Закон постоянства состава практическое применение. Закон постоянства состава: формулировка, примеры, значение

Закон сохранения массы веществ

Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (А.Эйнштейн, 1905 г.), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия DE связана с увеличением его массы Dmсоотношением DE = Dm x c2 , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы на ~10-11 г и Dm практически не может быть измерено. В ядерных реакциях, где DЕ в ~106 раз больше, чем в химических реакциях, Dm следует учитывать.

Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и

по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.

Закон постоянства состава

Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения.

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных массовых соотношениях.

Пример.

CuS - сульфид меди. m(Cu) : m(S) = Ar(Cu) : Ar(S) = 64: 32 = 2: 1

Чтобы получить сульфид меди (CuS) необходимо смешать порошки меди и серы в массовых отношениях 2: 1.

Если взятые количества исходных веществ не соответствуют их соотношению в химической формуле соединения, одно из них останется в избытке.

Например , если взять 3 г меди и 1 г серы, то после реакции останется 1 г меди, который не вступил в химическую реакцию. Вещества немолекулярного строения не обладают строго постоянным составом. Их состав зависит от условий получения.

Массовая доля элемента w (Э) показывает, какую часть составляет масса данного элемента от всей массы вещества: где n - число атомов; Ar(Э) - относительная атомная масса элемента; Mr - относительная молекулярная масса вещества.

w(Э) = (n x Ar(Э)) / Mr

Зная количественный элементный состав соединения можно установить его простейшую молекулярную формулу:

1. Обозначают формулу соединения Ax By Cz

2. Рассчитывают отношение X: Y: Z через массовые доли элементов:

w(A) = (х x Ar(А)) / Mr(AxByCz)

w(B) = (y x Ar(B)) / Mr(AxByCz)

w(C) = (z x Ar(C)) / Mr(AxByCz)

X = (w(A) x Mr) / Ar(А)

Y = (w(B) x Mr) / Ar(B)

Z = (w(C) x Mr) / Ar(C)

x: y: z = (w(A) / Ar(А)) : (w(B) / Ar(B)) : (w(C) / Ar(C))

3. Полученные цифры делят на наименьшее для получения целых чисел X, Y, Z.

4. Записывают формулу соединения.

Уже к началу XIX в. накопилось много данных о составе отдельных веществ и их изменениях. Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношения элементов в соединениях. Французский химик Ж. Пруст (1754–1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава – один из основных законов химии.

Согласно закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав .

Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения, Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую часть серы и одну весовую часть кислорода.

Закон постоянства состава веществ был установлен в результате семилетнего спора между Прустом и его оппонентом, французским химиком К. Бертолле (1748–1822), утверждавшим, что состав соединений зависит от способа их получения.

Бертолле в результате анализа растворов, которые он считал химическими соединениями, сделал общий вывод о существовании химических соединений переменного состава. Получалось, что два элемента могут образовать непрерывный ряд соединений с изменяющимися свойствами и составом.

Пруст утверждал, что состав чистого вещества всегда один и тот же, любое химическое вещество имеет всегда одни и те же свойства, одинаковую температуру плавления, кипения, удельный вес. Пруст заявлял, что природа даже через посредство людей никогда не производит соединений иначе, как только по весу и мере. Одни и те же соединения имеют всегда тождественный состав. Внешний их вид может быть различен, но свойства – никогда. Нет разницы между окисью железа из южного полушария и из северного, хлористое серебро из Перу совершенно тождественно хлористому серебру из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра и т.д. Проделав в течение 1799–1887 гг. массу анализов, Пруст доказал справедливость своих выводов.

Дальнейшее развитие химии показало, что закон постоянства состава характеризует соединения с молекулярной структурой, состав же соединений с немолекулярной структурой (атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

В начале XX в. русский химик Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава. В дальнейшем было выяснено, что соединения переменного состава встречаются также среди оксидов, соединений металлов с серой, азотом, углеродом, водородом а также – среди других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру. Вещества переменного состава были названы бертоллидами , в отличие от соединений постоянного состава –дальтонидов . Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав. Так, в диоксиде титанаTiO 2 на единицу массы титана может приходиться от0,65 до0,67 единиц массы кислорода, что соответствует формулеТi O 1,9 – 2,0 ( таб.4.1 ).

