Як формулюється закон сталості складу. Закон сталості складу речовини

Закон сталості складу виник у результаті тривалої суперечки (1801–1808 рр.) французьких хіміків Ж. Л. Пруста, вважав, що відносини між елементами, що утворюють сполуки, повинні бути постійними, і К. Л. Бертолле, який вважав, що склад хімічних сполук є змінним. За допомогою ретельних аналізів у 1799–1806 роках. Пруст встановив, що відношення кількостей елементів у складі з'єднання завжди є постійною. Він довів, що Бертолле зробив свої висновки про різний склад тих самих речовин, аналізуючи суміші, а не індивідуальні речовини.

У 1806 р. Пруст писав: «Сполука є привілейований продукт, якому природа дала постійний склад. Природа, навіть за посередництвом людей, ніколи не виробляє з'єднання інакше, як з вагами в руках – за вагою та мірою. Від одного полюса до іншого з'єднання мають тотожний склад. Їх зовнішній вигляд може відрізнятися залежно від способу їхнього складання, але їх властивості ніколи не бувають різними. Жодної різниці ми не бачимо між окисом заліза південної півкулі та північної; японська кіновар має той самий склад, як іспанська кіновар; хлористе срібло абсолютно тотожне, чи походить воно з Перу або з Сибіру; у всьому світі є тільки один хлористий натрій, одна селітра, одна сірчанокальцієва сіль, одна сірчанобарієва сіль. Аналіз підтверджує ці факти щокроку». (вказати джерело)

Закон сталості складу (постійних відносин) у результаті визнано більшістю хіміків, і дискусія завершилася блискучою перемогою Пруста.

Відповідно до цього закону,

кожна хімічно чиста речовина (сполука) незалежно від способу її отримання та місцезнаходження має певний елементний склад.

Під хімічно чистою речовиною мається на увазі речовина, в якій хімічним шляхом не можна виявити домішки.

За сучасними уявленнями, закон сталості складу має межі застосування.

1. Постійний лише атомний склад речовини, тобто відношення числа атомів елементів (масовий склад – відношення мас елементів – не є постійним). Це пояснюється існуванням ізотопів (Від грец. ισος - рівний, однаковий і τόπος - місце) - ядер атомів, що містять однакову кількість протонів, але різне число нейтронів, і тому мають різну атомну масу.

приклад 2.2. Розглянемо молекули води, що містять різні ізотопи водню:

- Н 2 О (молекула містить ізотоп протий з атомною масою 1 - ); масовий склад: m(H): m(O) = 1: 8;

– D 2 Про (молекула містить ізотоп дейтерій з атомною масою 2 – ); масовий склад: m(H): m(O) = 1: 4;

- Т 2 О (молекула містить ізотоп тритій з атомною масою 3 - ); масовий склад: m(H): m(O) = 3: 8.

Таким чином, масовий склад молекул різний, тоді як атомний склад той самий – n(Н) : n(О) = 2: 1.

2. Закону сталості складу підпорядковуються лише речовини з молекулярною структурою.

Розглянемо кілька прикладів речовин.

– Рідкі та тверді розчини.Очевидно, розчини є хімічними сполуками, оскільки властивості розчину не складаються з властивостей його компонентів. Причому властивості розчину залежить від відносних кількостей взятих речовин. Таким чином, закон сталості складу не застосовується до рідких та твердих розчинів.

– Тверді речовини з атомними кристалічними ґратами– неметалічні (наприклад, карбід кремнію SiC) та металеві (наприклад, танталдіванадій V 2 Ta).

Нехай ми маємо 10 -7 моль подібної речовини як дуже маленького монокристалу. Чи означає це, що в такому кристалі SiC (маса всього 4 мкг) знаходиться точно по 10 -7 моль атомів кремнію і вуглецю? Чи в кристалі V 2 Ta на 210 –7 моль атомів ванадію доводиться точно 110 –7 моль атомів танталу? Щоб відповісти на це питання, згадаємо, що 10 -7 моль - це близько 6 · 10 16 атомів! Очевидно, що в залежності від умов отримання подібних речовин, вони будуть містити надлишок того чи іншого елемента. Це відхилення від стехіометрії може бути істотним, як у випадку сполуки V 2 Ta, в якому вміст танталу може змінюватися від 31 до 37 ат.% Ta (стехіометричний склад 33 1/3 ат.% Ta). Відхилення може бути так мало, що не встановлюється сучасними засобами вимірів і практично не позначається на властивостях, з ним треба зважати лише на теоретичному плані, як у випадку SiC.

– Іонні кристали(наприклад, хлорид натрію NaCl, сульфід заліза (II) FeS, оксиди заліза) . Очевидно, що все вищесказане відноситься і до таких речовин - залежно від умов отримання для них також спостерігаються відхилення від стехіометрії. Наприклад, кристал хлориду натрію, нагрітий у парах металевого натрію, поглинає останній так, що ν(Na +)/ν(Cl –) стає більшим за 1, при цьому кристал синіє і стає електронним напівпровідником; його густина зменшується.

