Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный количественный и качественный состав.
Качественный состав вещества показывает, из атомов каких элементов построены его молекулы. Количественный состав показывает, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы (формульной единицы) вещества или массовую долю элемента в веществе. Например, молекулы аммиака (NH 3) состоят из атомов химических элементов азота (N) и водорода (Н). Это качественный состав. Причем, одна молекула состоит из трех атомов Н и одного атома N. Это количественный состав. Аммиак мы можем получить многими способами:
1. N 2 + 3H 2 = 2NH 3 ;
2. NH 4 NO 3 + NaOH = NaNO 3 + H 2 O + NH 3 ;
3. NH 4 Cl NH 3 + HCl.
Однако, согласно закону постоянства состава, независимо от способа получения, молекула NH 3 всегда будет состоять из одного атома N и трех атомов Н.
Закон постоянства состава вещества всегда выполняется лишь для веществ молекулярной структуры, т.е. для всех жидкостей, газов и твердых веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку.
Для твердых веществ, имеющих атомную, ионную или металлическую кристаллическую решетку закон постоянства состава вещества часто не выполняется. Это обусловлено двумя причинами:
1. Наличием в узлах кристаллической решетки чужеродных атомов или ионов в виде примесей.
2. Наличием в кристаллической решетке различных дефектов, например, вакансий или пустот.
Количество таких дефектов, число и вид чужеродных примесных включений в кристаллической решетке вещества в этом случае будет зависеть от способа его получения. А, значит, от способа получения вещества будет зависеть и его состав.
Из закона постоянства состава вытекает важный вывод:
Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, а также соотношения между их химическим количеством постоянны и не зависят от способа получения этого соединения и от его имеющегося количества.
В связи с этим становится возможным определять эмпирические или простейшие формулы веществ на основании значений массовых долей химических элементов, входящих в их состав. Для веществ немолекулярного строения в роли эмпирических формул выступают их формульные единицы.
Закон кратных отношений
Если два элемента образуют между собой несколько молекулярных соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.
Пример 1. Найдем эмпирическую формулу вещества, состоящего из атомов натрия, фосфора и кислорода, массовые доли, которых в нем составляют, соответственно: 42,073%; 18,903% и 39,024%.
Дано:
ω,%(Na) = 42,073; ω,%(P) = 18,903; ω,%(O) = 39,024.
Найти: Эмпирическую формулу Na x P y O z - ?
Решение:
Массовые доли элементов (Э), выраженные в %, численно соответствуют массе атомов этих элементов m(Э) в 100 граммах вещества. Следовательно, если у нас имеется 100 г вещества, то массы содержащихся в нём элементов Na, P и О будут соответственно равны 42,073 г; 18,903 г и 39,024 г. Воспользуемся отношением
, где
n(Э) – количество вещества; число моль атомов элемента Э, моль;
m(Э) – масса атомов химического элемента, г;
M(Э) – масса одного моль атомов химического элемента Э, г/моль.
; 
;
.
В одном моль вещества число моль атомов каждого элемента (n(Na), n(P), n(O)) будет целым числом, но соотношение между ними будет такое же, как и в 100 граммах вещества. Представим в связи с этим соотношение между n(Na), n(P) и n(O) как соотношение простых целых чисел, наблюдающееся в одном моль вещества.
n(Na) : n(P) : n(O) = 1,8: 0,6: 2,4
Разделим каждый член этого соотношения на 0,6.
n (Na) : n (P) : n (O) = 1,8/0,6: 0,6/ 0,6: 2,4/ 0,6 = 3: 1: 4.
В таком же количественном соотношении атомы Na, Р и О находятся в веществе: x = 3, y = 1, z = 4.
Простейшая его формула Na 3 РО 4 .
Ответ: Эмпирическая формула вещества: Na 3 РО 4 .
Для большинства веществ немолекулярной структуры такие эмпирические формулы совпадают с формульными единицами этих веществ. У веществ молекулярной структуры их истинная, т.е. молекулярная формула не всегда совпадает с установленной таким образом эмпирической формулой. В этом случае для нахождения истиной (молекулярной) формулы вещества необходимо знать его молярную или молекулярную массу.
