2.2. Закон постоянства состава вещества

Закон постоянства состава появился в результате длительного спора (1801–1808 гг.) французских химиков Ж. Л. Пруста, считавшего, что отношения между элементами, образующими соединения, должны быть постоянными, и К. Л. Бертолле, который считал, что состав химических соединений является переменным. С помощью тщательных анализов в 1799–1806 гг. Пруст установил, что отношение количеств элементов в составе соединения всегда постоянно. Он доказал, что Бертолле сделал свои выводы о различном составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, а не индивидуальные вещества.

В 1806 г. Пруст писал: «Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав. Природа, даже через посредство людей, никогда не производит соединения иначе, как с весами в руках – по весу и мере. От одного полюса к другому соединения имеют тождественный состав. Их внешний вид может различаться в зависимости от способа их сложения, но их свойства никогда не бывают различными. Никакой разницы мы не видим между окисью железа южного полушария и северного; японская киноварь имеет тот же состав, как испанская киноварь; хлористое серебро совершенно тождественно, происходит ли оно из Перу или из Сибири; во всем свете имеется только один хлористый натрий, одна селитра, одна сернокальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ подтверждает эти факты на каждом шагу». (указать источник)

Закон постоянства состава (постоянных отношений) в итоге был признан большинством химиков, и дискуссия завершилась блестящей победой Пруста.

Согласно этому закону,

каждое химически чистое вещество (соединение) независимо от способа его получения и местонахождения обладает определенным элементным составом.

Под химически чистым веществом подразумевается вещество, в котором химическим путем нельзя обнаружить примеси.

По современным представлениям, закон постоянства состава имеет границы применения.

1. Постоянен лишь атомный состав вещества, т. е. отношение числа атомов элементов (массовый состав – отношение масс элементов – не является постоянным). Это объясняется существованием изотопов (от греч. ισος– равный, одинаковый и τόπος– место) – ядер атомов, содержащих одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, и поэтому имеющих разную атомную массу.

Пример 2.2. Рассмотрим молекулы воды, содержащие разные изотопы водорода:

– Н₂О (молекула содержит изотоп протий с атомной массой 1 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 1 : 8;

– D₂О (молекула содержит изотоп дейтерий с атомной массой 2 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 1 : 4;

– Т₂О (молекула содержит изотоп тритий с атомной массой 3 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 3 : 8.

Таким образом, массовый состав молекул разный, тогда как атомный состав один и тот же – n(Н) : n(О) = 2 : 1.

2. Закону постоянства состава подчиняются лишь вещества с молекулярной структурой.

Рассмотрим несколько примеров веществ.

– Жидкие и твердые растворы. Очевидно, растворы являются химическими соединениями, т. к. свойства раствора не складываются из свойств его компонентов. Причем свойства раствора зависят от относительных количеств взятых веществ. Таким образом, закон постоянства состава не применим к жидким и твердым растворам.

– Твердые вещества с атомными кристаллическими решетками – неметаллическими (например, карбид кремния SiC) и металлическими (например, танталдиванадий V₂Ta).

Пусть мы имеем 10^–7 моль подобного вещества в виде очень маленького монокристалла. Значит ли это, что в таком кристалле SiC (масса его всего 4 мкг) находится точно по 10^–7 моль атомов кремния и углерода? Или в кристаллеV₂Ta на 210^–7 моль атомов ванадия приходится точно 110^–7 моль атомов тантала? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что 10^–7 моль – это около 6·10¹⁶ атомов! Очевидно, что в зависимости от условий получения подобных веществ, они будут содержать избыток того или другого элемента. Это отклонение от стехиометрии может быть существенным, как в случае соединения V₂Ta, в котором содержание тантала может меняться от 31 до 37 ат.% Ta (стехиометрический состав 33 1/3 ат.% Ta). Отклонение может быть так мало, что не устанавливается современными средствами измерений и практически не сказывается на свойствах, с ним надо считаться только в теоретическом плане, как в случае SiC.

– Ионные кристаллы (например, хлорид натрия NaCl, сульфид железа (II) FeS, оксиды железа). Очевидно, все вышесказанное относится и к таким веществам – в зависимости от условий получения для них также наблюдаются отклонения от стехиометрии. Например, кристалл хлорида натрия, нагретый в парах металлического натрия, поглощает последний так, что ν(Na⁺)/ν(Cl^–) становится больше 1, при этом кристалл синеет и становится электронным полупроводником; его плотность уменьшается.

Область составов, в которой существует данное химическое соединение, называется областью его гомогенности.

Так, область гомогенности (от греч. ὁμός – равный, одинаковый; γένω – рождать; homogenes – однородный) Va₂Ta составляет 31–37 ат.% Ta, NaCl – 50,00–50,05 ат.% Na и т. д. В этих случаях стехиометрический состав находится внутри области гомогенности; такие соединения называются стехиометрическими (или дальтонидами в честь Дж. Дальтона, или двусторонними фазами).

Существуют и соединения, стехиометрический состав которых находится вне области гомогенности, иными словами, при стехиометрическом составе они не существуют. Такие соединения называются нестехиометрическими (или бертоллидами в честь К. Л. Бертолле, или односторонними фазами). Примерами бертоллидов могут служить оксид железа (II) – вюстит (область гомогенности его составляет 43–48 ат.% Fe, что отвечает формуле Fe_{(0,84–0,96)}О или FeO_{(1,02–1,19)}); сульфид железа (II) FeS (область гомогенности его 47,5–49,85 ат.% Fe, что отвечает формуле FeS_{(1,003–1,05)}).

Задание для самостоятельной работы. Заполните таблицу, используя дополнительную литературу:

Соединение	Тип кристаллической решетки	Стехиометрический состав	Область гомогенности	Тип соединения
V2Та	металлическая	33 1/3 ат.% Та	31–37 ат.% Та	стехиометрическое
BaH2
Cu2S
FeO
FeSi2
MoC
NaCl
NaH
NaWO3
NiO
PbS
SiC
TaH
TiC
ZrN
ВiТl
ТiО
ТiО2

Итак, кристаллические вещества атомного и ионного строения не подчиняются закону постоянства состава. Нестехиометрический состав таких соединений обеспечивается образованием дефектов кристаллической структуры.

– Вещества, построенные из молекул.

В качестве примера возьмем воду. Вода различных источников имеет разные свойства (например, плотность, табл. 1.1), т. к. имеет разный изотопный состав, в основном изменяется содержание протия и дейтерия. Присутствие тяжелой воды D₂O можно считать примесью к обычной воде и предположить, что в отсутствие этой примеси свойства воды станут независимыми от способа и источника получения. Вещество вода, как и любое другое вещество, в силу содержания примесей, имеет переменный состав и в этом смысле не подчиняется закону постоянства состава.

Таблица 1.1