Область складів, в якій існує дана хімічна сполука, називається областю його гомогенності.

Так, область гомогенності (від грец. ὁμός - рівний, однаковий; γένω - народжувати; homogenes - однорідний) Va 2 Ta становить 31-37 ат.% Ta, NaCl - 50,00-50,05 ат.% Na і т.д. д. У цих випадках стехіометричний склад знаходиться всередині області гомогенності; такі сполуки називаються стехіометричними (або дальтонідами на честь Дж. Дальтона, або двосторонніми фазами) .

Існують і сполуки, стехіометричний склад яких знаходиться поза областю гомогенності, іншими словами, при стехіометричному складі вони не існують. Такі сполуки називаються нестехіометричними (або бертолідами на честь К. Л. Бертолле, або односторонніми фазами). Прикладами бертолідів можуть служити оксид заліза (II) - вюстит (область гомогенності його становить 43-48 ат.% Fe, що відповідає формулі Fe (0,84-0,96) або FeO (1,02-1,19)) ; сульфід заліза (II) FeS (область гомогенності його 47,5-49,85 ат.% Fe, що відповідає формулі FeS (1,003-1,05)).

Завдання для самостійної роботи.Заповніть таблицю, використовуючи додаткову літературу:

Отже, кристалічні речовини атомної та іонної будови не підпорядковуються закону сталості складу. Нестехіометричний склад таких сполук забезпечується утворенням дефектів кристалічної структури.

– Речовини, побудовані з молекул.

Як приклад візьмемо воду. Вода різних джерелмає різні властивості (наприклад, щільність, табл. 1.1), тому що має різний ізотопний склад, в основному змінюється вміст протию та дейтерію. Присутність важкої води D 2 O можна вважати домішкою до звичайної води і припустити, що відсутність цієї домішки властивості води стануть незалежними від способу і джерела отримання. Речовина вода, як і будь-яка інша речовина, через вміст домішок, має змінний склад і в цьому сенсі не підпорядковується закону сталості складу.

Вже на початку ХІХ ст. накопичилося багато даних про склад окремих речовин та їх зміни. Розвиток техніки кількісних вимірів та методів хімічного аналізу дозволило визначати співвідношення елементів у сполуках. Французький хімік Ж. Пруст (1754–1826) після ретельних експериментів із низкою речовин встановив закон сталості складу– один із основних законів хімії.

Згідно із законом сталості складу, всяка чиста речовина, незалежно від способів її отримання та знаходження в природі, має постійний якісний та кількісний склад.

Це означає, що всі сполуки містять елементи в строго певних вагових пропорціях, незалежно від способу отримання, Так, наприклад, сірчистий газ, отриманий спалюванням сірки, або дією кислот на сульфіти, або будь-яким іншим способом, завжди містить одну вагову частину сірки та одну вагову частина кисню.

Закон сталості складу речовин був встановлений в результаті семирічної суперечки між Прустом та його опонентом, французьким хіміком К. Бертолле (1748–1822), який стверджував, що склад сполук залежить від способу їх отримання.

Бертолле в результаті аналізу розчинів, які він вважав за хімічні сполуки, зробив загальний висновок про існування хімічних сполук змінного складу. Виходило, що два елементи можуть утворити безперервний ряд сполук зі змінними властивостями та складом.

Пруст стверджував, що склад чистої речовини завжди той самий, будь-яка хімічна речовина має завжди одні й самі властивості, однакову температуру плавлення, кипіння, питому вагу. Пруст заявляв, що природа навіть за посередництвом людей ніколи не виробляє сполук інакше, як тільки за вагою та мірою. Одні й самі сполуки мають завжди тотожний склад. Зовнішній їхній вигляд може бути різним, але властивості – ніколи. Немає різниці між окисом заліза з південної півкулі та з північної, хлористе срібло з Перу абсолютно тотожно хлористому сріблу з Сибіру; у всьому світі є лише один хлористий натрій, одна селітра і т.д. Проробивши протягом 1799-1887 рр.. Масу аналізів, Пруст довів справедливість своїх висновків.

Подальший розвиток хімії показав, що закон сталості складу характеризує сполуки з молекулярною структурою, а склад сполук з немолекулярною структурою (атомними, іонними та металевими гратами) не є постійним і залежить від умов отримання.