Пример 2. Найдем молекулярную формулу углеводорода, массовые доли углерода и водорода в котором, соответственно, равны 85,72% и 14,28%, а его относительная молекулярная масса равна 28.
Дано:
ω,%(С) = 85,72; ω,%(Н) = 14,28; М r (углеводорода) = 28.
Найти: Молекулярную формулу углеводорода, С x H y - ?
Решение:
Найдем число моль атомов С и Н, содержащихся в 100 граммах углеводорода.
, 
.
Представим соотношение между n(С) и n(Н) как соотношение простых целых чисел:
n(C) : n(H) = 7,14: 14,28 = 7,14/7,14: 14,28/7,14 = 1: 2; х = 1, y = 2.
Значит, эмпирическая формула вещества С x H y – СН 2 .
Найдем относительную молекулярную массу СН 2: сложив относительные атомные массы всех атомов, входящих в состав молекулы.
M r (CH 2) = A r (C) + 2·A r (H) = 12 + 1 × 2 = 14.
Определим соотношение между M r (углеводорода) и M r (CH 2):
.
Это значит, что численное значение индексов x и y в молекулярной формуле в 2 раза больше, чем в эмпирической. Таким образом, молекулярная формула вещества равна С 2 Н 4 .
Ответ: Молекулярная формула углеводорода С 2 Н 4 .
Пример 3. При взаимодействии азота с кислородом образуются пять оксидов. На 1 грамм азота в образующихся молекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грамма кислорода. Выведите молекулярные формулы образующихся оксидов.
Дано:
1 г (N) : 0, 57 г (О); 1 г (N) : 1,14 г (О); 1 г (N) : 1,71 г (О); 1 г (N): 2,28 г (О); 1 г (N): 2,85 г (О).
Найти: N x O y образующихся оксидов - ?
Решение:
По закону кратных отношений, на 1 г N в оксидах приходится О: 0,57 г, 1,14 г, 1,71 г, 2,28 г, 2,85 г. Эти массы кислорода относятся как простые целые числа:
0,57: 1,14: 1,71: 2,28: 2,85 = .
Для установления формулы, например, для первого оксида берут не массы, а количества веществ. Так в первом оксиде N x O y x: y = n (N) : n (O) = .
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).
I. НОВЫЙ МАТЕРИАЛ
К основным законам химии относится закон постоянства состава:
Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.
Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.
Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж.Пруст в 1808 г
Он 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".
В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.
Чтобы получить сульфид железа(II), мы смешивали железо
и серу в соотношении 7:4. . Если смешать их в другой пропорции, например 10:4, то
химическая реакция произойдет, но 3 г железа в реакцию не вступит. Почему
наблюдается такая закономерность? Известно, что в сульфиде железа(II) на каждый
один атом железа приходится один атом серы
(демонстрация кристаллической решетки, рис.). Следовательно,
для реакции нужно брать вещества в таких массовых соотношениях, чтобы
сохранялось соотношение атомов железа и серы (1:1). Поскольку численные
значения атомных масс
Fe, S и их относительных атомных масс A r
(Fe),
A r
(S) совпадают, можно записать:A r
(Fe):A r
(S)
= 56:32 = 7:4.
Отношение 7:4 сохраняется постоянно, в каких бы единицах массы ни выражать
массу веществ (г, кг, т, а.е.м.). Большинство химических веществ обладает постоянным
составом.
Рис. Кристаллическая решетка сульфида железа(II)
Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона), вторые - бертоллидами (в память французского химика Бертолле, предвидевшего такие соединения). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например Н 2 О, НCl, ССl 4 , СO 2 . Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям.
В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение.
Cостав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, - является постоянным независимо от способа получения. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.
II. На основе закона постоянства состава можно производить различные
расчёты.
Задача №1
В каких массовых отношениях соединяются химические элементы в серной кислоте,
химическая формула которой H 2 SO 4 ?
