Закон сохранения массы веществ

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

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (А.Эйнштейн, 1905 г.), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия DE связана с увеличением его массы Dmсоотношением DE = Dm x c2 , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы на ~10-11 г и Dm практически не может быть измерено. В ядерных реакциях, где DЕ в ~106 раз больше, чем в химических реакциях, Dm следует учитывать.

Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и

по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.

Закон постоянства состава

Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

Пример.

CuS - сульфид меди. m(Cu) : m(S) = Ar(Cu) : Ar(S) = 64: 32 = 2: 1

Чтобы получить сульфид меди (CuS) необходимо смешать порошки меди и серы в массовых отношениях 2: 1.

Если взятые количества исходных веществ не соответствуют их соотношению в химической формуле соединения, одно из них останется в избытке.

Например , если взять 3 г меди и 1 г серы, то после реакции останется 1 г меди, который не вступил в химическую реакцию. Вещества немолекулярного строения не обладают строго постоянным составом. Их состав зависит от условий получения.

Массовая доля элемента w (Э) показывает, какую часть составляет масса данного элемента от всей массы вещества: где n - число атомов; Ar(Э) - относительная атомная масса элемента; Mr - относительная молекулярная масса вещества.

w(Э) = (n x Ar(Э)) / Mr

Зная количественный элементный состав соединения можно установить его простейшую молекулярную формулу:

1. Обозначают формулу соединения Ax By Cz

2. Рассчитывают отношение X: Y: Z через массовые доли элементов:

w(A) = (х x Ar(А)) / Mr(AxByCz)

w(B) = (y x Ar(B)) / Mr(AxByCz)

w(C) = (z x Ar(C)) / Mr(AxByCz)

X = (w(A) x Mr) / Ar(А)

Y = (w(B) x Mr) / Ar(B)

Z = (w(C) x Mr) / Ar(C)

x: y: z = (w(A) / Ar(А)) : (w(B) / Ar(B)) : (w(C) / Ar(C))

3. Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.

4. Записывают формулу соединения.

Уже к началу XIX в. накопилось много данных о составе отдельных веществ и их изменениях. Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношения элементов в соединениях. Французский химик Ж. Пруст (1754–1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава – один из основных законов химии.

Согласно закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав .

Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения, Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую часть серы и одну весовую часть кислорода.

Закон постоянства состава веществ был установлен в результате семилетнего спора между Прустом и его оппонентом, французским химиком К. Бертолле (1748–1822), утверждавшим, что состав соединений зависит от способа их получения.

Бертолле в результате анализа растворов, которые он считал химическими соединениями, сделал общий вывод о существовании химических соединений переменного состава. Получалось, что два элемента могут образовать непрерывный ряд соединений с изменяющимися свойствами и составом.

Пруст утверждал, что состав чистого вещества всегда один и тот же, любое химическое вещество имеет всегда одни и те же свойства, одинаковую температуру плавления, кипения, удельный вес. Пруст заявлял, что природа даже через посредство людей никогда не производит соединений иначе, как только по весу и мере. Одни и те же соединения имеют всегда тождественный состав. Внешний их вид может быть различен, но свойства – никогда. Нет разницы между окисью железа из южного полушария и из северного, хлористое серебро из Перу совершенно тождественно хлористому серебру из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра и т.д. Проделав в течение 1799–1887 гг. массу анализов, Пруст доказал справедливость своих выводов.

Дальнейшее развитие химии показало, что закон постоянства состава характеризует соединения с молекулярной структурой, состав же соединений с немолекулярной структурой (атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

В начале XX в. русский химик Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава. В дальнейшем было выяснено, что соединения переменного состава встречаются также среди оксидов, соединений металлов с серой, азотом, углеродом, водородом а также – среди других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру. Вещества переменного состава были названы бертоллидами , в отличие от соединений постоянного состава –дальтонидов . Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав. Так, в диоксиде титанаTiO 2 на единицу массы титана может приходиться от0,65 до0,67 единиц массы кислорода, что соответствует формулеТi O 1,9 – 2,0 ( таб.4.1 ).

Таблица 4.1

ДАЛЬТОНИДЫ (вещества постоянного состава) примеры соединений				БЕРТОЛЛИДЫ (вещества переменного состава) примеры соединений
H 2 O		C Cl 4	CO 2	Ti O 1,9 – 2,0	V O 0,9 –1,3

Таким образом, закон постоянства состава, в отличие от закона сохранения массы вещества, не является столь всеобщим. Однако для своего времени закон постоянства состава имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое отношение серы и кислорода всегда 1:1 , а не1,1:0,9 или0,95:1.05 ?  Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (эти частицы впоследствии были названы молекулами).