Таблица 4.1

Таким образом, закон постоянства состава, в отличие от закона сохранения массы вещества, не является столь всеобщим. Однако для своего времени закон постоянства состава имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое отношение серы и кислорода всегда 1:1 , а не1,1:0,9 или0,95:1.05 ?  Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (эти частицы впоследствии были названы молекулами).

I. НОВЫЙ МАТЕРИАЛ

К основным законам химии относится закон постоянства состава:

Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Ж.Пруст в 1808 г

Он писал: "От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь".

В этой формулировке закона, как и в приведенной выше, подчеркивается постоянство состава соединения независимо от способа получения и места нахождения.

Чтобы получить сульфид железа(II), мы смешивали железо и серу в соотношении 7:4. . Если смешать их в другой пропорции, например 10:4, то химическая реакция произойдет, но 3 г железа в реакцию не вступит. Почему наблюдается такая закономерность? Известно, что в сульфиде железа(II) на каждый один атом железа приходится один атом серы (демонстрация кристаллической решетки, рис.). Следовательно, для реакции нужно брать вещества в таких массовых соотношениях, чтобы сохранялось соотношение атомов железа и серы (1:1). Поскольку численные значения атомных масс Fe, S и их относительных атомных масс A r (Fe), A r (S) совпадают, можно записать:A r (Fe):A r (S) = 56:32 = 7:4.
Отношение 7:4 сохраняется постоянно, в каких бы единицах массы ни выражать массу веществ (г, кг, т, а.е.м.). Большинство химических веществ обладает постоянным составом.

Рис. Кристаллическая решетка сульфида железа(II)

Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона), вторые - бертоллидами (в память французского химика Бертолле, предвидевшего такие соединения). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например Н 2 О, НCl, ССl 4 , СO 2 . Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям.

В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение.

Cостав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, - является постоянным независимо от способа получения. Состав же соединений с немолекулярной структурой (с атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

II. На основе закона постоянства состава можно производить различные расчёты.

Задача №1
В каких массовых отношениях соединяются химические элементы в серной кислоте, химическая формула которой H 2 SO 4 ?

Решение:

Ar(H)=1, Ar(S)=32, Ar(O)=16.
Определим массовые отношения этих элементов в формуле H 2 SO 4
m(H) : m(S) : m(O) = 2Ar(H) : Ar(S) : 4Ar(O) = 2: 32: 64 = 1: 16: 32

Таким образом, чтобы получить 49 г серной кислоты (1+16+32=49), необходимо взять 1 г - Н, 16 г - S и 32 г - О.

Задача №2
Водород соединяется с серой в массовых отношениях 1: 16. Используя данные об относительных атомных массах этих элементов, выведите химическую формулу сероводорода.

Решение:
Используя ПСХЭ найдём относительные атомные массы химических элементов:
Ar(H)=1, Ar(S)=32.
Обозначим количество атомов водорода в формуле - х, а серы - у: Н х S у
m(H) : m(S) = хAr(H) : уAr(S)= х1: у32 = (2*1) : (1*32) = 2: 32 = 1: 16
Следовательно, формула сероводорода Н 2 S

Задача №3
Выведите формулу сульфата меди, если массовые отношения в нём меди, серы и кислорода соответственно равны 2:1:2?

Решение:
Используя ПСХЭ найдём относительные атомные массы химических элементов:
Ar(Cu)=64, Ar(S)=32, Ar(O)=16.
Обозначим количество атомов меди в формуле - х, серы - у, а кислорода - z: Cu x S y O z
m(Cu) : m(S) : m(O) = хAr(Cu) : уAr(S) : zAr(O) = x64: y32: z16 = (1*64) : (1*32) : (4*16) = 64:32:64 = 2:1:2

III. РЕШИТЕ ЗАДАЧИ

№1. Применяя сведения об относительных атомных массах химических элементов, вычислите массовые отношения элементов в угольной кислоте, химическая формула которой H 2 CO 3 .

№2. Определите массу кислорода, реагирующего без остатка с 3 г водорода, если водород и кислород в данном случае соединяются соответственно в соотношении 1: 8?

№3. Углерод и кислород в углекислом газе соединяются в массовых отношениях 3: 8.
Выведите химическую формулу углекислого газа

№4. Определите массу водорода, реагирующего без остатка с 48 г кислорода, если водород и кислород в данном случае соединяются в соотношеннии 1:8.

Закон постоянства состава вещества является одним из главных законов химии. Он вытекает из атомно-молекулярного учения. Его суть заключается в том, что вещества состоят из одних и тех же молекул, потому и состав таких веществ постоянен.

