1.3. Стехиометрические законы
Стехиометрия (переводе с греческого «составная часть» и «измеряю») – раздел химии, в котором рассматриваются массовые и объемные отношения между реагирующими веществами.
1.3.1. Закон сохранения массы веществ
Этот закон впервые сформулирован (1748 г.), а затем экспериментально обоснован (1756 г.) М.В. Ломоносовым. В настоящее время он формулируется так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Исходя из закона сохранения массы, можно составлять химические уравнения и по ним производить расчеты.
1.3.2. Закон постоянства состава
Впервые закон сформулирован французским ученым Прустом (1808 г.): всякое чистое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный количественный и качественный состав.
Так, воду можно получить различными способами: синтезом из водорода и кислорода, реакцией нейтрализации, из кристаллогидратов и др. Чистая вода всегда будет иметь состав, отвечающий формуле Н2О.
Однако последующее развитие химии показало, что существуют соединения как постоянного, так и переменного состава. По предложению академика Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона), вторые – бертоллидами (по имени французского химика Бертолле). Состав дальтонидов выражается простыми формулами с целочисленными стехиометрическими индексами, например, Н2О, Н2SO4, SO3, NH3, CH4 и т.д. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям, они имеют дробные стехиометрические индексы. Так, оксид титана (II) в действительности имеет состав ТiO0,7 до ТiO1,3, а состав ТiO2 изменяется от ТiO1,9 до ТiO2 в зависимости от условий синтеза. Бертоллиды распространены среди оксидов, гидридов, сульфидов, нитридов, карбидов и др. неорганических соединений, имеющих кристаллическую структуру.
Состав же соединений молекулярной структуры является постоянным независимо от способов получения.
1.3.3. Закон эквивалентов
К концу 18 в. на основе изучения опытных данных было замечено, что элементы взаимодействуют друг с другом в строго определенных весовых отношениях. Так, с 1,008 весовыми частями (в.ч.) водорода соединяются 8,0 в.ч. кислорода, или 16 в.ч. серы, или 35,5 в.ч. хлора и т.д. Следовательно, эти весовые количества эквивалентны (равноценны) между собой. Понятие о соединительных весах элементов – их эквивалентах – впервые введено Дальтоном.
Эквивалентом элемента называется число, которое показывает, сколько весовых частей элемента соединяются с 8 в.ч. кислорода или 1 в.ч. водорода, или замещает (непосредственно или косвенно) те же количества водорода и кислорода в их соединениях при химических превращениях.
В настоящее время эквивалентом элемента называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Например, в соединениях HCl, Н2S, NH3, CH4 эквивалент хлора, серы, азота, углерода равен соответственно 1 моль, 1/2 моля, 1/3 моля, 1/4 моля. Масса 1 эквивалента элемента называется его эквивалентной массой.
Так, в приведенных выше примерах эквивалентные массы хлора, серы, азота, углерода соответственно равны 35,5 г/ моль, 32/2 = 16 г/моль, 14/3 = 4,67 г/моль, 12/4 = 3 г/моль.
Между эквивалентом элемента Э, его атомной массой А и валентностью В существует зависимость
, (4)
т.е. эквивалент элемента можно рассчитать, разделив атомную массу элемента на его валентность.
Закон эквивалентов формулируется так: элементы соединяются между собой и заменяют друг друга в количествах, пропорциональных их эквивалентам.
Математическая запись закона эквивалентов:
, (5)
где mA и mB – массы взаимодействующих элементов А и В;
ЭА и ЭВ – эквиваленты элементов А и В.
Понятие эквивалента распространяется и на сложные вещества.
Эквивалентом вещества называется такое количество вещества, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.
Для вычисления эквивалентных масс сложных веществ на основе закона эквивалентов выведены следующие формулы:
Эоксида = Моксида /число атомов элемента х валентность элемента (6)
Экислоты = Мкислоты /Основность кислоты (7)
Эоснования = М основания /Кислотность основания (8)
Эсоли = Мсоли / число атомов элемента х валентность элемента (9)
где М – мольная масса соответствующего соединения.
Закон эквивалентов для сложных веществ формулируется так: химические вещества взаимодействуют между собой в количествах, пропорциональных их эквивалентам.