На початку XX ст. Російський хімік Курнаков, вивчаючи метали металів, відкрив сполуки змінного складу. Надалі було з'ясовано, що сполуки змінного складу зустрічаються також серед оксидів, сполук металів із сіркою, азотом, вуглецем, воднем, а також серед інших неорганічних речовин, що мають кристалічну структуру. Речовини змінного складу були названі бертолідами, На відміну від з'єднань постійного складу - дальтонідів. Для багатьох сполук змінного складу встановлені межі, в яких може змінюватись їх склад. Так, у діоксиді титану TiO 2 на одиницю маси титану може припадати від 0,65 до 0,67 одиниць маси кисню, що відповідає формулі Ті O 1,9 – 2,0 (таб.4.1).

Таблиця 4.1

Отже, закон сталості складу, на відміну закону збереження маси речовини, перестав бути настільки загальним. Проте свого часу закон сталості складу мав фундаментальне значення. Він призвів до думки існування молекул і підтвердив неподільність атомів. Справді, чому в сірчистому газі вагове відношення сірки та кисню завжди 1:1 , а не 1,1:0,9 або 0,95:1.05 ? Цей результат легко пояснити, якщо припустити, що атоми сірки з'єднуються з певним числом атомів кисню і утворюють частинки сірчистого газу (ці згодом були названі молекулами).

Закон сталості
складу речовини

Хімічні формули

Будь-яка речовина – від найпростішого
до найскладнішого – має три різні,
але взаємопов'язані сторони:
властивість, склад, будову...

Б.М.Кедров

Цілі.
Дидактична- Розглянути поняття «хімічний елемент», «складна речовина», а також склад складних речовин, його сталість, що означає хімічна формула речовини, призначення коефіцієнтів та індексів.
Психологічна- Викликати інтерес до предмета, виробити вміння логічно міркувати, грамотно висловлювати свої думки.
Виховна- Розвивати вміння працювати колективно, оцінювати відповіді своїх товаришів.

Устаткування. Кристалічні грати сульфіду заліза(II), моделі молекул води, індивідуальні картки для перевірки домашнього завдання, таблички-анаграми для хімічної розминки, шкала для визначення емоційного стану учня.

ХІД УРОКУ

Орієнтовно-мотиваційний етап

На початку та наприкінці уроку проводиться психологічна розминка. Її мета – визначити емоційний стан учнів. У кожного учня на внутрішній стороні обкладинки зошита приклеєна табличка із шістьма особами – шкала для визначення емоційного стану (рис. 1). Кожен учень ставить галочку під тією пикою, чий вираз відбиває його настрій.

ВЧИТЕЛЬ. Було б чудово, якби до кінця уроку кожному вдалося перемістити галочку хоча б одну клітинку вліво. Для цього потрібно замислитися над питаннями: чи може людина полюбити нецікавий навчальний предмет? Що потрібно для цього зробити?

Статтю опубліковано за підтримки мобільного онлайн перекладача «m-translate.ru». Зручний та швидкий онлайн переклад з десятка мов, тисячі напрямків перекладу. Не вимагає встановлення, перекладу слів, речень та текстів, безкоштовно. Щоб почати користуватися сервісом перекладу онлайн перейдіть на сайт: http://www.m-translate.ru/.

Хімічна розминка.
УЧЕНЬ.Вася та Петя люблять складати та розгадувати слова-анаграми (зазвичай фантастичні), в яких порядок літер переставлено. Спробуйте розгадати деякі хімічні анаграми.
Переставивши літери у кожному слові, треба одержати назву хімічного елемента.
Леодруг- без цього елемента в грубці не буде вогню,
слікодор- без цього елемента не проживете і десяти хвилин,
цинвес- У цього елемента дійсно велика питома вага,
мнікрей– цей елемент шукайте серед каменів,
Оребес– блищить, а не золото.
ВЧИТЕЛЬ.Якщо ви легко впоралися з цим завданням, скажіть собі: «Я розумник».
Перевірка домашнього завдання на тему «Хімічні знаки».Повторити знаки хімічних елементів та значення їх відносних атомних мас. Звернути увагу на відмінність маси атома (в атомних одиницях маси) та відносної атомної маси (безрозмірної величини) на їхню загальну ознаку – однакове чисельне значення. Потім провести фронтальну самостійну роботу за індивідуальними картками протягом 5-10 хв.
Картка 1. Назвіть елементи за їх хімічними знаками: N, S, Ag, Al, O, I.
Картка 2. Напишіть хімічні ознаки елементів: залізо, водень, натрій, бром, цинк, хлор.

