Какое из веществ подчиняется закону постоянства состава. Закон постоянства состава вещества

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).

Закон постоянства состава появился в результате длительного спора (1801–1808 гг.) французских химиков Ж. Л. Пруста, считавшего, что отношения между элементами, образующими соединения, должны быть постоянными, и К. Л. Бертолле, который считал, что состав химических соединений является переменным. С помощью тщательных анализов в 1799–1806 гг. Пруст установил, что отношение количеств элементов в составе соединения всегда постоянно. Он доказал, что Бертолле сделал свои выводы о различном составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, а не индивидуальные вещества.

В 1806 г. Пруст писал: «Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав. Природа, даже через посредство людей, никогда не производит соединения иначе, как с весами в руках – по весу и мере. От одного полюса к другому соединения имеют тождественный состав. Их внешний вид может различаться в зависимости от способа их сложения, но их свойства никогда не бывают различными. Никакой разницы мы не видим между окисью железа южного полушария и северного; японская киноварь имеет тот же состав, как испанская киноварь; хлористое серебро совершенно тождественно, происходит ли оно из Перу или из Сибири; во всем свете имеется только один хлористый натрий, одна селитра, одна сернокальциевая соль, одна сернобариевая соль. Анализ подтверждает эти факты на каждом шагу». (указать источник)

Закон постоянства состава (постоянных отношений) в итоге был признан большинством химиков, и дискуссия завершилась блестящей победой Пруста.

Согласно этому закону,

каждое химически чистое вещество (соединение) независимо от способа его получения и местонахождения обладает определенным элементным составом.

Под химически чистым веществом подразумевается вещество, в котором химическим путем нельзя обнаружить примеси.

По современным представлениям, закон постоянства состава имеет границы применения.

1. Постоянен лишь атомный состав вещества, т. е. отношение числа атомов элементов (массовый состав – отношение масс элементов – не является постоянным). Это объясняется существованием изотопов (от греч. ισος– равный, одинаковый и τόπος– место) – ядер атомов, содержащих одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, и поэтому имеющих разную атомную массу.

Пример 2.2. Рассмотрим молекулы воды, содержащие разные изотопы водорода:

– Н 2 О (молекула содержит изотоп протий с атомной массой 1 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 1: 8;

– D 2 О (молекула содержит изотоп дейтерий с атомной массой 2 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 1: 4;

– Т 2 О (молекула содержит изотоп тритий с атомной массой 3 – ); массовый состав:m(H) : m(O) = 3: 8.

Таким образом, массовый состав молекул разный, тогда как атомный состав один и тот же – n(Н) : n(О) = 2: 1.

2. Закону постоянства состава подчиняются лишь вещества с молекулярной структурой.

Рассмотрим несколько примеров веществ.

– Жидкие и твердые растворы. Очевидно, растворы являются химическими соединениями, т. к. свойства раствора не складываются из свойств его компонентов. Причем свойства раствора зависят от относительных количеств взятых веществ. Таким образом, закон постоянства состава не применим к жидким и твердым растворам.

– Твердые вещества с атомными кристаллическими решетками – неметаллическими (например, карбид кремния SiC) и металлическими (например, танталдиванадий V 2 Ta).

Пусть мы имеем 10 –7 моль подобного вещества в виде очень маленького монокристалла. Значит ли это, что в таком кристалле SiC (масса его всего 4 мкг) находится точно по 10 –7 моль атомов кремния и углерода? Или в кристаллеV 2 Ta на 210 –7 моль атомов ванадия приходится точно 110 –7 моль атомов тантала? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, что 10 –7 моль – это около 6·10 16 атомов! Очевидно, что в зависимости от условий получения подобных веществ, они будут содержать избыток того или другого элемента. Это отклонение от стехиометрии может быть существенным, как в случае соединения V 2 Ta, в котором содержание тантала может меняться от 31 до 37 ат.% Ta (стехиометрический состав 33 1/3 ат.% Ta). Отклонение может быть так мало, что не устанавливается современными средствами измерений и практически не сказывается на свойствах, с ним надо считаться только в теоретическом плане, как в случае SiC.

– Ионные кристаллы (например, хлорид натрия NaCl, сульфид железа (II) FeS, оксиды железа). Очевидно, все вышесказанное относится и к таким веществам – в зависимости от условий получения для них также наблюдаются отклонения от стехиометрии. Например, кристалл хлорида натрия, нагретый в парах металлического натрия, поглощает последний так, что ν(Na +)/ν(Cl –) становится больше 1, при этом кристалл синеет и становится электронным полупроводником; его плотность уменьшается.

Область составов, в которой существует данное химическое соединение, называется областью его гомогенности.