Общие сведения

Француз Ж. Пруст – ученый, открывший закон постоянства состава химического соединения. Произошло это в 1808 году.

Рис. 1. Портрет Жозефа Луи Пруста

Современная формулировка закона заключается в следующем: всякое чистое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

Чистое вещество в данном случае – вещество, в котором отсутствует даже малое количество примеси.

Рис. 2. Формула закона постоянства состава вещества

Данный закон правдив лишь для элементов с молекулярной структурой.

При образовании из двух элементов нескольких соединений атомы этих элементов соединяются друг с другом в молекулы различного, но определенного состава. Например, азот с кислородом образует шесть соединений.

Закон постоянства состава вещества имеет значимое практическое значение. Он позволяет выводить химические формулы.

Соединения постоянного и переменного состава

Русский ученый Н.С. Курнаков в начале XX века обнаружил соединения переменного состава при изучении сплавов металлов. В них на одну единицу массы элемента может приходиться различная масса другого элемента. При рассмотрении соединения висмута с таллием на 1 единицу массы таллия приходится от 1,24 до 1,82 единиц массы висмута.

Курнаков предложил соединения постоянного состава назвать дальтонидами, а соединения переменного состава – бертоллидами.

Рис. 3. Вещества по составу

Дальтониды были названы в честь английского ученого Дальтона, а бертоллиды – в честь французского химика Бертолле, который предвидел такие соединения.

Во второй четверти 20 века обнаружилось, что соединения переменного состава могут встретиться не только среди соединений металлов друг с другом, но и среди других твердых тел, например оксидов, сульфидов, карбидов и т.д.

Уточненная формулировка закона постоянства вещества

Для многих бертоллидов существуют границы, в пределах которых может изменяться их состав. Например,

оксид урана (IV) имеет состав от UO 2,5 до UO 3 , оксид ванадия (II) – от VO 0,9 до VO 1,3 .

Таким образом, имеет смысл внести уточнения в существующую формулировку закона постоянства состава:

Состав соединений молекулярной структуры, т.е. состоящих из молекул, является постоянным независимо от способа получения. Если состав соединений имеет немолекулярную структуру (а, например, атомную, ионную), то он не является постоянным и зависит от условий получения.

Что мы узнали?

В учебнике химии 8 класса кратко раскрывается определение закона постоянства состава вещества, дается его четкая формулировка, а также рассматриваются соединения переменного и постоянного состава. В данной теме раскрываются все эти аспекты, а также дается определение дальтонидам и бертоллидам.

Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный количественный и качественный состав.

Качественный состав вещества показывает, из атомов каких элементов построены его молекулы. Количественный состав показывает, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы (формульной единицы) вещества или массовую долю элемента в веществе. Например, молекулы аммиака (NH 3) состоят из атомов химических элементов азота (N) и водорода (Н). Это качественный состав. Причем, одна молекула состоит из трех атомов Н и одного атома N. Это количественный состав. Аммиак мы можем получить многими способами:

1. N 2 + 3H 2 = 2NH 3 ;

2. NH 4 NO 3 + NaOH = NaNO 3 + H 2 O + NH 3 ;

3. NH 4 Cl NH 3 + HCl.

Однако, согласно закону постоянства состава, независимо от способа получения, молекула NH 3 всегда будет состоять из одного атома N и трех атомов Н.

Закон постоянства состава вещества всегда выполняется лишь для веществ молекулярной структуры, т.е. для всех жидкостей, газов и твердых веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку.

Для твердых веществ, имеющих атомную, ионную или металлическую кристаллическую решетку закон постоянства состава вещества часто не выполняется. Это обусловлено двумя причинами:

1. Наличием в узлах кристаллической решетки чужеродных атомов или ионов в виде примесей.

2. Наличием в кристаллической решетке различных дефектов, например, вакансий или пустот.

Количество таких дефектов, число и вид чужеродных примесных включений в кристаллической решетке вещества в этом случае будет зависеть от способа его получения. А, значит, от способа получения вещества будет зависеть и его состав.

Из закона постоянства состава вытекает важный вывод:

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, а также соотношения между их химическим количеством постоянны и не зависят от способа получения этого соединения и от его имеющегося количества.

В связи с этим становится возможным определять эмпирические или простейшие формулы веществ на основании значений массовых долей химических элементов, входящих в их состав. Для веществ немолекулярного строения в роли эмпирических формул выступают их формульные единицы.