Операційно-виконавчий етап

ВЧИТЕЛЬ. Сьогодні ми познайомимося з одним із основних законів хімії – це закон сталості складу речовини. Мені хочеться, щоб ви за суворим формулюванням закону побачили живу, працьовиту та допитливу людину з Франції – Жозефа Луї Пруста. Він протягом семи років досліджував безліч речовин, щоб довести твердження, яке у сучасному формулюванні вміщується у три рядки. Про це дуже гарно сказав у своїх віршах його земляк, маловідомий у нас французький поет Арман Сюллі-Прюдом, лауреат Нобелівської премії, сучасник Д.І.Менделєєва.
УЧЕНИЦЯ
«Погляд хіміка допитливий, йому порядок милий,
Серед своїх реторт, мензурок та приладів,
Таких загадкових для цікавих поглядів,
Прагне він осягнути примхи таємних сил.
Він багато з них уже встановив,
Спостерігаючи їхню гру, учасник їх розбратів,
І незабаром він велить, володар цих суперечок,
Визнати та шанувати закон, який він відкрив.
Заздрю ​​тобі, вибагливий учений,
Чиї пильні очі світ бачать оголений,
Як у день творіння, витік усіх інших днів.
Веди ж мене в загадкове царство!
Я вірю: тільки в ньому знайдеться ліки
Від усіх незліченних печалів та скорбот».

ВЧИТЕЛЬ. Щоб отримати сульфід заліза(II), ми змішували залізо та сірку у співвідношенні 7:4. Якщо змішати в іншій пропорції, наприклад 10:4, то хімічна реакція відбудеться, але 3 г заліза в реакцію не вступить. Чому спостерігається така закономірність? Відомо, що у сульфіді заліза(II) на кожен один атом заліза припадає один атом сірки(Демонстрація кристалічних ґрат, рис. 2). Отже, для реакції потрібно брати речовини у таких масових співвідношеннях, щоб зберігалося співвідношення атомів заліза та сірки (1:1). Оскільки чисельні значення атомних мас Fe, S та їх відносних атомних мас A r(Fe), A r(S) збігаються, можна записати: A r(Fe): A r(S) = 56:32 = 7:4.
Ставлення 7:4 зберігається постійно, в яких би одиницях маси не виражати масу речовин
(Р, кг, т, а.е.м.). Більшість хімічних речовин має постійний склад.
Закон сталості складу речовинбув відкритий французьким вченим Прустом у 1808 р. Ось як цей закон звучав у його викладі: «Від одного полюса Землі до іншого з'єднання мають однаковий склад та однакові властивості. Жодної різниці немає між оксидом заліза з Південної півкулі та Північної. Малахіт із Сибіру має той самий склад, як і малахіт із Іспанії. У всьому світі є лише один кіновар».
Сучасне формулювання закону: кожна хімічно чиста речовина з молекулярною будовою незалежно від місця знаходження та способу одержання має той самий постійний якісний та кількісний склад.

Учні записують визначення у зошит. Потім вони виконують самостійну роботу. Текст завдань заздалегідь написано на дошці. Двоє учнів вирішують завдання на звороті дошки, інші вирішують у зошитах. Після виконання роботи учні обмінюються зошитами, відбувається взаємоперевірка. Вчитель може вибірково перевірити деякі зошити.
Варіант 1. Для отримання сульфіду заліза(II) взяли 3,5 г заліза та 4 г сірки. Яка речовина залишиться невитраченою і яка її маса?
Варіант 2. Щоб отримати сульфід заліза(II), взяли 15 г заліза та 8 г сірки. Яка речовина взята в надлишку і яка маса цього надлишку?

