Print bookPrint book

§ 5. Основные законы химии. Закон постоянства состава вещества. Закон сохранения массы веществ

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 5. Основные законы химии. Закон постоянства состава вещества. Закон сохранения массы веществ
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 18 May 2024, 4:11 AM

Фундаментальные законы химии позволяют описывать качественный и количественный состав веществ, а также изменения состава в ходе химических превращений. Без знания этих законов невозможны химический анализ состава вещества, вычисление количеств реагентов для проведения химических реакций в промышленности и в лаборатории, определение выхода продуктов.

Закон постоянства состава вещества

Закон постоянства состава вещества был установлен французским учёным Ж. Прустом в 1801 году.

В современной формулировке закон гласит: всякое химически чистое вещество молекулярного строения независимо от способа получения имеет постоянный состав, то есть состоит из одних и тех же химических элементов, атомы которых находятся в постоянных для данного вещества количественных соотношениях.

Закон Пруста указывает на то, что состав индивидуального чистого вещества может быть описан определённой химической формулой. Например, каким бы способом ни получали углекислый газ (сжиганием угля, действием кислоты на мрамор, окислением метана), массовая доля углерода в нём составляет 27,27 %, кислорода — 72,73 %; массы углерода и кислорода соотносятся как: 27,27 : 72,73 = 3 : 8. Соотношение их количеств: begin mathsize 14px style 3 over 12 space colon space 8 over 16 equals 1 space colon space 2 end style. Следовательно, в веществе на один атом углерода приходится два атома кислорода, то есть химическая формула CO2.

Покажем, как определить формулу вещества в более сложных случаях (пример 1).

Пример 1. В результате анализа органического вещества установили, что массовые доли углерода, водорода и кислорода в нём соответственно равны 44,78 %, 7,46 % и 47,76 %. Определите формулу вещества.

Дано:

ω(С) = 44,78 %

ω(Н) = 7,46 %

ω(О) = 47,76 %

СxНyOz — ?

Решение

Пусть масса порции данного вещества равна 100 г, тогда массы элементов будут равны:

m(С) = 44,78 г; m(Н) = 7,46 г;

m(O) = 47,76 г, и их количества:

n left parenthesis straight C right parenthesis equals fraction numerator 44 comma 78 space straight г over denominator 12 space straight г divided by моль end fraction almost equal to 3 comma 73 space моль comma

n left parenthesis straight H right parenthesis equals fraction numerator 7 comma 46 space straight г over denominator 1 space straight г divided by моль end fraction almost equal to 7 comma 46 space моль comma

n left parenthesis straight O right parenthesis equals fraction numerator 47 comma 76 space straight г over denominator 16 space straight г divided by моль end fraction almost equal to 2 comma 99 space моль.

Индексы в химической формуле показывают соотношение как отдельных атомов, так и их количеств. Найдём соотношение количеств атомов:

х : у : z = n(С) : n(Н) : n(O) = 3,73 моль : 7,46 моль : 2,99 моль = 3,73 : 7,46 : 2,99.

Определим индексы x, y и z. Для этого каждое из найденных чисел разделим на наименьшее из них, то есть на 2,99, а затем умножим на 4 для получения целочисленных значений:

x : y : z = 1,25 : 2,5 : 1 = 5 : 10 : 4.

Следовательно, простейшая формула вещества С5Н10O4.

Ответ: С5Н10O4.

Таким образом, знание массовых долей элементов в веществе или их масс в определённой порции вещества позволяет установить формулу вещества.

В случае некоторых веществ немолекулярного строения закон постоянства состава справедлив лишь приблизительно. Их состав может в определённых пределах варьироваться в зависимости от условий синтеза или обработки вещества.

img

Для веществ немолекулярного строения имеются отклонения от закона, которые не могли быть выявлены в XVII–XIX веках из-за отсутствия точных методов анализа. Так, оксид железа(II) имеет состав в интервале Fe0,89O—Fe0,95O, оксид титана(III) — Ti2O2,6—Ti2O3,4. Одна из причин нарушения состава кроется в дефектах, возникающих при формировании кристаллов немолекулярных веществ. Такие соединения названы нестехиометрическими, или бертоллидами, в честь французского химика К. Бертолле. В случае крайне малых отклонений от постоянства состава соотношения атомов в соединениях практически целочисленны, а сами соединения относят к стехиометрическим и называют дальтонидами в честь Дж. Дальтона — одного из основоположников атомно-молекулярного учения (например, хлорид калия, оксид кальция).

Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы веществ позволяет вычислять массы веществ, вступающих в реакцию или образующихся в результате её протекания.

Напомним, что процесс превращения одних веществ в другие без изменения общего числа и природы атомов, из которых эти вещества состоят, называют химической реакцией. Вступающие в химическую реакцию вещества — это реагенты, а образующиеся в результате химической реакции вещества — это продукты.

Протекание химических реакций подчиняется закону сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

Действие закона можно показать на следующем примере. Если закрытую колбу с небольшим количеством фосфора взвесить, а затем нагреть, то фосфор загорается ярким пламенем, а колба наполняется белым дымом. Повторное взвешивание показывает, что общая масса колбы с содержимым не изменилась (рис. 10).

Рис. 10. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы вещества
Рис. 10. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы вещества

С позиции атомно-молекулярного учения закон можно объяснить тем, что при химических реакциях атомы не исчезают и не возникают вновь, их общее число остаётся неизменным, а значит, и суммарные массы веществ до и после реакции одинаковы.

img

Большой вклад в экспериментальное доказательство закона сохранения массы веществ внесли опыты русского учёного М. В. Ломоносова и французского химика А. Лавуазье (2-я половина XVIII в.) по измерению массы исходных веществ и массы получаемых из них продуктов.

Покажем, как можно использовать закон сохранения массы веществ для количественных расчётов по уравнениям реакций на примере горения метана в кислороде с образованием воды и углекислого газа.

Схема этой реакции:

СН subscript 4 space plus space straight О subscript 2 space rightwards arrow space straight Н subscript 2 straight О space plus space СО subscript 2.

Перед формулами поставим коэффициенты, которые должны уравнять число атомов реагентов и продуктов:

СН subscript 4 space plus space 2 straight О subscript 2 space equals space 2 straight Н subscript 2 straight О space plus space СО subscript 2.

Это уравнение свидетельствует о том, что образование одной молекулы углекислого газа и двух молекул воды происходит, если одна молекула метана прореагирует с двумя молекулами кислорода. Коэффициенты показывают, в каком мольном соотношении реагируют вещества и образуются продукты. Так, из составленного уравнения реакции видно, что если в реакцию вступает 1 моль метана, то на его сжигание расходуется 2 моль кислорода, в результате образуются 2 моль воды и 1 моль углекислого газа.

С учётом этих количественных соотношений можно рассчитать массу (количество, объём) реагентов, необходимых для получения определённого количества продуктов, и наоборот — продуктов по исходным веществам.

Пример 2. Определите массу сульфата алюминия, образовавшегося при полном растворении алюминия массой 13,5 г в разбавленной серной кислоте.

Дано:

m(Аl) = 13,5 г

m(Al2(SО4)3) — ?

Решение

M(Al) = 27 г/моль; M(Al2(SO4)3) = 342 г/моль.

Количество алюминия, вступившего в химическую реакцию:

n left parenthesis Al right parenthesis equals fraction numerator m left parenthesis Al right parenthesis over denominator M left parenthesis Al right parenthesis end fraction equals fraction numerator 13 comma 5 space straight г over denominator 27 space straight г divided by моль end fraction equals 0 comma 5 space моль.

С учётом в уравнении реакции коэффициентов имеем:

stack 2 Al with 2 space моль below and 0 comma 5 space моль on top space plus space 3 straight H subscript 2 SО subscript 4 space equals space stack Al subscript 2 left parenthesis SO subscript 4 right parenthesis subscript 3 with 1 space моль below and x space моль on top space plus space 3 straight H subscript 2 upwards arrow comma

откуда

x equals fraction numerator 1 space times space 0 comma 5 over denominator 2 end fraction space equals space 0 comma 25, то есть n(Al2(SO4)3) = 0,25 моль. 

Масса соли:

m(Al2(SO4)3) = n(Al2(SO4)3) ∙ M(Al2(SO4)3) = 0,25 моль ∙ 342 г/моль = 85,5 г.

Ответ: m(Al2(SO4)3) = 85,5 г.

Пример 3. При горении магния массой 1,2 г образовался его оксид массой 2 г. Определите объём кислорода (н. у.), израсходованного на горение магния.

Решить такую задачу можно как с помощью уравнения реакции, так и без него. Рассмотрим второй способ.