Одно и то же химическое соединение имеет постоянный состав, вне зависимости от места и способа получения образца. К такому выводу одним из первых пришел основатель современной химии, французский ученый А. де Лавуазье. Он сумел определить состав воды, воздуха, считал, что частицы входят в состав веществ в определенных пропорциях. Позже другим химиком из Франции Ж. Л. Прустом был сформулирован закон постоянства состава. Оба исследователя немало сил приложили, чтобы отстоять свои идеи в споре с научным сообществом.

Взгляды на строение вещества на рубеже XVIII и XIX веков

Химические элементы, соединяясь друг с другом в разных соотношениях, образуют множество веществ. Каждое из них характеризуется определенным набором атомов и соотношением их масс. Но до конца XVIII столетия многие ученые считали иначе. Проблема для них заключалась в неточности количественных методик. К тому же позиции атомно-молекулярных воззрений в то время были зыбкими, господствовала теория флогистона — мифического элемента. В установление количественного состава вещества значительный вклад внесли:

• А. де Лавуазье;
• М. В. Ломоносов;
• Ж. Л. Пруст;
• Д. Дальтон.

Заслуга Ж. Л. Пруста заключается в том, что он усовершенствовал количественные методы Лавуазье, строго им следовал. Ученый предложил закон постоянства состава, сохранения соотношений элементов в образцах соединений. Работу в этом направлении Пруст начал еще в конце XVIII века, но признание его труды получили только в 1808 году. примерно в это же время ввел представление об атомах и массах этих частиц, кратных соотношениях.

Биография Ж. Л. Пруста

Ученый, предложивший закон постоянства состава, появился на свет 26 сентября 1754 года на западе Франции. Отец Жозефа Луи был аптекарем в городе Анже. Он и приобщил сына к опытам с Юноша продолжил обучение в Париже, где познакомился с Лавуазье и его научными идеями. В 1776 году Пруст опубликовал свои первые серьезные труды в области химии. С 1799 по 1806 год ученый руководил лабораторией в Мадриде. Во Францию Пруст вернулся в 1806 году. После краткого пребывания в Париже Жозеф Луи отправился в родные места. В 1808-1816 годах получили признание его труды в области изучения состава веществ, в том числе глюкозы. В 1817-м он вышел в отставку и жил в одиночестве до конца своих дней (1826). Пруст был одним из выдающихся ученых своего времени, Рыцарем Почетного легиона, членом наук Неаполя.

Закон постоянства состава. Примеры

Ж. Л. Пруст открыл глюкозу, прославился блестящей победой в научной полемике с соотечественником Бертолле, причиной которой стал закон постоянства состава. Формулировка, предложенная Прустом, гласит: когда несколько элементов образуют химически чистый образец, то он состоит из одних и тех же атомов. Отношения их масс и числа также носят постоянный характер. Примеры:

1. Хлорид натрия (NaCl) можно получить при взаимодействии соляной кислоты с гидроксидом натрия. Второй способ — обработка соляной кислотой В двух разных химических реакциях получаем соединение, формула которого NaCl. И в первом, и во втором случае вещество содержит 39,33% натрия и 60,66% хлора.
2. Кислород (химический знак O) при образовании соединяется с одним и тем же количеством водорода (H). Если взаимодействует 1,11 г водорода с 8,89 г кислорода, то образуется 10 г воды (H 2 O). Увеличение количества одного из веществ приводит к такому же результату. Не прореагируют атомы того элемента, которого взяли в избытке. Масса воды в этом опыте остается такой же - 10 г, состав ее молекул отражает формула H 2 O.

Значение открытия постоянства состава

В начале XIX века в теоретической химии утвердились законы, которые соединяют вещества, описывают их соотношения. Изучали качественные и количественные характеристики многие ученые, предложившие универсальные формулировки. Основополагающими были идеи М. В. Ломоносова о сохранении массы в химических превращениях. Установленный Ж. Л. Прустом закон постоянства состава также имеет большое значение для науки и практики. На основании этой закономерности формулу воды записывают только в виде H 2 O, а состав серной кислоты - H 2 SO 4 . Но закон Пруста не имеет такого всеобъемлющего характера, как учение Ломоносова. Поэтому его формулировку уточнили после открытия изотопов. Так называют атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу. Соотношение частиц в составе образца является постоянной величиной, но только при условии неизменного изотопного состава. Например, массовый состав водорода и кислорода в обычной и отличается. Вторая жидкость содержит изотоп водорода — дейтерий. Масса тяжелой воды больше, чем обычной.

