙10 –9 г.

В настоящее время невозможно регистрировать такие ничтожно малые изменения массы. Поэтому, закон сохранения массы веществ практически справедлив для химических реакций, но теоретически не является строгим – его нельзя применять к процессам, которые сопровождаются выделением очень большого количества энергии, например, к термоядерным реакциям.

Итак, закон сохранения массы и закон сохранения энергии не существуют отдельно друг от друга. В природе проявляется один закон – закон сохранения массы и энергии. Как и другие законы природы, закон сохранения массы веществ имеет большое практическое значение . Так, используя его можно устанавливать количественные соотношения между веществами, претерпевающими химические превращения.

В уравнении химической реакции каждая формула изображает один моль соответствующего вещества. Поэтому, зная молярные массы веществ, участвующих в реакции, можно по уравнению реакции найти соотношение между массами веществ, вступающих в реакцию и образующихся в результате. Если в реакции участвуют вещества в газообразном состоянии, то уравнение реакции позволяет найти их объемные отношения.

Итак, расчеты по химическим уравнениям, т.е. стехиометрические расчеты , основаны на законе сохранения массы веществ. Однако, в реальных условиях из-за неполного протекания процессов или различных потерь, масса получившихся продуктов часто бывает меньше той массы, которая должна быть согласно закону сохранения массы веществ.

Выход продукта реакции (или массовая доля выхода) – это выраженное в процентах отношение массы реально полученного продукта к его массе, которая должна получиться в соответствии с теоретическим расчетом:

η = m (X) / m теор. (X),

где η - выход продукта, %; m (X) – масса продукта Х, полученного в реальном процессе; m теор. (X) – теоретически рассчитанная масса вещества Х.

В тех задачах, где выход продукта не указан, предполагается, что он количественный, т.е. η = 100 %.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ (расчеты по химическим уравнениям)

Задача 1. Железо можно получить, восстанавливая оксид железа (III) алюминием. Определить, сколько алюминия потребуется для получения 140 г железа?

Решение 1. Запишем уравнение реакции: Fe 2 O 3 + 2Al = 2 Fe +Al 2 O 3

Определим количество вещества железа, которое требуется получить:

ν (Fe) = m (Fe)/ М(Fe) = 140 г/ 56 г/моль = 2,5 моль.

Из уравнения реакции видно, что для получения железа количеством вещества 2 моль требуется 2 моль алюминия, т.е.

ν (Al)/ ν (Fe) = 2/2, следовательно ν (Al) = ν (Fe) = 2,5 моль.

Теперь можно определить массу алюминия:

m (Al) = M(Al)∙ ν(Al) = 27 г/моль ∙ 2,5 моль = 67,5 г.

Ответ: для получения 140 г железа потребуется 67,5 г алюминия.

Решение 2. Такие задачи можно решать методом составления пропорций. Из уравнения реакции видно, что для получения железа количеством вещества 2 моль требуется 2 моль алюминия. Запишем:

Для получения (2∙ 56) г = 112 г Fe требуется (2∙ 27) г = 54 г Al

» » » » 140 г Fe » » » » m (Al)

Cоставим пропорцию: 112: 54 = 140: m(Al), отсюда следует

m(Al) = 140 ∙ 54 /112 = 67,5 г

Задача 2. Какой объем водорода выделится (условия нормальные), если в избытке соляной кислоты растворить 10,8 г алюминия?

Решение. Запишем уравнение реакции: 6HCl + 2Al = 2AlCl 3 + 3H 2

Определим количество вещества алюминия, вступившего в реакцию

ν (Al) = m (Al)/ М(Al) = 10,8 г /27 г/моль = 0,4 моль.

Из уравнения реакции следует, что при растворении 2 моль алюминия получается 3 моль водорода Н 2 , т.е. ν (Al)/ ν (Н 2) = 2/3, следовательно,

ν (Н 2) = 3 ν (Al)/2 = 3 ∙0,4 моль/2 = 0,6 моль.

Рассчитаем объем водорода:

V(H 2) = V M ∙ ν (Н 2) = 22.4 л/моль ∙ 0,6 моль = 13,44 л.

Ответ: при растворении 10,8 г Al в соляной кислоте получится 13,44 л водорода.

Задача 3. Какой объем оксида серы (IV) необходимо окислить кислородом, чтобы получить 20 г оксида серы (VI)? Условия нормальные, выход продукта 80 %.