ВЧИТЕЛЬ. А зараз послухайте виступ про знамениту суперечку між французькими вченими Ж.Л.Прустом та К.Л.Бертолле, яка тривала близько 10 років на сторінках французьких журналів на початку XIX ст.
УЧЕНЬ. Так, суперечка двох французьких хіміків тривала з 1799 по 1809 р., а потім була продовжена хіміками Англії, Швеції, Італії, Росії та інших країн. Цю суперечку можна з повним правом назвати першою науковою дискусією такого масштабу і за часом виникнення, і щодо стратегічної важливості проблем, що обговорюються. Ця дискусія визначила шляхи розвитку хімії на століття наперед.
У 1799 професор Королівської лабораторії в Мадриді, француз за походженням, Жозеф Луї Пруст опублікував статтю «Дослідження міді». У статті докладно висвітлено аналізи сполук міді та зроблено цілком обґрунтований висновок, що хімічно індивідуальна сполука завжди, незалежно від способу її утворення, має постійний склад. Такого ж висновку Пруст дійшов і пізніше, у 1800–1806 рр., досліджуючи хімічні сполуки свинцю, кобальту та інших металів.
У 1800–1803 pp. англійський хімік Джон Дальтон обґрунтував цей закон теоретично, встановивши атомну будову молекул та наявність певних атомних мас елементів. Чисто теоретично Дальтон прийшов до відкриття ще одного основного закону хімії – закону кратних відносин, що перебуває у єдності із законом сталості складу.
У той самий час професор Нормальної школи Парижі Клод Луї Бертолле, вже знаменитий хімік, опублікував низку статей, у яких відстоював висновок у тому, що склад хімічних сполук залежить від способу їх отримання і часто буває не постійним, а змінним. Бертолле виступив проти законів Пруста та Дальтона, аргументуючи це все новими та новими дослідами щодо отримання сплавів, твердих оксидів металів. Він скористався і даними самого Пруста, вказавши на те, що в природних сульфідах та оксидах металів міститься надлишок сірки та кисню порівняно з одержаними в лабораторії.
Розвиток хімії показало, що обидві сторони мали рацію. Позиція Пруста і Дальтона для хімії 1800-х років. була зрозуміла, конкретна та майже очевидна. Пруст і Дальтон заклали основи атомно-
молекулярного вчення про склад та будову хімічних сполук. То була магістральна лінія розвитку хімії. Погляд Бертолле була практично неприйнятна для тодішньої хімії, тому що вона відображала хімізм процесів, вивчення яких почалося в основному лише
з 1880-х років. І тільки майбутнє показало, що і Бертоллі мав рацію!
За пропозицією академіка Н.С.Курнакова речовини постійного складу були названі дальтонідами (на честь англійського хіміка та фізика Дальтона), а речовини змінного складу – бертолідами (на згадку про французького хіміка Бертоля). (Докладніше про це можна прочитати в роботах.)
ВЧИТЕЛЬ. Підіб'ємо підсумки повідомлення. По-перше, відомі речовини немолекулярної будови зі змінним складом. По-друге, закон сталості складу речовин справедливий для речовин молекулярної будови. По-третє, існує категорія речовин молекулярної будови, котрим закон сталості складу неправильний. Це полімери, з ними ми познайомимося на уроках хімії пізніше.
Що ж мається на увазі під кількісним та якісним складами речовин? За підсумками закону Пруста можна записати хімічні формули речовин з допомогою хімічних символів.
Розглянемо як приклад склад молекули води. Вона складається з атомів водню та кисню (якісний склад), причому за масою у воді міститься водню – 11,19%, а кисню – 88,81% (кількісний склад). Є кілька способів вираження складу води.
1-й спосіб. До складу молекули води входять два атоми водню та один атом кисню (використовуємо слова).
2-й спосіб. Цю ж думку можна виразити малюнком (використовуємо умовні позначення):
3-й спосіб. Формула води –Н 2 Про (використовуємо хімічні знаки та індекси).
Індекспоказує кількість атомів цього елемента в молекулі.
Отже, склад дальтонідів виражається простими формулами з цілими стехіометричними індексами, наприкладН 2 Про, НСl, СН 4 . Склад бертолідів непостійний, у них дрібні стехіометричні індекси. Так, оксид титану(II)ТіО насправді має склад відТіО 0,7 до ТіО 1,3.
Дайте відповідь мені на запитання: що показує коефіцієнт? (Відповідь учнів: число молекул цієї речовини.)
Розглянемо приклад: 3Н2О. Яка кількість молекул води відображає цей запис? Скільки атомів водню в одній молекулі води, у трьох молекулах води? Скільки атомів кисню в одній молекулі води, у трьох молекулах води?(Демонстрація моделей молекул води.) Читаємо формулу: «три-аш-два-о».
Демонстрація збільшеного малюнка 15 с. 24 підручника «Хімія-8», що представляє запис: 3CuCl 2 , 5Al 2 O 3 , 3FeCl 2 .
ВЧИТЕЛЬ. Як прочитати формули вказаних речовин? Скільки молекул цієї речовини відображає хімічна формула? Скільки атомів кожного елемента входить до однієї молекули цієї речовини? Скільки атомів кожного елемента у трьох (п'яти) молекулах цієї речовини?
Хімічна формула- Це умовний запис складу речовини за допомогою хімічних знаків та індексів.
Учні записують визначення у зошит.

Рефлексивно-оцінний етап

Бесіда з учнями за запитаннями.
1. Ким і коли було відкрито закон сталості складу речовин?
2. Дайте визначення цього Закону.
3. У чому полягала суть суперечки між хіміками Прустом, Дальтоном та Бертолле?
4. Що відображає хімічна формула речовини?
5. Що показують коефіцієнт та індекси у хімічній формулі?
6. Чи є різниця у складі речовин, що мають формули: СО та СО 2 , Н 2 Про та Н 2 О 2 ?
7. Використовуючи хімічні знаки, індекси та коефіцієнти, запишіть позначення
двох молекул води,
трьох молекул оксиду азоту (якщо відомо, що в молекулі оксиду азоту на один атом азоту припадає два атоми кисню),
трьох молекул сірководню (у його молекулі на два атоми водню припадає один атом сірки),
чотирьох молекул оксиду фосфору (у кожній молекулі цього оксиду на два атоми фосфору припадає п'ять атомів кисню).
Учні роблять записи у зошиті, один учень – на звороті дошки. Перевірка: обмін зошитами із сусідом по парті, звірка на дошці, аналіз помилок.
Завдання додому.Підручник «Хімія-8», § 9, с. 22–23; § 10, с. 24–25. Двом учням дається завдання підготувати невеликі повідомлення з біографії Пруста.
Підсумки уроку. Оголосити оцінки за урок учням, що відповідали, подякувати всім за роботу на уроці. Провести оцінку емоційного стану за шкалою (див. рис. 1). Вчитель ще раз нагадує питання, над якими потрібно подумати для ефективної роботи на уроках.

