1.1.6. Закон авогадро. Молярний об'єм газу.

Відносна густина газу

Закон авогадро

У 1811 р. італійський учений А. Авогадро висунув гіпотезу про те, що молекули газів двохатомні, а також про те, що в рівних об'ємах різних газів за однакових умов (температури і тиску) міститься однакова кількість молекул.

Оскільки А. Авогадро не був відомим ученим, ці припущення з часом забулися, і лише у 1860 році гіпотеза була визнана законом. Саме тоді були сформульовані два наслід­Кальцію має позитивний заряд (+2), а атом Оксигену — негативний (—2). У молекулі сульфат­ної кислоти (Н₂8О₄) є чотири атоми Оксигену, які несуть 8 негативних зарядів, і два атоми Гідрогену, що несуть два позитивні заряди. З умови електронейтральності молекули випли­ває, що атом Сульфуру повинен нести 6 позитивних зарядів:

+2 +6 -8 Н₂8О₄.

Величини цих зарядів є формальними, насправді розташування зарядів у іоні ВО^^- має істотно більш складний характер, однак знання цього заряду дозволить зрозуміти і передба­чити багато хімічних властивостей речовини.

Ступінь окиснення

Формальний електричний заряд на даному атомі, що випливає з умов електронейтраль- ності молекули, називається ступенем окиснення елемента в даній хімічній сполуці.

Тобто, на відміну від валентності, величина ступеня окиснення є позитивною або негатив­ною.

1.2. Хімічна реакція

Протікання хімічних процесів відбувається відповідно до законів хімії. Закони, що ви­значають кількісне співвідношення між елементами в молекулах, а також між кількістю вихідних речовин і продуктів реакції, називаються стехіометричними. До стехіометричних законів відносяться закон збереження маси, закон постійності складу, а також закони Гей- Люссака і Авогадро.

1.2.1. Закон збереження маси

Основним законом, що підпорядковує всі процеси, які відбуваються в природі, є закон збереження матерії та енергії. Однією з складових цього закону, що діє в хімії, є закон збере­ження маси. Закон був сформульований у 1748 р. М. В. Ломоносовим у його листі до графа І. І. Шувалова. У 1789 р. цей закон, окрім Ломоносова (оскільки він не був опублікований Ломоносовим у науковій літературі), сформулював і опублікував Антуан Лоран Лавуазьє. Тому закон збереження маси називають (переважно у слов'янських країнах) законом Ломо- носова-Лавуазьє. У сучасній інтерпретації він формулюється таким чином:

Маса речовин, що вступили до реакції, дорівнює масі речовин, що утворилися внаслідок реакції.

Сутність цього закону полягає в тому, що в процесі хімічної реакції атоми хімічних еле­ментів не з'являються і не зникають (зникають і утворюються молекули), тобто їх кількість і маса залишаються незмінними.

У зв'язку з цим випливає ще одне формулювання закону:

Маса реагентів і утворюваних речовин на всіх стадіях реакції залишається постійною.

Одним з наслідків цього закону є введення до рівняння хімічної реакції стехіометричних коефіцієнтів, що зрівнюють кількість атомів елементів у лівій (вихідні речовини) і правій (продукти реакції) частинах рівняння.

Наприклад:

4МН₃ + 5О₂ ^ 4МО + 6Н₂О.

З цього рівняння випливає, що для найбільш сприятливих стехіометричних умов про­ведення реакції необхідно взяти 4 молі амоніаку та 5 молів кисню, при цьому утворяться 4 молі нітроген (II) оксиду та 6 молів води.

• Закон сталості складу

Закон сталості складу був сформульований у 1797 р. Ж. Прустом після його довготривалої і запеклої полеміки з К. Бертолле. Сучасне його формулювання таке:

Якісний і кількісний склад речовини молекулярної будови завжди сталий і не залежить від місцезнаходження і способів добування.

Закон сталості складу поширюється тільки на індивідуальні речовини (жодна індивідуальна речовина, тобто така, що не містить домішок, до цього часу не одержана). Зазвичай речови­ни, навіть дуже чисті, містять деяку кількість домішок, вихідних речовин, що інформують нас про походження (тобто про те, з якого родовища були отримані вихідні речовини), та побічних продуктів, що дають інформацію про метод одержання речовини.

Цікаво, що закон сталості складу не має зворотної сили, бо існує явище ізомерії, тобто не можна сказати, що якісний і кількісний склад повністю визначає речовину.

Як уже зазначалося, формулі С₂Н₆О відповідають дві речовини, а формулі С₂₀Н₄₂ відпові­дають 360 000 сполук!

• Закон об'ємних співвідношень газів під час хімічних реакцій

Безліч хімічних процесів відбувається або з поглинанням чи з виділенням газів, або вони протікають у газовій фазі (наприклад, утворення води з водню і кисню). Основ­ною стехіометричною характеристикою газу є його об'єм за даних температури та тиску. Особливістю газового стану речовини є те, що, на відміну від твердого і рідкого станів, моле­кули газу розташовані на значній (до 30-50 розмірів) відстані одна від одної.

Тому об'єм газу визначається не стільки розмірами молекул, скільки їх кількістю. У зв'яз­ку з цим стехіометричні коефіцієнти в рівняннях хімічних реакцій виражають відношення об'ємів реагентів та утворюваних газоподібних речовин. Так, з рівняння 28О₂ + О₂ = 28О₃ випливає, що для одержання стехіометричних відношень необхідно на 2 об'єми сульфур (IV) оксиду взяти один об'єм кисню, при цьому утворяться 2 об'єми сульфур (VI) оксиду (у таких випадках кажуть, що реакція протікає зі зменшенням об'єму).

Закон об'ємних співвідношень газів гей-люссака

У 1805-1808 рр. Ж. Гей-Люссак сформулював закон об'ємних співвідношень у реакціях між газами.

За однакових умов об'єми газів, що вступають у реакцію, відносяться між собою і до об'єму утворених газів як невеликі цілі числа.

Так, у реакції окиснення сульфур (IV) оксиду на сульфур (VI) оксид відношення між об'ємами реагентних газів дорівнює 2 : 1, а до продукту реакції — 3 : 2.

На основі уявлень, що існували на початку XIX століття, закон Гей-Люссака неможливо було пояснити. Вважалось, що молекули газів одноатомні. Так, наприклад, рівняння між воднем і киснем записували таким чином:

2Н + О = Н2О.

Тобто з трьох об'ємів вихідних газів повинен утворитися один об'єм газоподібної речовини води. Насправді ж отримували співвідношення об'ємів 2 : 1 : 2 (3 : 2).