2 Фундаментальні закони хімії

Закони хімії — це знання, що відображають об'єктивні закони природи з певною точністю, а тому їх розглядають в історичному розвитку. Закони не є абсолютно загальними, вони залежать від конкретних умов і рівня розвитку матерії. Якщо умови змінюються, то змінюються і характер законів, і межі їхньої дії. Отже, закони природи, як і окремі закономірності, треба застосовувати в межах явищ, для яких ці закони й закономірності виведені.

Фундаментальними вважають принцип незнищуваності матерії та руху, закони збереження маси й енергії, кількості руху та електричного заряду, періодичності розвитку. Ці закони є науко­во-теоретичною базою розкриття та кількісного відображення при-чинно-наслідкових зв'язків хімічної форми руху. Вони здійснюють­ся в будь-яких умовах та межах і не можуть бути виведені з інших законів.

Вираженням принципу незнищуваності матерії та руху є закон збереження маси й енергії, суть якого зводиться до того, що сумарні маса та енергія речовин, які вступили в реакцію, завжди дорівнюють сумарним масі та енергії продуктів реакції. М. В. Ломоносов (1748), по суті, сформулював загальний, універсальний закон природи, проте в навчальній літературі кожну з двох частин закону часто розглядають окремо. Хімія здебільшого має справу з законом збереження маси речовини, а фізика — з законом збере­ження енергії.

Закон збереження маси виведено після експериментів А. Л. Лавуазьє (1789): маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися внаслідок реакції. Сьо­годні дехто вважає цей закон неточним, оскільки він не враховує залежності маси від енергетичних ефектів при хімічних реакціях. Дійсно, якщо реагуючу систему не ізолювати, то маса буде вино­ситися з енергією в навколишнє середовище. Для цих умов закон можна вважати приблизним. Але ця втрата маси настільки мала, що її не завжди можна визначити звичайними методами зважу­вання. І тому для хімічних процесів (не ядерних!) маса реагуючих речовин залишається практично незмінною, тобто закон є точним, якщо врахувати межі його застосування. Для цього випадку запро­поноване таке формулювання закону: загальна маса всіх мате­ріальних об'єктів певної ізольованої системи кількісно зали­шається сталою при будь-яких процесах, що відбуваються в цій системі.

Закон збереження та перетворення енергії (Майєр, 1842) формулюється так: енергія не створюється з нічого і не зникає безслідно, а лише перетворюється з однієї форми в іншу в еквівалентних кількостях.

Лебедєв (1899) експериментально довів, що світло здатне чинити тиск і його можна розглядати як один з видів матерії. Подібні досліди наштовхнули Ейнштейна на думку, що між масою тіла та його енергією існує зв'язок.

Е = тс².

Отже, рівняння Ейнштейна (1905) є математичним виразом закону збереження маси та енергії, згідно з яким кожне тіло, яке змінює енергію (ΔЕ), одночасно в еквівалентній кількості змінює свою масу (Δт) і, навпаки, бо

Δт = ΔЕ/с².

Оскільки швидкість світла надзвичайно велика (с = 3 • 10⁸ м/с), то незначні зміни маси повинні викликати значні енергетичні ефекти. Наприклад, при наданні тілу енергії в 1 Дж його маса збільшується всього на 1,11 • 10 ^-14 г (що перебуває за межами чутливості сучасних вимірювальних приладів). Якщо ж відбулося зменшення маси продуктів реакції на 1 г порівняно з масою вихідних речовин (в ядерних реакціях або в реакціях між елемен­тарними частинками), то виділяється колосальна енергія в кіль­кості 9*10¹³ Дж.

Зв'язок маси речовини з рухом виявляється не лише у пасив­ному опорі зміні швидкості, але й у прямій залежності від її швидкості, яку записують рівнянням Лоренца(1894):

де т — маса рухомого тіла; т_о — маса спокою; V —- швидкість руху тіла; с — швидкість світла у вакуумі.

Енергія, надана масі речовини, витрачається не лише на збіль­шення швидкості, але й на приріст маси.

Із фундаментального співвідношення Ейнштейна іноді роблять висновок про можливість перетворення маси в енергію. Але і маса, і енергія — невіддільні властивості матерії: маса — міра її інерції, енергія — міра її руху. Вони не можуть перетворюватися одна в одну. Закон розуміють так, що зміні енергії завжди відповідає зміна маси, та навпаки. Чим більша енергія тіла, тим більша і його маса. Рухоме або нагріте тіло має не тільки більшу енергію, але й більшу масу.

Енергетичні масштаби ядерних реакцій в мільйони разів пере­вищують масштаби звичайних хімічних реакцій. Зрозуміло, що в цих випадках можна чітко виявити зміну мас компонентів реакції. Для ядерних реакцій закон був підтверджений дослідженням взаємодії протонів з ядрами Літію. Зіткнення ядра Літію з протоном приводить до утворення двох ядер Гелію (α-частинок):

причому сума власних мас ядра Літію та протону (8,0263 а.о.м.) більша від власних мас двох α-частинок (8,0078 а.о.м.), що свідчить про дефект маси. Однак його не слід трактувати як порушення закону, оскільки не була врахована релятивістська маса. Маса кожної частинки, що рухається з величезною швидкістю (порядку 2*10⁷ м/с),

що відповідає точному збереженню маси.

Були відкриті також закони збереження кількості руху, або імпульсу: р = тV (Ейлер, 1746), та заряду (Франклін, 1750). Вони є окремими випадками загального закону збереження матерії.

Алгебрична сума імпульсів (або зарядів) будь-якої ізольова­ної системи залишається сталою:Це твердження абсолютне без винятків і тому є фундаментальним законом.

Законам періодичності розвитку підлягають системи елемен­тарних частинок, ядер атомів, електронних оболонок атомів, хіміч­них сполук тощо.