Закон кратных отношений

Если два элемента образуют между собой несколько молекулярных соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Пример 1. Найдем эмпирическую формулу вещества, состоящего из атомов натрия, фосфора и кислорода, массовые доли, которых в нем составляют, соответственно: 42,073%; 18,903% и 39,024%.

Дано:

ω,%(Na) = 42,073; ω,%(P) = 18,903; ω,%(O) = 39,024.

Найти: Эмпирическую формулу Na x P y O z - ?

Решение:

Массовые доли элементов (Э), выраженные в %, численно соответствуют массе атомов этих элементов m(Э) в 100 граммах вещества. Следовательно, если у нас имеется 100 г вещества, то массы содержащихся в нём элементов Na, P и О будут соответственно равны 42,073 г; 18,903 г и 39,024 г. Воспользуемся отношением

, где

n(Э) – количество вещества; число моль атомов элемента Э, моль;

m(Э) – масса атомов химического элемента, г;

M(Э) – масса одного моль атомов химического элемента Э, г/моль.

.

В одном моль вещества число моль атомов каждого элемента (n(Na), n(P), n(O)) будет целым числом, но соотношение между ними будет такое же, как и в 100 граммах вещества. Представим в связи с этим соотношение между n(Na), n(P) и n(O) как соотношение простых целых чисел, наблюдающееся в одном моль вещества.

n(Na) : n(P) : n(O) = 1,8: 0,6: 2,4

Разделим каждый член этого соотношения на 0,6.

n (Na) : n (P) : n (O) = 1,8/0,6: 0,6/ 0,6: 2,4/ 0,6 = 3: 1: 4.

В таком же количественном соотношении атомы Na, Р и О находятся в веществе: x = 3, y = 1, z = 4.

Простейшая его формула Na 3 РО 4 .

Ответ: Эмпирическая формула вещества: Na 3 РО 4 .

Для большинства веществ немолекулярной структуры такие эмпирические формулы совпадают с формульными единицами этих веществ. У веществ молекулярной структуры их истинная, т.е. молекулярная формула не всегда совпадает с установленной таким образом эмпирической формулой. В этом случае для нахождения истиной (молекулярной) формулы вещества необходимо знать его молярную или молекулярную массу.

Пример 2. Найдем молекулярную формулу углеводорода, массовые доли углерода и водорода в котором, соответственно, равны 85,72% и 14,28%, а его относительная молекулярная масса равна 28.

Дано:

ω,%(С) = 85,72; ω,%(Н) = 14,28; М r (углеводорода) = 28.

Найти: Молекулярную формулу углеводорода, С x H y - ?

Решение:

Найдем число моль атомов С и Н, содержащихся в 100 граммах углеводорода.

, .

Представим соотношение между n(С) и n(Н) как соотношение простых целых чисел:

n(C) : n(H) = 7,14: 14,28 = 7,14/7,14: 14,28/7,14 = 1: 2; х = 1, y = 2.

Значит, эмпирическая формула вещества С x H y – СН 2 .

Найдем относительную молекулярную массу СН 2: сложив относительные атомные массы всех атомов, входящих в состав молекулы.

M r (CH 2) = A r (C) + 2·A r (H) = 12 + 1 × 2 = 14.

Определим соотношение между M r (углеводорода) и M r (CH 2):

.

Это значит, что численное значение индексов x и y в молекулярной формуле в 2 раза больше, чем в эмпирической. Таким образом, молекулярная формула вещества равна С 2 Н 4 .

Ответ: Молекулярная формула углеводорода С 2 Н 4 .

Пример 3. При взаимодействии азота с кислородом образуются пять оксидов. На 1 грамм азота в образующихся молекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грамма кислорода. Выведите молекулярные формулы образующихся оксидов.

Дано:

1 г (N) : 0, 57 г (О); 1 г (N) : 1,14 г (О); 1 г (N) : 1,71 г (О); 1 г (N): 2,28 г (О); 1 г (N): 2,85 г (О).

Найти: N x O y образующихся оксидов - ?

Решение:

По закону кратных отношений, на 1 г N в оксидах приходится О: 0,57 г, 1,14 г, 1,71 г, 2,28 г, 2,85 г. Эти массы кислорода относятся как простые целые числа:

0,57: 1,14: 1,71: 2,28: 2,85 = .

Для установления формулы, например, для первого оксида берут не массы, а количества веществ. Так в первом оксиде N x O y x: y = n (N) : n (O) = .