Решение. Запишем уравнение реакции: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3

Определим массу оксида серы (VI), который получается при количественном выходе продукта (т.е. теоретически), используя формулу

η = m (X) / m теор. (X),

где η равно 0,8 (или 80 %) по условию задачи.

Отсюда следует: m теор (SO 3) = m (SO 3) / η(SO 3) = 20/0,8 = 25 г.

Какое количество вещества оксида серы (VI) составляют 25 г, определим по формуле

ν (SO 3) = m (SO 3)/ М(SO 3) = 25 г/(32 +3∙16) г/моль = 25/80 = 0,3125 моль.

Из уравнения реакции следует, что

ν (SO 2)/ ν (SO 3) = 2/2, следовательно

ν (SO 2) = ν (SO 3) = 0,3125 моль.

Осталось определить объем оксида серы (IV) при нормальных условиях: V о (SO 2) = V M ∙ ν (SO 2) = 22.4 л/моль ∙0,3125 моль = 7 л.

Ответ: для получения 20 г оксида серы (VI) потребуется 7 л оксида серы (IV).

Задача 4 . К раствору, содержащему 25,5 г нитрата серебра, добавили раствор, содержащий 7,8 г сульфида натрия. Какова масса образующегося осадка?

Решение. Запишем уравнение протекающей реакции:

2AgNO 3 + Na 2 S = Ag 2 S↓ + 2NaNO 3 .

Так как, количество вещества и масса продукта рассчитывается на основе массы и количества вещества, взятого в недостатке, следовательно, сначала необходимо определить количества веществ нитрата серебра и сульфида натрия:

ν (AgNO 3) = m (AgNO 3)/ М(AgNO 3) = 25,5 г / 170 г/моль = 0,15 моль;

ν (Na 2 S) = m (Na 2 S)/ М(Na 2 S) = 7,8 г / 78 г/моль = 0,1 моль.

Согласно уравнению реакции: на каждые 2 моль AgNO 3 требуется 1 моль Na 2 S (т.е. в два раза меньше), значит:

на 0,15 моль AgNO 3 » » » » ν ’ моль Na 2 S.

Тогда ν ’ (Na 2 S) = ½ ∙ 0,15 моль = 0,075 моль,

следовательно, сульфид натрия взят в избытке и расчет необходимо вести по количеству вещества AgNO 3 .

Из уравнения реакции следует:

ν(Ag 2 S) = ν (Na 2 S) = ν (AgNO 3)/2 = 0,15 моль/2 = 0,075 моль.

Теперь можно определить массу сульфида серебра, выпавшего в осадок: m(Ag 2 S) = М(Ag 2 S) ∙ ν(Ag 2 S) = 248 г/моль ∙ 0,075 моль = 18,6 г.

Ответ: масса образовавшегося осадка равна 18,6 г.

Закон кратных отношений

Что происходит, если два элемента могут образовывать между собой несколько химических соединений? В 1803 г. великий английский химик в 1803 г. Дж.Дальтон показал:

● Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и туже массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Этот закон подтвердил атомистические представления о структуре материи: раз элементы соединяются в кратных соотношениях, следовательно, химические соединения различаются на целое число атомов. Они представляют собой наименьшее количество элемента, вступающего в соединение. Например, на 1 г азота в его оксидах N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 5 приходится 0,57; 1,14; 1,71; 2,28; и 2,85 г кислорода, что соответствует отношению 1:2:3:4:5.

Однако в случае соединений переменного состава закон кратных отношений неприменим.

Закон постоянства состава

Этот закон был открыт французским ученым Ж.Прустом в 1801 г.:

● Всякое химически чистое индивидуальное вещество имеет всегда один и тот же количественный состав независимо от способа его получения.

Так, например, сернистый газ можно получить сжиганием серы или действием кислот на сульфиты, или же действием концентрированной серной кислоты на медь. В любом случае молекула сернистого газа будет состоять из одного атома серы и двух атомов кислорода – SO 2 , т.е. массовое соотношение серы и кислорода всегда равно 1:1.

Закон Пруста имел для химии фундаментальное значение – он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. Вещества постоянного состава получили название «дальтониды» в честь Дальтона.