ЛІТЕРАТУРА

1. Соловійчик С.Л.Час учнівства. М: Педагогіка, 1986.
2. Леєнсон І.А.Хімічні елементи та хімічні закони. Робочий зошит. М.: Вид-во гімназії «Відкритий світ», 1995.
3. Кузнєцов В.І., Рахімбекова X.Дискусії у розвитку науки та діалогова форма навчання. Хімія у школі, 1991, № 6.
4. Кузнєцов В.І.Еволюція уявлень про основні закони хімії. М: Наука, 1967.
5. Рудзітіс Г.Є., Фельдман Ф.Г.Хімія-8. М: Просвітництво, 1991.

Будь-яка чиста речовина, незалежно від способу її одержання, має постійний кількісний та якісний склад.

Якісний склад речовини показує, з яких атомів елементів побудовані його молекули. Кількісний склад показує скільки атомів кожного елемента входить до складу молекули (формульної одиниці) речовини або масову частку елемента в речовині. Наприклад, молекули аміаку (NH 3) складаються з атомів хімічних елементів азоту (N) та водню (Н). Це якісний склад. Причому одна молекула складається з трьох атомів Н і одного атома N. Це кількісний склад. Аміак ми можемо отримати багатьма способами:

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

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

3. NH4Cl NH3+HCl.

Однак, згідно із законом сталості складу, незалежно від способу одержання, молекула NH 3 завжди складатиметься з одного атома N та трьох атомів Н.

Закон сталості складу речовини завжди виконується лише речовин молекулярної структури, тобто. для всіх рідин, газів та твердих речовин, що мають молекулярну кристалічну решітку.

Для твердих речовин, що мають атомну, іонну або металеву кристалічну решітку, закон сталості складу речовини часто не виконується. Це обумовлено двома причинами:

1. Наявністю у вузлах кристалічних ґрат чужорідних атомів чи іонів як домішок.

2. Наявністю в кристалічній решітці різних дефектів, наприклад, вакансій або порожнеч.

Кількість таких дефектів, число та вид чужорідних домішкових включень у кристалічній решітці речовини в цьому випадку залежатиме від способу її одержання. Отже, від способу одержання речовини залежатиме і її склад.

Із закону сталості складу випливає важливий висновок:

Співвідношення між масами елементів, що входять до складу даної сполуки, а також співвідношення між їх хімічною кількістю постійні і не залежать від способу отримання цієї сполуки та від наявної кількості.

У зв'язку з цим стає можливим визначати емпіричні або найпростіші формули речовин на підставі значень масових часток хімічних елементів, що входять до їх складу. Для речовин немолекулярного будови ролі емпіричних формул виступають їх формульні одиниці.

Закон кратних відносин

Якщо два елементи утворюють між собою кілька молекулярних сполук, то маси одного елемента, що припадають на ту саму масу іншого, ставляться між собою як невеликі цілі числа.

приклад 1. Знайдемо емпіричну формулу речовини, що складається з атомів натрію, фосфору та кисню, масові частки, яких у ньому становлять, відповідно: 42,073%; 18,903% та 39,024%.

Дано:

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

Знайти:Емпіричну формулу Na x P y O z -?

Рішення:

Масові частки елементів (Е), виражені у %, чисельно відповідають масі атомів цих елементів m(Е) у 100 г речовини. Отже, якщо в нас є 100 г речовини, то маси елементів Na, P і О, що містяться в ньому, будуть відповідно дорівнюють 42,073 г; 18,903 і 39,024 р. Скористаємося ставленням

, де

n(Е) – кількість речовини; число моль атомів елемента Е, моль;

m(Е) - маса атомів хімічного елемента, г;

M(Е) – маса одного моль атомів хімічного елемента Е, г/моль.

; ;

.

В одному моль речовини число моль атомів кожного елемента (n(Na), n(P), n(O)) буде цілим числом, але співвідношення між ними буде таке саме, як і в 100 г речовини. Уявімо у зв'язку з цим співвідношення між n(Na), n(P) і n(O) як співвідношення простих цілих чисел, що спостерігається в одному моль речовини.

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

Розділимо кожен член цього співвідношення на 0,6.

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

У такому кількісному співвідношенні атоми Na, Р і Про знаходяться в речовині: x = 3, y = 1, z = 4.