Решение:
Ar(H)=1, Ar(S)=32, Ar(O)=16.
Определим массовые отношения этих элементов в формуле H
2 SO
4
m(H) : m(S) : m(O) = 2Ar(H) : Ar(S) : 4Ar(O) = 2: 32: 64 = 1: 16: 32
Таким образом, чтобы получить 49 г серной кислоты (1+16+32=49), необходимо
взять 1 г - Н, 16 г - S и 32 г - О.
Задача №2
Водород соединяется с серой в массовых отношениях 1: 16. Используя данные об
относительных атомных массах этих элементов, выведите химическую формулу
сероводорода.
Решение:
Используя ПСХЭ найдём относительные атомные массы химических элементов:
Ar(H)=1, Ar(S)=32.
Обозначим количество атомов водорода в формуле - х, а серы - у: Н
х S
у
m(H) : m(S) = хAr(H) : уAr(S)= х1: у32 = (2*1) : (1*32) = 2: 32 = 1: 16
Следовательно, формула сероводорода Н
2 S
Задача №3
Выведите формулу сульфата меди, если массовые отношения в нём меди, серы и
кислорода соответственно равны 2:1:2?
Решение:
Используя ПСХЭ найдём относительные атомные массы химических элементов:
Ar(Cu)=64, Ar(S)=32, Ar(O)=16.
Обозначим количество атомов меди в формуле - х, серы - у, а кислорода - z: Cu
x S
y O
z
m(Cu) : m(S) : m(O) = хAr(Cu) : уAr(S) : zAr(O) = x64: y32: z16 = (1*64) :
(1*32) : (4*16) = 64:32:64 = 2:1:2
III. РЕШИТЕ
ЗАДАЧИ
№1. Применяя сведения об относительных атомных массах химических элементов, вычислите массовые отношения элементов в угольной кислоте, химическая формула которой H 2 CO 3 .
№2. Определите массу кислорода, реагирующего без остатка с 3 г водорода, если водород и кислород в данном случае соединяются соответственно в соотношении 1: 8?
№3. Углерод и кислород в углекислом газе соединяются
в массовых отношениях 3: 8.
Выведите химическую формулу углекислого газа
№4. Определите массу водорода, реагирующего без остатка с 48 г кислорода, если водород и кислород в данном случае соединяются в соотношеннии 1:8.
Закон постоянства состава вещества является одним из главных законов химии. Он вытекает из атомно-молекулярного учения. Его суть заключается в том, что вещества состоят из одних и тех же молекул, потому и состав таких веществ постоянен.
Общие сведения
Француз Ж. Пруст – ученый, открывший закон постоянства состава химического соединения. Произошло это в 1808 году.
Рис. 1. Портрет Жозефа Луи Пруста
Современная формулировка закона заключается в следующем: всякое чистое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав.
Чистое вещество в данном случае – вещество, в котором отсутствует даже малое количество примеси.
Рис. 2. Формула закона постоянства состава вещества
Данный закон правдив лишь для элементов с молекулярной структурой.
При образовании из двух элементов нескольких соединений атомы этих элементов соединяются друг с другом в молекулы различного, но определенного состава. Например, азот с кислородом образует шесть соединений.
Закон постоянства состава вещества имеет значимое практическое значение. Он позволяет выводить химические формулы.
Соединения постоянного и переменного состава
Русский ученый Н.С. Курнаков в начале XX века обнаружил соединения переменного состава при изучении сплавов металлов. В них на одну единицу массы элемента может приходиться различная масса другого элемента. При рассмотрении соединения висмута с таллием на 1 единицу массы таллия приходится от 1,24 до 1,82 единиц массы висмута.
Курнаков предложил соединения постоянного состава назвать дальтонидами, а соединения переменного состава – бертоллидами.
Рис. 3. Вещества по составу
Дальтониды были названы в честь английского ученого Дальтона, а бертоллиды – в честь французского химика Бертолле, который предвидел такие соединения.