Современные взгляды на состав вещества

В соответствии с формулировкой Пруста соотношение масс атомов, составляющих определенное вещество, носит постоянный характер, не зависит от способа получения образца. В начале XX столетия при изучении сплавов металлов были открыты соединения с переменным составом. В этом случае единице веса одного химического элемента могут соответствовать различные массы другого элемента. Например, в соединениях таллия с висмутом на единицу массы первого приходится от 1,2 до 1,8 единицы веса второго элемента. Такие примеры можно найти среди интерметаллических веществ, оксидов, соединений серы, азота, углерода, водорода с металлами. Следовательно, законы, открытые Прустом и Дальтоном, справедливы полностью только в отношении тех веществ, что имеют молекулярное строение. К ним относятся многие кислоты, оксиды, гидриды. Качественная и количественная структура подобных соединений является постоянной. Например, состав воды в атмосфере, Мировом океане, ледниках и живых организмах отражает формула H 2 O.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Закон сохранения массы

Закон сохранения массы можно сформулировать так:

«масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции».

Открытие данного закона приписывают М.В. Ломоносову (1748 г. и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г.), хотя он сам не приписывал себе авторство. В зарубежной литературе открытие данного закона приписывают А. Лавуазье (1789 г.)

Данный закон верен с большой точностью для всех химических реакций, так как дефект массы несоизмеримо мал

После открытия специальной теории относительности, масса приобрела новые свойства:

1. Масса объекта зависит от его внутренней энергии. При поглощении энергии масса растет, при ее выделении масса уменьшается. Особенно ощутимо изменение массы при ядерных реакциях. При химических реакциях изменение массы пренебрежительно мало – при тепловом эффекте реакции 100 кДж/моль изменение массы составит ~10 -9 г/моль, при нагревании железного утюга на 200° его масса возрастает на величину Δm/m~10 -12

2. Масса не является аддитивной величиной, т.е масса системы не равна сумме масс её составляющих, например аннигиляция электрона и позитрона, частиц имеющую массу покоя на фотоны, не имеющих массу покоя, масса дейтерия не равна сумме масс протона и нейтрона и т.д.

Из вышесказанного следует, что закон сохранения массы тесно связан с законом сохранения энергии, что объясняется специальной теорией относительности и выполняется с таким же ограничением - надо учитывать обмен системы энергией с внешней средой.

Закон эквивалентов

Открыт в результате химических опытов И. Рихтера в 1791-1798 гг

Первоначальная формулировка закона эквивалентов (термин "эквивалент" ввёл в 1767 г. Г. Кавендиш) была следующей: "Если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными количествами двух оснований, то эти количества эквивалентны и нейтрализуются одинаковым количеством любой другой кислоты".

Проще говоря, химические соединения взаимодействуют не в произвольных, а в строго определённых количественных соотношения.

Однако, данный закон открыл вопрос о постоянстве состава вещества. Виднейший ученный того времени Клод Луи Бертолле предложил в 1803 г. теорию химического сродства, по средствам сил притяжения и зависящего от плотности вещества и его количества. Он отстаивал предположение о том, что элементный состав вещества может изменяться в некоторых пределах в зависимости от условий, в которых оно было получено. Постоянные отношения в соединениях, по Бертолле, могут иметь место лишь в случаях, когда при образовании таких соединений произошло значительное изменение плотности и, следовательно, сил сцепления. Так, газообразные водород и кислород соединяются в воду в постоянных отношениях, потому что вода - жидкость, обладающая значительно большей плотностью, чем исходные газы. Но если изменение плотности и сцепления при образовании соединения незначительно, образуются вещества переменного состава в широких границах отношений составных частей. Границами для образования таких соединений служат состояния взаимного насыщения составных частей. Учение Бертолле, отвергающее постоянство пропорций в химических соединениях было встречено с явным недоверием несмотря на высокий научный авторитет Бертолле. Однако большинство химиков-аналитиков, в том числе таких, как Клапрот и Вокелен, не решились открыто выступить с опровержением утверждений Бертолле. Лишь один, малоизвестный в то время мадридский химик Пруст не постеснялся выступить с критикой взглядов Бертолле и указать на его экспериментальные ошибки и неправильные выводы. После появления первой критической статьи Пруста (1801 г.) Бертолле счел нужным ответить последнему, отстаивая свои положения. Завязалась интересная и исторически весьма важная полемика, продолжавшаяся несколько лет (до 1808 г.) И хотя доводы Пруста, по-видимому, не вполне убедили Бертолле, который еще в 1809 г. признавал возможность существования соединений переменного состава, все химики встали на точку зрения Пруста, которому принадлежит, таким образом, заслуга экспериментального установления закона постоянства состава химических соединений.

Закон постоянства состава

Закон постоянства состава (постоянных отношений) открыл французкий ученый Жозеф Луи Пруст. И который стал одним из главных химических законов.

Закон постоянства состава - любое определенное химически чистое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов, причём отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами.