Так, область гомогенности (от греч. ὁμός – равный, одинаковый; γένω – рождать; homogenes – однородный) Va 2 Ta составляет 31–37 ат.% Ta, NaCl – 50,00–50,05 ат.% Na и т. д. В этих случаях стехиометрический состав находится внутри области гомогенности; такие соединения называются стехиометрическими (или дальтонидами в честь Дж. Дальтона, или двусторонними фазами).

Существуют и соединения, стехиометрический состав которых находится вне области гомогенности, иными словами, при стехиометрическом составе они не существуют. Такие соединения называются нестехиометрическими (или бертоллидами в честь К. Л. Бертолле, или односторонними фазами). Примерами бертоллидов могут служить оксид железа (II) – вюстит (область гомогенности его составляет 43–48 ат.% Fe, что отвечает формуле Fe (0,84–0,96) О или FeO (1,02–1,19)); сульфид железа (II) FeS (область гомогенности его 47,5–49,85 ат.% Fe, что отвечает формуле FeS (1,003–1,05)).

Задание для самостоятельной работы. Заполните таблицу, используя дополнительную литературу:

Итак, кристаллические вещества атомного и ионного строения не подчиняются закону постоянства состава. Нестехиометрический состав таких соединений обеспечивается образованием дефектов кристаллической структуры.

– Вещества, построенные из молекул .

В качестве примера возьмем воду. Вода различных источников имеет разные свойства (например, плотность, табл. 1.1), т. к. имеет разный изотопный состав, в основном изменяется содержание протия и дейтерия. Присутствие тяжелой воды D 2 O можно считать примесью к обычной воде и предположить, что в отсутствие этой примеси свойства воды станут независимыми от способа и источника получения. Вещество вода, как и любое другое вещество, в силу содержания примесей, имеет переменный состав и в этом смысле не подчиняется закону постоянства состава.

Химия относится к разряду точных наук, и наряду с математикой и физикой устанавливает закономерности существования и развития материи, состоящей из атомов и молекул. Все процессы, протекающие как в живых организмах, так и среди объектов неживой природы, имеют в своей основе явления превращения массы и энергии. вещества, изучению которого будет посвящена эта статья, и лежит в основе протекания процессов в неорганическом и органическом мире.

Атомно-молекулярное учение

Чтобы понять суть законов, управляющих материальной действительностью, нужно иметь представление о том, из чего она состоит. По словам великого российского ученого М. В. Ломоносова «Во тьме должны пребывать физики и, особенно, химики, не зная внутреннего частиц строения». Именно он в 1741 году, сначала теоретически, а затем и подтвердив опытами, открыл законы химии, служащие основой для изучения живой и неживой материи, а именно: все вещества состоят из атомов, способных образовывать молекулы. Все эти частицы находятся в непрерывном движении.

Открытия и ошибки Дж. Дальтона

Спустя 50 лет идеи Ломоносова стал развивать английский ученый Дж. Дальтон. Ученый выполнил важнейшие расчеты по определению атомных масс химических элементов. Это послужило главным доказательством таких предположений: массу молекулы и вещества можно вычислить, зная атомный вес частиц, входящих в её состав. Как Ломоносов, так и Дальтон считали, что, независимо от способа получения, молекула соединения всегда будет иметь неизменный количественный и качественный состав. Первоначально именно в таком виде был сформулирован закон постоянства состава вещества. Признавая огромный вклад Дальтона в развитие науки, нельзя умолчать о досадных ошибках: отрицании молекулярного строения простых веществ, таких как кислород, азот, водород. Ученый считал, что молекулы есть только у сложных Учитывая огромный авторитет Дальтона в научных кругах, его заблуждения негативно повлияли на развитие химии.

Как взвешивают атомы и молекулы

Открытие такого химического постулата, как закон постоянства состава вещества, стало возможным благодаря представлению о сохранении массы веществ, вступивших в реакцию и образовавшихся после нее. Кроме Дальтона, измерение атомных масс проводил И. Берцелиус, составивший таблицу атомных весов химических элементов и предложивший современное их обозначение в виде латинских букв. В настоящее время массу атомов и молекул определяют с помощью Результаты, полученные в данных исследованиях, подтверждают существующие законы химии. Ранее ученые использовали такой прибор, как масс-спектрометр, но усложненная методика взвешивания явилась серьёзным недостатком в спектрометрии.

