Закон сталості складу речовини. Закони збереження в хімії

Відео: № 147. Неорганічна хімія. Тема 17. Основні закони хімії. Частина 2. Закон збереження маси речовин

Хімія належить до розряду точних наук, і поряд з математикою і фізикою встановлює закономірності існування і розвитку матерії, що складається з атомів і молекул. Всі процеси, що протікають як в живих організмах, так і серед об`єктів неживої природи, мають у своїй основі явища перетворення маси і енергії. Закон сталості складу речовини, вивчення якого буде присвячена ця стаття, і лежить в основі протікання процесів в неорганічний і органічному світі.

Атомно-молекулярне вчення

Щоб зрозуміти суть законів, керуючих матеріальної дійсністю, потрібно мати уявлення про те, з чого вона складається. За словами великого російського вченого М. В. Ломоносова «У темряві повинні перебувати фізики і, особливо, хіміки, не знаючи внутрішнього частинок будови». Саме він в 1741 році, спочатку теоретично, а потім і підтвердив дослідами, відкрив закони хімії, що служать основою для вивчення живої і неживої матерії, а саме: всі речовини складаються з атомів, здатних утворювати молекули. Всі ці частинки знаходяться в безперервному русі.

Відкриття і помилки Дж. Дальтона

Через 50 років ідеї Ломоносова став розвивати англійський вчений Дж. Дальтон. Вчений виконав найважливіші розрахунки по визначенню атомних мас хімічних елементів. Це послужило головним доказом таких припущень: масу молекули і речовини можна обчислити, знаючи атомний вага частинок, що входять в її склад. Як Ломоносов, так і Дальтон вважали, що, незалежно від способу отримання, молекула сполуки завжди матиме незмінний кількісний і якісний склад. Спочатку саме в такому вигляді було сформульовано закон сталості складу речовини. Визнаючи величезний внесок Дальтона в розвиток науки, не можна промовчати про прикрі помилки: запереченні молекулярногобудови простих речовин, таких як кисень, азот, водень. Вчений вважав, що молекули є тільки у складних хімічних речовин. З огляду на величезний авторитет Дальтона в наукових колах, його помилки негативно вплинули на розвиток хімії.

Як зважують атоми і молекули

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

Чому такий 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 і продуктів, нікуди не зникають і не з`являються з нічого. Їх кількість зберігається без зміни до і після хімічного процесу. Так як маса атомів константна, даний факт логічно призводить до закону збереження маси і енергії. Більш того, вчений декларував цю закономірність, як загальний принцип природи, що підтверджує взаємоперетворенням енергії і 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, в рамках якої велися наукові суперечки між двома французькими вченими, Ж. Прустом і К. Бертолле. Перший стверджував, що склад речовин, що утворилися в результаті хімічної реакції, залежить головним чином від природи реагентів. Бертолле був упевнений, що на склад з`єднань - продуктів реакції впливає ще й відносна кількість взаємодіючих між собою речовин. Більшість хіміків на початку досліджень підтримали ідеї Пруста, який сформулював їх наступним чином: склад складної сполуки завжди постійний і не Завіт від того, яким способом воно було отримано. Однак подальше дослідження рідких і твердих розчинів (сплавів) підтвердило думки К. Бертолле. До цих речовин закон сталості складу непридатний. Більш того, він не діє для з`єднань з іонними кристалічними гратами. Склад цих речовин залежить від методів, якими їх видобувають.

Відео: № 158. Неорганічна хімія. Тема 17. Основні закони хімії. Частина 13.Закон збереження маси речовин

Кожне хімічна речовина, незалежно від способу його отримання, має постійний якісний і кількісний склад. Це формулювання характеризує закон сталості складу речовини, запропонований Ж. Прустом в 1808 році. Як докази він наводить такі образні приклади: малахіт з Сибіру має такий же склад, як і мінерал, видобутий в Іспанії-в 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 і способу його видобутку.

Не буває правил без винятків

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

Відео: Завдання з хімії. Суміші. Закон сталості складу

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

роль ізотопів

Отримавши в своє розпорядження закон сталості речовини, хімія як точна наука змогла пов`язати вагову характеристику з`єднання з ізотопним вмістом елементів, що утворюють його. Згадаймо, що ізотопами вважають атоми одного хімічного елемента з однаковими протонними, але різними нуклонах числами. З огляду на наявність ізотопів, зрозуміло, що ваговій склад з`єднання може бути змінним при умові постійних елементів, що входять в цю речовину. Якщо елемент збільшує вміст будь-якого ізотопу, то і ваговій склад речовини теж змінюється. Наприклад, звичайна вода містить 11% водню, а важка, утворена його ізотопом (дейтерієм), - 20%.

характеристика бертоліди

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

Відео: № 151. Неорганічна хімія. Тема 17. Основні закони хімії. Частина 6. Завдання на Число Авогадро

З усіх вищенаведених прикладів можна дійти висновку: теоретично в хімії присутні дві групи речовин: з постійним і змінним складом. Наявність в природі цих з`єднань слугує прекрасним підтвердженням атомно-молекулярного вчення. А ось сам закон сталості складу вже не є домінуючим в хімічній науці. Зате він наочно ілюструє історію її розвитку.