§ 23. Основные законы химии. Атомно-молекулярное учение

Вы уже знаете, что первые попытки объяснить устройство окружающего нас материального мира носили чисто фило­софский характер. Еще древнегреческие философы Левкипп и Демокрит (V—IV вв. до н. э.) утверждали, что все вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, которые находятся в постоянном и непрерывном движении; атомы разделены пус­тым пространством. По представлению этих мыслителей, ве­щества отличаются друг от друга числом и расположением образующих их атомов. Все происходящие в мире изменения они объясняли соединением и разъединением атомов, предпо­лагая, что у атомов существует внутренний источник движе­ния и они сами способны взаимодействовать друг с другом.

Учение древнегреческих философов об атомах выглядит удивительно современно, и нам оно вполне понятно. Но в то время ни одно из его положений не было доказано. И ато­мистика оставалась просто догадкой, смелым предположе­нием, философской концепцией, не подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок чело­веческого разума постепенно была предана забвению.

Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в первой половине XVII в. учение об атомах вновь воз­рождается благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592—1655). Он утверждал, что различные виды

ДЕМОКРИТ (около 460—370 до н. э.)

Величайший представитель древнегречес­кой философии, основоположник атомистичес­кой гипотезы объяснения мира. Ему принад­лежат исследования по астрономии, геологии, зоологии, математике, физике, медицине, ло­гике. Наряду с этим он писал сочинения об искусстве, музыке и поэзии.

МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ

(1711—1765)

Русский ученый-энциклопедист, первый российский академик Петербургской АН (с 1745), один из основателей современного естествознания. Поражает широта его научных интересов и глубина проникновения в тайны природы. По словам А. С. Пушкина: «Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец — он все испытал и все постиг». В своих теоретических представлениях исхо­дил из атомно-молекулярной теории строения

вещества и принципа сохранения вещества и движения. Ввел в химию ко­личественные методы исследования. Заложил основы физической химии.

атомов, которых в природе совсем немного, соединяясь друг с другом, образуют более крупные частицы — молекулы, из ко­торых построены вещества.

М. В. Ломоносов в XVIII в. развил атомно-молекулярные представления в стройную естественнонаучную систему и впервые ввел их в химию. Собственно, современная химия началась с тех пор, когда были поняты и приняты большин­ством ученых основные положения о внутреннем строении вещества, представления об атомах как носителях свойств эле­ментов и молекулах как носителях химических свойств раз­личных веществ. Эти представления объединяются в атомно-молекулярное учение и помогают установить те законы, кото­рые принято называть основными законами химии.

Закон сохранения массы. Исключительное значение для развития химии имело установление закона сохранения массы, являющегося следствием всеобщего закона сохранения мате­рии и движения, сформулированного М. В. Ломоносовым в 1748 г. как всеобщий естественный закон: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому: так ежели где убудет несколько материи, то умножится в дру­гом месте... Сей всеобщий закон простирается и в самые пра­вила движения; ибо тело, движущее своей силой другое, столь-

АНТУАН ЛАВУАЗЬЕ

(1743—1794)

Французский ученый, один из основателей современной химии. Экспериментально дока­зал, что воздух — не простое тело, как счита­лось в то время, а смесь различных по свой­ствам газов. Предложил название «кислород» и объяснил его роль в процессах обжига, горения, дыхания. Дал определение химического эле­мента, установил химический состав воды, оксидов азота, углекислого газа, серной кис­лоты, ряда минералов. Доказал закон сохра-

нения массы вещества. Один из основателей термохимии. Гильотинирован в период Французской революции.

ко же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

В 1756 г. М. В. Ломоносов экспериментально подтвердил это положение, высказанное в виде философской концепции, проводя опыты по обжигу металлов в запаянной реторте.

Независимо от Ломоносова, закон сохранения массы был открыт и введен в химию французским ученым Антуаном Ла­вуазье в 1789 г., который сделал еще один важный вывод, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого элемента, входящего в состав реагирующих веществ. Следовательно, при химических реак­циях элементы не превращаются друг в друга, а сохраняются.

Современная формулировка закона сохранения массы сле­дующая:

I масса веществ, вступивших в химическую ре­акцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

Это можно объяснить тем, что в процессе химической реакции происходит только перегруппировка атомов, но число атомов и масса каждого атома остаются постоянными. Если же число атомов каждого элемента, а следовательно их общая масса, не изменяются, то и масса реагентов должна всегда быть равной массе продуктов.

ЖОЗЕФ ПРУСТ

(1754—1826)

Французский химик, член Парижской АН (с 1816). Установил закон постоянства состава химических соединений. Открыл гидроксиды металлов, предложил термин «гидрат». Иссле­довал ряд оксидов и сульфидов металлов. Ра­ботал также в области органической химии, выделил глюкозу, открыл аминокислоту лей­цин, исследовал камфару, крахмал, сахар.