Закон постоянства состава также справедлив только для веществ молекулярного строения. В настоящее время известно большое число соединений, не подчиняющихся закону постоянства состава и закону кратных отношений; их называют соединениями переменного состава (чаще всего это - оксиды, сульфиды, нитриды гидриды и т.д.). В таких соединениях на единицу массы одного элемента может приходиться различная масса другого элемента. Например, состав оксидов титана (II) и (IV) в зависимости от условий синтеза может быть таким: TiO 0.8–1.2 и TiO 1.9–2.0 .

Соединения переменного состава получаются за счет дефектов в кристаллической решетке в процессе кристаллизации вещества. Благодаря наличию пустот или избыточных атомов в кристаллической решетке некоторые материалы проявляют много новых интересных свойств, например, полупроводниковые свойства.

Закон эквивалентов

Изучая соотношение масс кислот и оснований, взаимодействующих между собой с образованием солей, И.Рихтер в 1792 – 1800 гг. пришел к выводу, что массы одного вещества, реагирующие с одной и той же массой другого вещества, относятся между собой как простые целые числа. Позднее Д.Дальтон ввел понятие «соединительного веса», которое сейчас заменено понятием эквивалента.

● Вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам.

Для решения некоторых задач пользуются другой формулировкой этого закона:

● Массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам):

m A /m B = Э А /Э В,

где m A и m B – массы реагирующих веществ А и В,

Э А и Э В – эквивалентные массы этих веществ.

ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

В 1748 г. М. В. Ломоносов (Россия) и в 1789 г. А. Лавуазье (Франция) независимо друг от друга открыли закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Этот закон формулируется так:

Масса всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

СН 4 + О 2 = СО 2 + Н 2 О

По закону сохранения массы:

m (СН 4) + m (О 2) = m (СО 2) + m (Н 2 О),

где m (СН 4) и m (О 2) - массы метана и кислорода, которые вступили в реакцию; m (СО 2) и m (Н 2 О) - массы углекислого газа и воды, образовавшиеся в результате реакции.

Сохранение массы веществ в химических реакциях объясняется тем, что число атомов каждого элемента до и после реакции не изменяется. В ходе химической реакции происходит только перегруппировка атомов. В реакции, например, в исходных веществ - СН 4 и О 2 - атом углерода соединяется с атомами водорода, а атомы кислорода- друг с другом; в молекулах продуктов реакции - СО 2 и Н 2 О - и атом углерода, и атомы водорода соединяются с атомами кислорода. Легко посчитать, что для сохранения числа атомов каждого элемента в данную реакцию должны вступать 1 молекула СН 4 и 2 молекулы О 2 , а в результате реакции должны образоваться 1 молекула СО 2 и 2 молекулы Н 2 О:

СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О

Данное выражение является уравнением химической реакции, или химическим уравнением .

Числа перед формулами веществ в уравнении реакции называются коэффициентами . В уравнении коэффициенты перед формулами О 2 и Н 2 О равны 2; коэффициенты перед формулами СН 4 и СО 2 равны 1 (их обычно не записывают).

Химическое уравнение - это выражение химической реакции, в котором записаны формулы исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции, а также коэффициенты, показывающие число молекул каждого вещества.

Если известна схема реакции, то для составления химического уравнения нужно найти коэффициенты.

Составим, например, уравнение реакции, которая выражается следующей схемой:

Al + НСl = AlCl 3 + H 2

В левой части схемы атомы и входят в состав молекулы HCl в соотношении 1: 1; в правой части схемы содержатся 3 атома хлора в составе молекулы AlC1 3 и 2 атома водорода в составе молекулы Н 2 . Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6.

Напишем коэффициент «6» перед формулой HCl, коэффициент «2» - перед формулой AlC1 3 и коэффициент «3» - перед формулой Н;

Аl+ 6HCl = 2AlCl 3 + 3Н 2

Так как теперь в правой части содержится 2 атома , напишем коэффициент «2» перед формулой Al в левой части схемы:

2Al + 6НС1 = 2AlC1 3 + 3H 2

В результате мы получили уравнение данной реакции. Коэффициенты в химическом уравнении показывают не только число молекул, но и число молей исходных веществ и продуктов реакции. Например, это уравнение показывает, что в реакцию вступают 2 моля алюминия Аl и 6 молей , а в результате реакции образуются 2 моля хлорида алюминия AlC1 3 и 3 моля водорода Н 2).