Во второй четверти 20 века обнаружилось, что соединения переменного состава могут встретиться не только среди соединений металлов друг с другом, но и среди других твердых тел, например оксидов, сульфидов, карбидов и т.д.
Уточненная формулировка закона постоянства вещества
Для многих бертоллидов существуют границы, в пределах которых может изменяться их состав. Например,
оксид урана (IV) имеет состав от UO 2,5 до UO 3 , оксид ванадия (II) – от VO 0,9 до VO 1,3 .
Таким образом, имеет смысл внести уточнения в существующую формулировку закона постоянства состава:
Состав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, является постоянным независимо от способа получения. Если состав соединений имеет немолекулярную структуру (а, например, атомную, ионную), то он не является постоянным и зависит от условий получения.
Что мы узнали?
В учебнике химии 8 класса кратко раскрывается определение закона постоянства состава вещества, дается его четкая формулировка, а также рассматриваются соединения переменного и постоянного состава. В данной теме раскрываются все эти аспекты, а также дается определение дальтонидам и бертоллидам.
Химия относится к разряду точных наук, и наряду с математикой и физикой устанавливает закономерности существования и развития материи, состоящей из атомов и молекул. Все процессы, протекающие как в живых организмах, так и среди объектов неживой природы, имеют в своей основе явления превращения массы и энергии. вещества, изучению которого будет посвящена эта статья, и лежит в основе протекания процессов в неорганическом и органическом мире.
Атомно-молекулярное учение
Чтобы понять суть законов, управляющих материальной действительностью, нужно иметь представление о том, из чего она состоит. По словам великого российского ученого М. В. Ломоносова «Во тьме должны пребывать физики и, особенно, химики, не зная внутреннего частиц строения». Именно он в 1741 году, сначала теоретически, а затем и подтвердив опытами, открыл законы химии, служащие основой для изучения живой и неживой материи, а именно: все вещества состоят из атомов, способных образовывать молекулы. Все эти частицы находятся в непрерывном движении.
Открытия и ошибки Дж. Дальтона
Спустя 50 лет идеи Ломоносова стал развивать английский ученый Дж. Дальтон. Ученый выполнил важнейшие расчеты по определению атомных масс химических элементов. Это послужило главным доказательством таких предположений: массу молекулы и вещества можно вычислить, зная атомный вес частиц, входящих в её состав. Как Ломоносов, так и Дальтон считали, что, независимо от способа получения, молекула соединения всегда будет иметь неизменный количественный и качественный состав. Первоначально именно в таком виде был сформулирован закон постоянства состава вещества. Признавая огромный вклад Дальтона в развитие науки, нельзя умолчать о досадных ошибках: отрицании молекулярного строения простых веществ, таких как кислород, азот, водород. Ученый считал, что молекулы есть только у сложных Учитывая огромный авторитет Дальтона в научных кругах, его заблуждения негативно повлияли на развитие химии.
Как взвешивают атомы и молекулы
Открытие такого химического постулата, как закон постоянства состава вещества, стало возможным благодаря представлению о сохранении массы веществ, вступивших в реакцию и образовавшихся после нее. Кроме Дальтона, измерение атомных масс проводил И. Берцелиус, составивший таблицу атомных весов химических элементов и предложивший современное их обозначение в виде латинских букв. В настоящее время массу атомов и молекул определяют с помощью Результаты, полученные в данных исследованиях, подтверждают существующие законы химии. Ранее ученые использовали такой прибор, как масс-спектрометр, но усложненная методика взвешивания явилась серьёзным недостатком в спектрометрии.
Почему так важен закон сохранения массы веществ
Сформулированный М. В. Ломоносовым выше названный химический постулат доказывает тот факт, что во время реакции атомы, входящие в состав реагентов и продуктов, никуда не исчезают и не появляются из ничего. Их количество сохраняется без изменения до и после Так как масса атомов константна, данный факт логически приводит к закону сохранения массы и энергии. Более того, ученый декларировал эту закономерность, как всеобщий принцип природы, подтверждающий взаимопревращение энергии и постоянство состава вещества.