Закон сохранения массы сыграл значительную роль в ста­новлении атомно-молекулярного учения и дальнейшем разви­тии химии как науки.

На основании закона сохранения массы составляются урав­нения химических реакций и производятся практически важ­ные расчеты.

Закон постоянства состава. Следующим шагом в разви­тии химии явилось установление положения о постоянстве со­става веществ, выведенного французским ученым Ж. Прустом:

I каждое химически чистое вещество имеет по­стоянный состав, независимо от условий ш спо-! собов его получения.

Например, воду можно получить любым способом:

Итак, если вещество представляет собой индивидуальное химическое соединение (без примесей), то состав его постоя­нен и не зависит от способа получения. Отклонение от ука­занного состава свидетельствует о присутствии примесей. Од­нако обратное утверждение — каждому определенному соста­ву отвечает только одно химическое соединение — неверно. Например, диметиловый эфир СН₃—О—СН₃ и этиловый спирт С₂Н₅ОН имеют одинаковый химический состав С₂Н₆О, но являются различными химическими соединениями, отли­чающимися друг от друга структурой молекул, т. е. порядком соединения в них атомов.

|| Вещества с одинаковым химическим соста­вом и различным строением называются изо-! мерами.

Следовательно, количественный состав сам по себе не определяет специфику вещества.

Правильность высказанного Ж. Прустом положения о по­стоянстве состава веществ отрицал известный в то время авто­ритет, французский химик К. Бертолле, считавший, что состав вещества может изменяться в определенных пределах.

Вопрос о постоянстве состава веществ стал предметом се­милетнего спора между Ж. Прустом и К. Бертолле. В резуль­тате тщательной экспериментальной проверки взглядам Ж. Пруста в то время было отдано предпочтение. Высказанное им положение в 1808 г. было признано законом постоянства состава.

В действительности же взгляды обоих ученых были спра­ведливы. Это доказал русский химик академик Н. С. Курнаков, который в начале XX в. сформулировал представление о ве­ществах постоянного состава — дальтонидах и переменного состава — бертоллидах .

Соотношение атомов водорода и кислорода в молекуле во­ды всегда 2 : 1, а массовое соотношение 2:16 или 1 : 8 (учи­тывая, что А_Г(Н) = I, а ^4/0) = 16). Массовые доли водорода и кислорода в химически чистом образце воды соответственно составляют 11,12 % и 88,88 %.

Бертоллидами являются оксиды, гидриды, сульфиды, нитриды, карби-ды и другие бинарные соединения й- и /-элементов. Например, соедине-ниями переменного состава являются РеО, *П₂О₃, 1ЧЬН, ТаЫ, ЦО^ и др., поэтому приведенные формулы являются формальными.

Следовательно, закон постоянства состава не является справедливым для всех веществ. В свое время он сыграл важ­ную роль, способствуя укреплению в химии атомно-молеку-лярного учения, поскольку позволил рассматривать химичес­кое соединение как вещество, состоящее из определенных мо­лекул и потому имеющее постоянный состав. В то время (до начала XX в.) считалось, что все вещества состоят из молекул.

'■* А что вам сегодня известно о составе вещества? Назовите в ка­честве примера какие-либо частицы, которые, по вашему мне­нию, входят в состав вещества.

В настоящее время высказанное Ж. Прустом положение законом не считается. Известно, что многие вещества имеют нем.олекулярное строение. Их состав может меняться в опре­деленных пределах в зависимости от условий получения. Кро­ме того, даже некоторые вещества молекулярного строения, например полимеры, не имеют постоянного состава.

Закон объемных отношений. Известно, что масса веществ при химических реакциях сохраняется постоянной. В отличие от массы объем реагентов может существенно меняться. Это происходит тогда, когда в реакции принимают участие газооб­разные вещества или образуются газообразные продукты.

Измеряя объемы газов, вступивших в реакцию и образо­вавшихся в результате ее, французский ученый Ж. Гей-Люссак

ЖОЗЕФ-ЛУИ ГЕЙ-ЛЮССАК

(177»—1850)

Французский химик и физик. Открыл газо­вые законы, названные его именем. Занимался фундаментальными исследованиями в области физической, неорганической и органической хи­мии. Внес весомый вклад в изучение галогенов, фосфорных кислот, щелочных металлов. Содей­ствовал распространению объемных методов в аналитической химии. Открыл циан (1815), раз­работал метод приготовления щавелевой кисло­ты. Сконструировал башню с системой свинцо­вых камер, которая в технологии серной кис­лоты носит его имя.

