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

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).