Найпростіша його формула Na 3 РО 4 .

Відповідь:Емпірична формула речовини: Na 3 РО 4 .

Більшість речовин немолекулярної структури такі емпіричні формули збігаються з формульними одиницями цих речовин. У речовин молекулярної структури їхня істинна, тобто. молекулярна формула який завжди збігається з встановленої в такий спосіб емпіричною формулою. У цьому випадку для знаходження істиною (молекулярної) формули речовини необхідно знати її молярну чи молекулярну масу.

приклад 2. Знайдемо молекулярну формулу вуглеводню, масові частки вуглецю та водню в якому, відповідно, дорівнюють 85,72% та 14,28%, а його відносна молекулярна маса дорівнює 28.

Дано:

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

Знайти:Молекулярну формулу вуглеводню, x x y - ?

Рішення:

Знайдемо число моль атомів С і Н, що містяться у 100 г вуглеводню.

, .

Представимо співвідношення між n(С) та n(Н) як співвідношення простих цілих чисел:

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

Значить, емпірична формула речовини x x y - СН 2 .

Знайдемо відносну молекулярну масу СН 2: склавши відносні атомні маси всіх атомів, що входять до складу молекули.

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

Визначимо співвідношення між M r (вуглеводню) та M r (CH 2):

.

Це означає, що чисельне значення індексів x і y у молекулярній формулі у 2 рази більше, ніж у емпіричній. Таким чином, молекулярна формула речовини дорівнює 2 Н 4 .

Відповідь:Молекулярна формула вуглеводню С2Н4.

приклад 3. При взаємодії азоту із киснем утворюються п'ять оксидів. На 1 грам азоту в молекулах, що утворюються, припадає 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грама кисню. Виведіть молекулярні формули оксидів, що утворюються.

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).

Знайти: N x O y утворюються оксидів -?

Рішення:

За законом кратних відносин, на 1 г N в оксидах припадає: 0,57 г, 1,14 г, 1,71 г, 2,28 г, 2,85 г. Ці маси кисню відносяться як прості цілі числа:

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

Для встановлення формули, наприклад, першого оксиду беруть не маси, а кількості речовин. Так, у першому оксиді N x O y x: y = n (N) : n (O) = .

Хімія відноситься до розряду точних наук, і поряд з математикою та фізикою встановлює закономірності існування та розвитку матерії, що складається з атомів та молекул. Всі процеси, що протікають як у живих організмах, так і серед об'єктів неживої природи, мають у своїй основі явища перетворення маси та енергії. речовини, вивченню якого буде присвячена ця стаття, і є основою перебігу процесів у неорганічному та органічному світі.

Атомно-молекулярне вчення

Щоб зрозуміти суть законів, що керують матеріальною дійсністю, потрібно мати уявлення про те, із чого вона складається. За словами великого російського вченого М. В. Ломоносова «У темряві повинні перебувати фізики і, особливо, хіміки, не знаючи внутрішньої частини будівлі». Саме він у 1741 році, спочатку теоретично, а потім і підтвердивши дослідами, відкрив закони хімії, що служать основою вивчення живої та неживої матерії, а саме: всі речовини складаються з атомів, здатних утворювати молекули. Всі ці частинки перебувають у безперервному русі.

Відкриття та помилки Дж. Дальтона

Через 50 років ідеї Ломоносова почав розвивати англійський вчений Дж. Дальтон. Вчений виконав найважливіші розрахунки щодо визначення атомних мас хімічних елементів. Це стало головним доказом таких припущень: масу молекули і речовини можна обчислити, знаючи атомну вагу частинок, що входять до її складу. Як Ломоносов, і Дальтон вважали, що, незалежно від способу отримання, молекула сполуки завжди матиме незмінний кількісний і якісний склад. Спочатку саме у такому вигляді було сформульовано закон сталості складу речовини. Визнаючи величезний внесок Дальтона у розвиток науки, не можна замовчати прикрих помилках: запереченні молекулярного будови простих речовин, як-от кисень, азот, водень. Вчений вважав, що молекули є лише у складних Враховуючи величезний авторитет Дальтона в наукових колах, його помилки негативно вплинули на розвиток хімії.

Як зважують атоми та молекули

Відкриття такого хімічного постулату, як закон сталості складу речовини, стало можливим завдяки уявленню про збереження маси речовин, що вступили в реакцію і після неї утворилися. Крім Дальтона, вимірювання атомних мас проводив І. Берцеліус, який склав таблицю атомних ваг хімічних елементів і запропонував їх сучасне позначення у вигляді латинських букв. В даний час масу атомів і молекул визначають за допомогою результатів, отриманих у цих дослідженнях, підтверджують існуючі закони хімії. Раніше вчені використовували такий прилад, як мас-спектрометр, але ускладнена методика зважування стала серйозним недоліком у спектрометрії.