Почему так важен закон сохранения массы веществ

Сформулированный М. В. Ломоносовым выше названный химический постулат доказывает тот факт, что во время реакции атомы, входящие в состав реагентов и продуктов, никуда не исчезают и не появляются из ничего. Их количество сохраняется без изменения до и после Так как масса атомов константна, данный факт логически приводит к закону сохранения массы и энергии. Более того, ученый декларировал эту закономерность, как всеобщий принцип природы, подтверждающий взаимопревращение энергии и постоянство состава вещества.

Идеи Ж. Пруста как подтверждение атомно-молекулярной теории

Обратимся к открытию такого постулата, как закон постоянства состава. Химия конца 18 - начала 19 века - наука, в рамках которой велись научные споры между двумя французскими учеными, Ж. Прустом и К. Бертолле. Первый утверждал, что состав веществ, образовавшихся в результате химической реакции, зависит главным образом от природы реагентов. Бертолле был уверен, что на состав соединений - продуктов реакции влияет еще и относительное количество взаимодействующих между собой веществ. Большинство химиков в начале исследований поддержали идеи Пруста, который сформулировал их следующим образом: состав сложного соединения всегда постоянный и не завит от того, каким способом оно было получено. Однако дальнейшее исследование жидких и твердых растворов (сплавов) подтвердило мысли К. Бертолле. К этим веществам закон постоянства состава был неприменим. Более того, он не действует для соединений с ионными кристаллическими решетками. Состав этих веществ зависит от методов, которыми их добывают.

Каждое химическое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. Эта формулировка характеризует закон постоянства состава вещества, предложенный Ж. Прустом в 1808 году. В качестве доказательств он приводит следующие образные примеры: малахит из Сибири имеет такой же состав, как и минерал, добытый в Испании; в мире есть только одно вещество киноварь, и не имеет значения, из какого месторождения она получена. Таким образом Пруст подчеркивал постоянство состава вещества, независимо от места и способа его добычи.

Не бывает правил без исключений

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного соединения химические элементы соединяются друг с другом в определённых весовых соотношениях. Вскоре в химической науке появились сведения о существовании веществ, имеющих переменный состав, который зависел от способа получения. Русский ученый М. Курнаков предложил назвать эти соединения бертоллидами, например оксид титана, нитрид циркония.

У этих веществ на 1 весовую часть одного элемента приходится различное количество другого элемента. Так, в бинарном соединении висмута с галлием на одну весовую часть галлия приходится от 1,24 до 1,82 части висмута. Позже химики установили, что, кроме соединения металлов друг с другом, вещества, не подчиняющиеся закону постоянства состава, есть в таком как оксиды. Бертоллиды характерны также для сульфидов, карбидов, нитридов и гидридов.

Роль изотопов

Получив в свое распоряжение закон постоянства вещества, химия как точная наука смогла увязать весовую характеристику соединения с изотопным содержанием элементов, образующих его. Вспомним, что изотопами считают атомы одного химического элемента с одинаковыми протонными, но различными нуклонными числами. Учитывая наличие изотопов, понятно, что весовой состав соединения может быть переменным при условии постоянства элементов, входящих в это вещество. Если элемент увеличивает содержание какого-либо изотопа, то и весовой состав вещества тоже изменяется. Например, обычная вода содержит 11 % водорода, а тяжелая, образованная его изотопом (дейтерием), - 20 %.

Характеристика бертоллидов

Как мы уже выяснили ранее, законы сохранения в химии подтверждают основные положения атомно-молекулярной теории и являются абсолютно верными для веществ постоянного состава - дальтонидов. А бертоллиды имеют границы, в которых возможно изменение весовых частей элементов. Например, в оксиде четырёхвалентного титана на одну весовую часть металла приходится от 0,65 до 0,67 части кислорода. Вещества непостоянного состава не их кристаллические решетки состоят из атомов. Поэтому химические формулы соединений лишь отражают границы их состава. У различных веществ они разные. Температура также может влиять на интервалы изменения весового состава элементов. Если два химических элемента образуют между собой несколько веществ - бертоллидов, то для них также неприменим и закон кратных отношений.

Из всех вышеприведенных примеров сделаем вывод: теоретически в химии присутствуют две группы веществ: с постоянным и переменным составом. Наличие в природе этих соединений служит прекрасным подтверждением атомно-молекулярного учения. А вот сам закон постоянства состава уже не является доминирующим в химической науке. Зато он наглядно иллюстрирует историю её развития.

