Закон постоянства состава химия формулировка. Основные законы химии

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.

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.

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.

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.

Данный урок посвящен изучению закона постоянства состава вещества. Из материалов урока вы узнаете, кто открыл этот закон.

I. Открытие закона постоянства состава вещества

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) FeS, мы смешиваем 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 . 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.

Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава.

Ве­ще­ства, име­ю­щие пе­ре­мен­ный со­став су­ще­ству­ют, их на­зва­ли в честь Бер­тол­ле – бер­тол­ли­да­ми.

Бер­тол­ли­ды - со­еди­не­ния пе­ре­мен­но­го со­ста­ва, не под­чи­ня­ю­щи­е­ся за­ко­нам по­сто­ян­ных и крат­ных от­но­ше­ний. Бер­тол­ли­ды яв­ля­ют­ся несте­хио­мет­ри­че­ски­ми би­нар­ны­ми со­еди­не­ни­я­ми пе­ре­мен­но­го со­ста­ва, ко­то­рый за­ви­сит от спо­со­ба по­лу­че­ния. Мно­го­чис­лен­ные слу­чаи об­ра­зо­ва­ния бер­тол­ли­дов от­кры­ты в ме­тал­ли­че­ских си­сте­мах, а также среди ок­си­дов, суль­фи­дов, кар­би­дов, гид­ри­дов и др. На­при­мер, оксид ва­на­дия(II) может иметь в за­ви­си­мо­сти от усло­вий по­лу­че­ния, со­став от V0,9 до V1,3.

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. Решение задач

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. Контрольные 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.