в 1808 г. сформулировал закон объемных отношений, извест­ный как «химический» закон Гей-Люссака:

11 объемы вступивших в реакцию газов относятся 11 друг к другу и к объемам полученных газооб-11 разных продуктов как небольшие целые числа.

При этом считается, что все объемы газов приведены к одинаковым температуре и давлению. Например, при синтезе хлороводорода из простых веществ — водорода и хлора

Н₂(г) + С1₂(г) = 2НС1(г) соотношение объемов газов следующее:

У(Н₂) : К(С1₂) : К(НС1) =1:1:2,

т. е. 1 л водорода соединяется с 1 л хлора и при этом образуется 2 л хлороводорода. Следовательно,

|| в уравнениях химических реакций коэффици-| енты перед формулами газообразных веществ

II соответствуют их объемам.

Как объяснить выявленную закономерность?

Закон Авогадро. Выявленную Ж. Гей-Люссаком законо­мерность объясняет закон, открытый в 1811 г. итальянским ученым Амедео Авогадро.

АМЕДЕО АВОГАДРО (1776—1856)

Итальянский физик и химик. Заложил ос­новы молекулярной теории, открыл один из га­зовых законов, названный его именем. Опре­делил состав и относительную молекулярную массу многих веществ. Доказал, что молекулы водорода, кислорода, азота, хлора двухатомны. Его работы способствовали дальнейшему раз­витию атомно-молекулярной теории.

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержится одинаковое число молекул.

Из закона Авогадро вытекают два следствия. Следствие первое:

| один моль любого газа при одинаковых усло-I виях занимает одинаковый объем.

При нормальных условиях (давлении в 1 атм (101325 Па) и температуре 273,15 К или О °С) объем 1 моль любого газа будет равен 22,4 л. Постоянная У_т = 22,4 л/моль называется молярным объемом газа при нормальных условиях (н. у.). При любых условиях

| молярный объем газа — это величина, равная отношению объема газа при данных условиях к 11 количеству вещества этого газа

где У_т — молярный объем газа, м /моль (л/моль); V— объем газа при данных условиях, м (л); п — количество вещества газа, моль.

При стандартных условиях (давлении в 1 атм (101325 Па) и температуре 298,15 К или 25 °С) молярный объем газа равен не 22,4, а 24,4 л/моль.

Молярный объем газа У_т можно вычислить также, зная молярную массу газа М и его плотность.

Молярный объем газа — это величина, рав­ная отношению молярной массы газа к его ! плотности

где У_т — молярный объем газа, м/моль(л/моль); М—мо­лярная масса газа, кг/моль (г/моль); р — плотность газа,

. кг/м³ (г/л).

Следствие второе: масса одного и того же объема газа тем больше, чем больше масса его молекул. Если в оди­наковых объемах газов при одних и тех же условиях содер­жится одинаковое число молекул, то очевидно, что

отношение масс одинаковых объемов газов при одних и тех же условиях равно отношению их молярных масс

где П1\ — масса определенного объема первого газа; т₂ — масса такого же объема второго газа; М\ и М₂ — молярные массы соответственно первого и второго газов.

Отношение массы определенного объема

данного газа к массе такого же объема другого

газа (взятого ори тех же условиях) называется

относительной плотностью первого газа по

I второму:

Следовательно, можно утверждать, что

11 плотности различных газов, взятых при оди-| наковых условиях, пропорциональны их моляр-| > ным массам

Периодический закон. Основываясь на атомно-молеку-лярном учении и химических свойствах элементов, Д. И. Мен­делеев в 1869 г. открыл периодический закон — один из основ­ных законов природы. Современная формулировка периоди­ческого закона:

ц свойства элементов, а также свойства образуе-11 мых ими простых и сложных веществ находятся . 11 в периодической зависимости от зарядов ядер I! их атомоз.

о Вспомните историю открытия Д. И. Менделеевым периодичес­кого закона.

& Расскажите о периодической системе с точки зрения строения атома.

Кроме известной вам так называемой короткой формы изображения периодической системы, используется еще и «длинная» форма, также предложенная самим Менделеевым. Вообще-то существует много вариантов изображения перио­дической системы и не только в виде таблицы. Но из таб­личных вариантов в настоящее время наиболее распростра­ненными являются короткая и длинная формы. Они взаимно дополняют друг друга и в целом идентичны. Однако в по­следнее время длинная форма приобретает большую попу­лярность, поскольку она ярче согласуется со строением атомов химических элементов.