Один из основных законов химии, открытый в 1799 г. Ж. Л. Прустом; согласно этому закону определённое химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же хим. элементов, имеющих постоянные состав и свойства,… … Большая политехническая энциклопедия

закон постоянства состава - pastoviųjų santykių dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. law of constant proportions; law of definite composition vok. Gesetz der konstanten Gewichtsverhältnisse, n; Gesetz der konstanten Proportionen, n; Gesetz der konstanten… … Fizikos terminų žodynas

закон постоянства состава - закон паёв … Cловарь химических синонимов I

ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ЗАКОН: каждое химическое соединение независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причем отношения их масс постоянны. Строго применим к газообразным и жидким соединениям. Состав кристаллических… … Большой Энциклопедический словарь

ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ЗАКОН: каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причем отношения их масс постоянны. Строго применим к газообразным и жидким соединениям. Состав кристаллических… … Энциклопедический словарь

В каждом определенном хим. соед., независимо от способа его получения, соотношения масс составляющих элементов постоянны. Сформулирован в нач. 19 в. Ж. Прустом: Соединение есть привилегированный продукт, которому природа дала постоянный состав.… … Химическая энциклопедия

Один из основных законов химии: каждое определённое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причём отношения их масс постоянны, а относительные количества их атомов выражаются… … Большая советская энциклопедия

Один из осн. законов химии, заключающийся в том, что каждое хим. соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же хим. элементов, соединённых друг с другом в одних и тех же отношениях (по массе). П. с. з. был установлен… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причём отношения их масс постоянны. Строго применим к газообразным и жидким соединениям. Состав кристаллических соединений может быть и… … Энциклопедический словарь

Каждое хим. соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причём отношения их масс постоянны. Строго применим к газообразным и жидким соединениям. Состав кристаллич. соед. может быть и неременным (см.… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Закон постоянства состава впервые сформулировал французский ученый-химик Жозеф Луи Пруст 1801 году. Этот закон утвердился в полемике Пруста с французским химиком Клодом Луи Бертолле. Последний считал, что направление химической реакции (состав ее продуктов) зависит не только от природы взаимодействующих веществ, но и от их относительных количеств. Абсолютизируя результаты своих экспериментальных исследований химических равновесий, он утверждал, что все вещества имеют переменный состав, который может меняться непрерывно от одного компонента к другому: например, оксиды получаются постепенным насыщением металла кислородом. В то же время Пруст, используя значительно более точные методы анализа, показал, что на самом деле таких непрерывных переходов нет. На примере карбоната меди, оксидов олова и сурьмы, сульфидов железа в разных степенях окисления, а также других веществ он доказал определенность составов соединений вне зависимости от способов их получения. Пруст 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». Итак закон постоянства состава звучит следующим образом: «Качественный и количественный состав сложного вещества не зависит от способа его получения».

Закон простых кратных отношений

Исследуя химико-аналитически оксиды азота и углерода, этилен и метан, водородные соединения азота и фосфора, некоторый другие вещества, Дальтон в 1803 году установил закон кратных отношений: «Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые относятся между собой как небольшие целые числа». Иными словами весовые отношения простых веществ, образующих сложное вещество, выражаются целыми числами типа 1:2:3… Закон кратных отношений, целочисленные отношения эквивалентных масс имели естественным выводом, что молекулы состоят из нескольких неделимых частиц - «атомов». Отсюда появилась возможность определения относительных атомных масс. Джон Дальтон ввел в химию и сам термин «атом» как мельчайшую частицу химического элемента. Атомы различных элементов, по Дальтону, имеют разную массу и тем отличаются друг от друга.

Закон простых объемных отношений

Французский ученый Жозеф Луи Гей-Люссак в 1802 году установил, что объем газа при постоянном давлении увеличивается пропорционально температуре. Позднее он вывел еще один закон: давление газа в замкнутом объеме пропорционально температуре. Свойства газов в конце XVIII - начале XIX века исследовали многие ученые. Еще до Гей-Люссака зависимость между объемом газа и температурой изучал французский физик Жак Александр Сезар Шарль. Но он вовремя не опубликовал полученные им данные, а Гей-Люссак же четко сформулировал закон, который в России называют законом Гей-Люссака, а в Англии и США - законом Шарля. А закон зависимости давления газа от абсолютной температуры наоборот в России известен под именем закона Шарля, а в Англии и США - как закон Гей-Люссака. Часто эти законы называют соответственно первым и вторым законами Гей-Люссака. В 1808 году Гей-Люссак совместно с немецким естествоиспытателем Александром Гумбольдтом сформулировал закон объемных отношений: «объемы вступающих в реакцию газов, находящихся при одинаковых условиях, относятся как целые числа». Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом кислорода, давая 2 объема водяного пара. Сейчас мы записали бы стехиометрическое уравнение так: 2H 2 +O 2 =2H 2 O. Но в начале XVIII века еще не было разграничения понятия атома и молекулы. Гей-Люссак ничего не говорил о том, в виде каких частиц участвуют в реакциях те или иные газы.