1.3. Основные законы химии

Атомы и молекулы вступают друг с другом в химическое взаимодействие в определенных количественных соотношениях, называемых стехиометрическими. Выражающие эти соотношения коэффициенты в химических уравнениях называются стехиометрическими коэффициентами. В основе стехиометрии лежат четыре закона: закон сохранения массы, закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон эквивалентов.

Рис.1.3.1.

Основные законы атомно-молекулярного учения (АМУ) разработаны для веществ с постоянным составом (дальтониды), которые обладают молекулярной структурой. Но существуют и соединения с переменным составом, отличающимся от стехиометрического (бертоллиды).

1.3.1. Закон сохранения массы и энергии был сформулирован и экспериментально обоснован Ломоносовым М.В. в 1756-1759 г.г. В современном виде этот закон формулируют следующим образом: "В изолированной системе сумма масс и энергий постоянна". А в устах Ломоносова в 1748 г. он гласил: "Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте".

На законе постоянства массы основано количественное изучение реакций между отдельными веществами.

Рис.1.3.2.

1.3.2. Закон постоянства состава впервые сформулирован Прустом (Франция 1801-1808). Всякое химически индивидуальное вещество имеет всегда один и тот же количественный состав независимо от способа получения.

1.3.3. Закон кратных отношений сформулирован Дальтоном (1808). Если два вещества образуют между собой несколько соединений, то количество одного из них, отнесенное к одному и тому же количеству другого, относятся как небольшие целые числа. Возьмем, например, соединения азота с кислородом:

Соединение	N2O	NO	N2O3	NO2	N2O5
Количество азота	1	1	1	1	1
Количество кислорода	0,57	1,14	1,71	2,28	2,85
Отношение между количества	0,57	: 1,14	: 1,71	: 2,28	: 2,85
ми кислорода в соединениях	1	: 2	: 3	: 4	: 5

Этот закон подтверждает атомистические представления. В самом деле, наименьшее количество элемента, вступающее в соединение, это атом. А значит в соединение может вступать только целое число атомов, а не дробное.

Рис.1.3.3.

1.3.4. Закон Авогадро (1811 г.) гласит: "В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул".

1.3.5. Закон эквивалентов.

Изучение массовых отношений, в которых одни вещества взаимодействуют с другими, привело к открытию (Волластон, 1804 г.) закона эквивалентов.

Массы реагирующих друг с другом веществ (m₁ и m₂) пропорциональны их эквивалентным массам М_Э(1) и М_Э(2):

Рис.1.3.4.

Эквивалентом называется реальная или условная частица, которая соединяется с одним атомом или ионом водорода, либо замещает его. При этом под реальными частицами понимают атомы, молекулы или ионы, а под условными – их части, например, ½ атома кислорода, ½ иона Сu²⁺, 1/3 молекулы Н₃РО₄ и т.д.

Масса такой частицы называется эквивалентной массой. Она выражается в тех же относительных (углеродных) единицах, в которых выражаются массы атомов и молекул.

Из определения следует, что эквивалент и эквивалентная масса – относительные величины, причем за эталон взят водород, эквивалент которого – его атом, а эквивалентная масса равна единице.

Например, хлор соединяется с водородом атом с атомом (НСl), следовательно, эквивалентом хлора является его атом, а эквивалентная масса хлора масса хлора равна 35,5. Кислород с водородом образует два соединения – Н₂О₂ (пероксид водорода) и Н₂О (вода). В первом соединении эквивалентом кислорода является его атом и эквивалентная масса равна 16; во втором же соединении эквивалентом кислорода является ½ атома и эквивалентная масса равна 8.

Масса одного моль таких частиц (6,02^.10²³) называется молярной массой эквивалента; численно она равна эквивалентной массе, выраженной в граммах.

Тест 1.3.

Упражнение. 1,215 г металла вытесняют из серной кислоты 1,12 л водорода при н.у. Рассчитать эквивалентную массу металла.

Решение. Рассчитаем массу водорода, исходя из пропорции:

22,4 л – 2 г водорода

1,12 л – m(H₂) ^Г

Рассчитаем эквивалентную массу металла, исходя из закона эквивалентов:

М_Э(Ме)=