Чому так важливий закон збереження маси речовин

Сформульований М. В. Ломоносовим вище названий хімічний постулат доводить той факт, що під час реакції атоми, що входять до складу реагентів та продуктів, нікуди не зникають і не з'являються з нічого. Їх кількість зберігається без зміни до і після Оскільки маса атомів константна, цей факт логічно призводить до закону збереження маси та енергії. Більше того, вчений декларував цю закономірність як загальний принцип природи, що підтверджує взаємоперетворення енергії та сталість складу речовини.

Ідеї ​​Ж. Пруста як підтвердження атомно-молекулярної теорії

Звернемося до відкриття такого постулату, як закон сталості складу. Хімія кінця 18 - початку 19 століття - наука, у рамках якої велися наукові суперечки між двома французькими вченими, Ж. Прустом та К. Бертолле. Перший стверджував, що склад речовин, що утворилися внаслідок хімічної реакції, залежить головним чином природи реагентів. Бертолле був упевнений, що на склад сполук - продуктів реакції впливає ще й відносна кількість речовин, що взаємодіють між собою. Більшість хіміків на початку досліджень підтримали ідеї Пруста, який сформулював їх таким чином: склад складного з'єднання завжди постійний і не залежить від того, яким способом воно було отримано. Однак подальше дослідження рідких та твердих розчинів (сплавів) підтвердило думки К. Бертолле. До цих речовин закон сталості складу не застосовувався. Більше того, він не діє для з'єднань з іонними кристалічними ґратами. Склад цих речовин залежить від методів, якими їх видобувають.

Кожна хімічна речовина, незалежно від способу її одержання, має постійний якісний та кількісний склад. Це формулювання характеризує закон сталості складу речовини, запропонований Ж. Прустом у 1808 році. Як доказів він наводить такі образні приклади: малахіт із Сибіру має такий самий склад, як і мінерал, здобутий в Іспанії; у світі є тільки одна речовина кіновар і не має значення, з якого родовища вона отримана. Таким чином Пруст підкреслював сталість складу речовини, незалежно від місця та способу її видобутку.

Не буває правил без винятків

Із закону сталості складу випливає, що при утворенні складної сполуки хімічні елементи з'єднуються один з одним у певних вагових співвідношеннях. Незабаром у хімічній науці з'явилися відомості про існування речовин, що мають змінний склад, який залежав від способу одержання. Російський учений М. Курнаков запропонував назвати ці сполуки бертолідами, наприклад, оксид титану, нітрид цирконію.

У цих речовин на 1 вагову частину одного елемента припадає різна кількість іншого елемента. Так, у бінарному з'єднанні вісмуту з галієм на одну вагову частину галію доводиться від 1,24 до 1,82 частини вісмуту. Пізніше хіміки встановили, що, крім з'єднання металів один з одним, речовини, що не підпорядковуються закону сталості складу, є в такому оксиди. Бертоліди характерні також для сульфідів, карбідів, нітридів та гідридів.

Роль ізотопів

Отримавши у своє розпорядження закон сталості речовини, хімія як точна наука змогла ув'язати вагову характеристику сполуки з ізотопним вмістом елементів, що його утворюють. Згадаймо, що ізотопами вважають атоми одного хімічного елемента з однаковими протонними, але нуклонними різними числами. Враховуючи наявність ізотопів, зрозуміло, що ваговий склад сполуки може бути змінним за умови сталості елементів, що входять до цієї речовини. Якщо елемент збільшує вміст будь-якого ізотопу, то ваговий склад речовини теж змінюється. Наприклад, звичайна вода містить 11% водню, а важка, утворена його ізотопом (дейтерієм) – 20%.

Характеристика бертолідів

Як ми вже з'ясували раніше, закони збереження в хімії підтверджують основні положення атомно-молекулярної теорії та є абсолютно вірними для речовин постійного складу – дальтонідів. А бертоліди мають межі, в яких можлива зміна вагових частин елементів. Наприклад, в оксиді чотиривалентного титану на одну вагову частину металу припадає від 0,65 до 0,67 частини кисню. Речовини непостійного складу їх кристалічні решітки складаються з атомів. Тому хімічні формули сполук лише відбивають межі їх складу. У різних речовин різні. Температура може впливати на інтервали зміни вагового складу елементів. Якщо два хімічні елементи утворюють між собою кілька речовин - бертолідів, то для них також не застосовується і закон кратних відносин.

З усіх наведених вище прикладів зробимо висновок: теоретично в хімії присутні дві групи речовин: з постійним і змінним складом. Наявність у природі цих сполук є чудовим підтвердженням атомно-молекулярного вчення. А ось сам закон сталості складу вже не є домінуючим у хімічній науці. Натомість він наочно ілюструє історію її розвитку.