В длинной форме (см. вклейку) большие периоды, так же как и малые, занимают только одну горизонталь, на два ряда не делятся. Слева располагаются 5-элементы, в атомах которых заполняются 5-орбитали; справа—/>-элементы, в атомах ко­торых заполняются р-орбитали. У 5- и /(-элементов запол­няется внешний электронный слой. Среднюю часть больших периодов занимают так называемые переходные элементы, в атомах которых заполняются а'-орбитали предвнешнего слоя. Семейства лантаноидов и актиноидов — это/-элементы. У них заполняется третий снаружи слой. Эти семейства, как правило, выносят за пределы таблицы как в короткой, так и в длинной формах. Различие в последовательности заполнения электрон­ных слоев (внешних и более глубоко расположенных) объяс­няет причину различной длины периодов.

Длинная форма периодической системы включает 16 групп — 8 главных и 8 побочных (подгрупп нет), обозна-

ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ

МЕНДЕЛЕЕВ (1834—1907)

Русский химик, разносторонний ученый, педагог, прогрессивный общественный дея­тель. Открыл периодический закон химичес­ких элементов (1869).. Создал периодичес­кую систему, которую неустанно совершен­ствовал. Она получила полное признание еще при жизни Менделеева. Поражает ши­рота интересов ученого: он автор многих фундаментальных исследований по химии, химической технологии, физике, метроло­гии, воздухоплаванию, метеорологии, сель­скому хозяйству, народному просвещению и др. Был избран членом Лондонского королевского общества, Римской, Парижской, Берлинской АН, а также почетным членом многих научных обществ России, Западной Европы и Америки.

чаемых буквами А и Б. Положение в группах 5- и/^-элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя, а й- элементов — общим числом з-электронов внешнего и й?-электронов предвнешнего слоев. Периодическая повто­ряемость строения внешних электронных оболочек атомов является причиной периодического изменения свойств хими­ческих элементов. В этом заключается физическая сущность периодического закона, которая не зависит от формы пред­ставления периодической системы элементов.

Открытие в конце XIX в. электрона, радиоактивности, сложного строения атома, элементарных частиц привело к тому, что многие положения классического атомно-молеку-лярного учения пришлось пересмотреть. Так, еще Д. И. Мен­делеев говорил об атоме как о химически неделимой частице. Исследование свойств твердых тел показало, что в подав­ляющем большинстве случаев молекулярная теория к ним неприменима. Кристаллы солей состоят не из молекул, а из ионов, существование которых никак не вытекает из основ атомно-молекулярной теории.

И все же основные представления атомно-молекулярной теории прочно вошли в химическую науку. Все открытия

физики и химии XX в. привели лишь к сужению границ при­менимости этой теории, но не поколебали ее основ. Даже современная квантовая химия, в рамках которой нет никакой необходимости рассматривать молекулы как частицы, состоя­щие из атомов, сохраняет эти представления.

Основы атомно-молекулярного учения широко исполь­зуются не только в современной химии, но и в физике, био­логии, геологии, астрономии и других естественных науках.

Задания для самоконтроля

135. Сформулируйте закон сохранения массы. Кем он был от­ крыт и какое значение имеет?

136. Для сгорания 100 г метана необходимо 400 г кислорода. При этом образуется 225 г воды. Определите массу образовавшегося оксида углерода(1У).

137. Что вам известно о постоянстве состава веществ?

138. Сформулируйте закон объемных отношений и объясните его на конкретном примере.

139. Хватит ли 400 м³ кислорода для сжигания 100 м³ пропана?

140. Сформулируйте закон Авогадро и объясните следствия из него.

141. Определите объем водорода (н. у.), выделившегося при взаимодействии алюминия количеством вещества 0,5 моль с рас­ твором серной кислоты.

142. Элемент, атом, молекула простого вещества— в чем разли­ чие этих понятий?

143. Сформулируйте периодический закон и раскройте его зна­ чение.

144. Из указанных элементов третьего периода наиболее ярко выраженными неметаллическими свойствами обладает

1. алюминий; (3) сера;

2. кремний; (4) хлор.

145. Основные свойства элементов главной подгруппы первой группы с увеличением протонного числа (порядкового номера)

1. ослабевают;

2. усиливаются;

3. остаются неизменными;

4. ослабевают, а затем усиливаются.

I

146. Формула соединения азота с кислородом, в котором массо-.вая доля азота составляет 30,4 %, а молекулярная масса в газооб­разном состоянии равна 92, это:

147. Что, по вашему мнению, позволяет считать элементы С1 и I аналогами, а что указывает на их различия?

149*. При взаимодействии двухвалентного металла массой 6,85 г с водой выделился водород объемом 1,12 л (н. у.). Этот металл

148*. Массовая доля водорода в соединении с элементом IV группы равна 0,125. Водородное соединение этого элемента имеет формулу