Идеи Ж. Пруста как подтверждение атомно-молекулярной теории
Обратимся к открытию такого постулата, как закон постоянства состава. Химия конца 18 - начала 19 века - наука, в рамках которой велись научные споры между двумя французскими учеными, Ж. Прустом и К. Бертолле. Первый утверждал, что состав веществ, образовавшихся в результате химической реакции, зависит главным образом от природы реагентов. Бертолле был уверен, что на состав соединений - продуктов реакции влияет еще и относительное количество взаимодействующих между собой веществ. Большинство химиков в начале исследований поддержали идеи Пруста, который сформулировал их следующим образом: состав сложного соединения всегда постоянный и не завит от того, каким способом оно было получено. Однако дальнейшее исследование жидких и твердых растворов (сплавов) подтвердило мысли К. Бертолле. К этим веществам закон постоянства состава был неприменим. Более того, он не действует для соединений с ионными кристаллическими решетками. Состав этих веществ зависит от методов, которыми их добывают.
Каждое химическое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. Эта формулировка характеризует закон постоянства состава вещества, предложенный Ж. Прустом в 1808 году. В качестве доказательств он приводит следующие образные примеры: малахит из Сибири имеет такой же состав, как и минерал, добытый в Испании; в мире есть только одно вещество киноварь, и не имеет значения, из какого месторождения она получена. Таким образом Пруст подчеркивал постоянство состава вещества, независимо от места и способа его добычи.
Не бывает правил без исключений
Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного соединения химические элементы соединяются друг с другом в определённых весовых соотношениях. Вскоре в химической науке появились сведения о существовании веществ, имеющих переменный состав, который зависел от способа получения. Русский ученый М. Курнаков предложил назвать эти соединения бертоллидами, например оксид титана, нитрид циркония.
У этих веществ на 1 весовую часть одного элемента приходится различное количество другого элемента. Так, в бинарном соединении висмута с галлием на одну весовую часть галлия приходится от 1,24 до 1,82 части висмута. Позже химики установили, что, кроме соединения металлов друг с другом, вещества, не подчиняющиеся закону постоянства состава, есть в таком как оксиды. Бертоллиды характерны также для сульфидов, карбидов, нитридов и гидридов.
Роль изотопов
Получив в свое распоряжение закон постоянства вещества, химия как точная наука смогла увязать весовую характеристику соединения с изотопным содержанием элементов, образующих его. Вспомним, что изотопами считают атомы одного химического элемента с одинаковыми протонными, но различными нуклонными числами. Учитывая наличие изотопов, понятно, что весовой состав соединения может быть переменным при условии постоянства элементов, входящих в это вещество. Если элемент увеличивает содержание какого-либо изотопа, то и весовой состав вещества тоже изменяется. Например, обычная вода содержит 11 % водорода, а тяжелая, образованная его изотопом (дейтерием), - 20 %.
Характеристика бертоллидов
Как мы уже выяснили ранее, законы сохранения в химии подтверждают основные положения атомно-молекулярной теории и являются абсолютно верными для веществ постоянного состава - дальтонидов. А бертоллиды имеют границы, в которых возможно изменение весовых частей элементов. Например, в оксиде четырёхвалентного титана на одну весовую часть металла приходится от 0,65 до 0,67 части кислорода. Вещества непостоянного состава не их кристаллические решетки состоят из атомов. Поэтому химические формулы соединений лишь отражают границы их состава. У различных веществ они разные. Температура также может влиять на интервалы изменения весового состава элементов. Если два химических элемента образуют между собой несколько веществ - бертоллидов, то для них также неприменим и закон кратных отношений.
Из всех вышеприведенных примеров сделаем вывод: теоретически в химии присутствуют две группы веществ: с постоянным и переменным составом. Наличие в природе этих соединений служит прекрасным подтверждением атомно-молекулярного учения. А вот сам закон постоянства состава уже не является доминирующим в химической науке. Зато он наглядно иллюстрирует историю её развития.