Закон постоянства состава и стехиометричность соединений долгое время считались незыблемыми. Однако в начале XX в. И. С. Курнаков на основании своих исследований пришел к выводу о существовании нестехиометрических соединений, т. е. характеризующихся переменным составом. Еще  Д. И. Менделеев (1886 г.) на основе собственных наблюдений и накопившихся к тому времени многочисленных экспериментальных данных пришел к выводу, о наличие веществ с непостоянным составом и что эти соединения являются настоящими химическими соединениями, лишь находящимися в состоянии диссоциации. Н. С. Курнаков отмечал, что было бы ошибкой считать соединения переменного состава чем-то редким и исключительным. Соединения постоянного состава Н. С. Курнаков назвал дальтонидами в честь Д. Дальтона, широко применявшего атомно-молекулярную теорию к химическим явлениям. Нестехиометрические соединения были названы в честь К. Бертолле бертоллидами. По его представлениям, бертоллиды - это своеобразные химические соединения переменного состава, формой существования которых является не молекула, а фаза, то есть химически связанный огромный агрегат атомов. Классическая теория валентности не применима для соединений бертоллидного типа, поскольку они характеризуются переменной валентностью, изменяющейся непрерывно, а не дискретно, Перечисление синтезированных и известных соединений говорит о том, что большинство из них относятся к бертоллидному типу. В принципе любое твердое соединение, кроме веществ с молекулярной решеткой, является соединением переменного состава.

Бертоллиды, по Курнакову, представляют собой твердые растворы неустойчивых в свободном состоянии химических соединений постоянного состава. Охарактеризовав таким образом соединения постоянного и переменного состава, Курнаков пришел к выводу, что и Пруст, и Бертолле были правы в своих утверждениях.

Однако простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный. Например, состав оксида железа(II) записывают в виде FeO (вместо более точной формулы Fe 1-x O).

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Жозеф Луи Пруст 1801 году. Этот закон утвердился в полемике Пруста с французским химиком Клодом Луи Бертолле. Последний считал, что направление химической реакции (состав ее продуктов) зависит не только от природы взаимодействующих веществ, но и от их относительных количеств. Абсолютизируя результаты своих экспериментальных исследований химических равновесий, он утверждал, что все вещества имеют переменный состав, который может меняться непрерывно от одного компонента к другому: например, оксиды получаются постепенным насыщением металла кислородом. В то же время Пруст, используя значительно более точные методы анализа, показал, что на самом деле таких непрерывных переходов нет. На примере карбоната меди, оксидов олова и сурьмы, сульфидов железа в разных степенях окисления, а также других веществ он доказал определенность составов соединений вне зависимости от способов их получения. Пруст писал: «От одного полюса земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь». Итак закон постоянства состава звучит следующим образом: «Качественный и количественный состав сложного вещества не зависит от способа его получения».

Закон простых кратных отношений

Исследуя химико-аналитически оксиды азота и углерода, этилен и метан, водородные соединения азота и фосфора, некоторый другие вещества, Дальтон в 1803 году установил закон кратных отношений: «Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как небольшие целые числа». Иными словами весовые отношения простых веществ, образующих сложное вещество, выражаются целыми числами типа 1:2:3… Закон кратных отношений, целочисленные отношения эквивалентных масс имели естественным выводом, что молекулы состоят из нескольких неделимых частиц - «атомов». Отсюда появилась возможность определения относительных атомных масс. Джон Дальтон ввел в химию и сам термин «атом» как мельчайшую частицу химического элемента. Атомы различных элементов, по Дальтону, имеют разную массу и тем отличаются друг от друга.

Закон простых объемных отношений

Французский ученый Жозеф Луи Гей-Люссак в 1802 году установил, что объем газа при постоянном давлении увеличивается пропорционально температуре. Позднее он вывел еще один закон: давление газа в замкнутом объеме пропорционально температуре. Свойства газов в конце XVIII - начале XIX века исследовали многие ученые. Еще до Гей-Люссака зависимость между объемом газа и температурой изучал французский физик Жак Александр Сезар Шарль. Но он вовремя не опубликовал полученные им данные, а Гей-Люссак же четко сформулировал закон, который в России называют законом Гей-Люссака, а в Англии и США - законом Шарля. А закон зависимости давления газа от абсолютной температуры наоборот в России известен под именем закона Шарля, а в Англии и США - как закон Гей-Люссака. Часто эти законы называют соответственно первым и вторым законами Гей-Люссака. В 1808 году Гей-Люссак совместно с немецким естествоиспытателем Александром Гумбольдтом сформулировал закон объемных отношений: «объемы вступающих в реакцию газов, находящихся при одинаковых условиях, относятся как целые числа». Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом кислорода, давая 2 объема водяного пара. Сейчас мы записали бы стехиометрическое уравнение так: 2H 2 +O 2 =2H 2 O. Но в начале XVIII века еще не было разграничения понятия атома и молекулы. Гей-Люссак ничего не говорил о том, в виде каких частиц участвуют в реакциях те или иные газы.