Дано:

m(Mg) = 1,2 г

m(MgO) = 2 г

V(O2) — ?

Решение

Согласно закону сохранения массы веществ, масса образовавшихся веществ равна массе веществ, вступивших в химическую реакцию:

m left parenthesis Mg right parenthesis space plus space m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space m left parenthesis MgO right parenthesis.

Поэтому масса кислорода равна:

m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space m left parenthesis MgO right parenthesis space – space m left parenthesis Mg right parenthesis space equals space 2 space straight г space – space 1 comma 2 space straight г space equals space 0 comma 8 space straight г comma

а его количество составляет:

n left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space fraction numerator m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis over denominator M left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis end fraction space equals space fraction numerator 0 comma 8 space straight г over denominator 32 space straight г divided by моль end fraction space equals space 0 comma 025 space моль.

Объём кислорода равен:

V left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space n left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space times space V subscript m italic space equals space 0 comma 025 space моль space times space 22 comma 4 space дм cubed divided by моль space equals space 0 comma 56 space дм cubed.

Ответ: V(O2) = 0,56 дм3.

Всякое химически чистое вещество молекулярного строения независимо от способа получения имеет постоянный состав.

Вещества немолекулярного строения не всегда имеют постоянный состав.

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

Вопросы, задания, задачи

1. Сформулируйте основные законы химии, описывающие качественный и количественный состав веществ, а также изменения этого состава в ходе химических превращений.

2. В результате реакции разложения карбоната кальция при его прокаливании произошло уменьшение массы твёрдого вещества. Что, кроме массы твёрдого продукта, нужно измерить для подтверждения закона сохранения массы веществ?

3. Как и почему изменяется масса порции железных опилок при их хранении на воздухе?

4. Расставьте коэффициенты в схемах реакций:

  • С2Н2 + О2 → СО2 + Н2О;
  • Аl2О3 + H2SO4 → Аl2(SO4)3 + H2O;
  • Аl + HCl → AlCl3 + H2;
  • Fe + Cl2 → FeCl3.

5. На электронные весы поставили два стакана, содержащие питьевую соду и соляную кислоту. Затем, сняв стаканы с весов, осторожно пересыпали порошок соды в стакан с кислотой, после чего оба стакана снова поставили на весы. Как изменилось показание на табло весов?

6. Определите массу хлорида железа(III), образовавшегося при горении железа массой 2,8 г в хлоре.

7. Определите объём воздуха (н. у.), который необходим для обжига пирита FeS2 массой 1,2 кг. Обжиг пирита на воздухе протекает по схеме: FeS2 + О2 → Fe2О3 + SO2.

8. Чему равна масса соли, полученной при взаимодействии раствора, содержащего 10 г гидроксида натрия, с раствором, в котором содержится 10 г хлороводорода?

9. Определите химическую формулу вещества, в котором:

  • а) массовые доли железа и кислорода соответственно равны 72,4 % и 27,6 %;
  • б) соотношение масс кальция, азота и кислорода равно 10 : 7 : 24;
  • в) на 1,83 г оксида хлора приходится 0,71 г хлора;
  • г) массовые доли натрия, серы и кислорода равны 0,365, 0,254 и 0,381 соответственно.

10. Смесь оксидов магния и кальция массой 1,04 г растворили в азотной кислоте. При этом образовалась смесь нитратов массой 3,2 г. Вычислите массу каждого из оксидов.

Повышенный уровень

*Самоконтроль

1. Закон сохранения массы веществ в химических реакциях используется:

  • а) при вычислении относительной молекулярной массы;
  • б) при расстановке коэффициентов в уравнениях реакций;
  • в) в расчётах по уравнениям реакций;
  • г) при составлении химической формулы по валентности.

2. Правильно расставлены коэффициенты в уравнениях реакций:

  • а) Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O;
  • б) 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2↑;
  • в) 4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3;
  • г) С4Н10 + 6О2 = 4СО2 + 5Н2О.

3. Назовите вещества, масса которых увеличивается при прокаливании в открытом сосуде:

  • а) Cu;
  • б) Fe;
  • в) CаСО3;
  • г) Рb.

4. Массовые доли элементов в бинарном соединении равны. Химическая формула соединения:

  • а) NO;
  • б) СО;
  • в) SO2;
  • г) SO3.

5. Нестехиометрический состав могут иметь соединения:

  • а) NH3;
  • б) FeО;
  • в) NiO;
  • г) CO.