1.Закон сохранения массы в химических превращениях. Обоснование. Условия его выполнения.

Масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. Масса данного количества (т.е. числа молей) вещества зависит от состояния вещества, в частности от его энергии в соответствии с соотношением Эйнштейна. Так увеличение энергии какой-либо порции вещества на 1 Дж вызывает увеличение ее массы на 10^-14 г. Для примера возьмём реакцию, в которой выделяется наибольшее количество энергии в расчете на единицу массы, а именно рекомбинацию атомов водорода в молекулу:

Н + Н = Н₂ + 432 Дж

Изменение массы на моль образовавшегося водорода составит 4,3·10^-9; масса моля водорода известна с точностью до 10^-8 г, следовательно, современными средствами обнаружить такое изменение массы невозможно даже в приведенном примере самой выгодной в энергетическом отношении химической реакции; тем более это невозможно в других случаях. В данном рассмотрении предполагалось, что выделившаяся энергия не принадлежит образовавшемуся молекулярному водороду, а потерянна системой. Естественно поэтому масса последней должна уменьшиться; при этом, очевидно, увеличивается масса тех веществ, которые окружают нашу систему и восприняли её энергию, так что общая масса материи в мире в результате химического процесса не изменилась, хотя при измерении в одинаковых условиях масса молекулы Н₂ меньше удвоенно атомной массы водорода. Таким образом, при рассмотрении химической реакции в изолированной системе масса продуктов реакции точно равна массе реагентов. Если происходит потеря или поглощение энергии системой в результате обмена с окружающей средой, то масса продуктов не равна массе исходных веществ. Для химических превращений на практике изменение массы тела учитывать не следует. В химии приходится это учитывать при вычислении атомных масс. В качестве примера рассмотрим углерод. По определению атомной единицы массы атомная масса изотопа углерода ¹²С равна 12; а то же время сумме масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра этого атома, и электронов составляет 12,099 а.е.м. Разница - так называемый дефект массы - возникает из-за того, что в результате реакции 6p + 6n + 6e выделяется около 10 в 10 кДж/моль энергии.

2. Закон постоянства состава. Условия его выполнения.

Каждое химическое соединение имеет вполне определённый и постоянный состав. Состав химического соединения не зависит от способа его получения. Рассмотрим закон постоянства состава в приложении к каждому типу веществ. Начнём с растворов. Состав и свойства данного вещества-раствора — зависят от относительных количеств взятых веществ. Тоже для твердых растворов. Закон постоянства состава неприменим к растворам. Рассмотрим твёрдые вещества с атомными кристаллическими решётками, неМе и Ме. Нужно, чтобы числа разных атомов в кристалле совпадали с точностью до 16-го знака, что невероятно в реальных условиях образования кристалла. В зависимости от условий получения подобных веществ они будут содержать избыток того или другого компонента. Вещества с атомными кристаллическими решётками не подчиняются закону постоянства состава теоретически (на практике закон может выполняться с высокой степенью приближения). Вышесказанное относится и к ионным кристаллам. Область составов, в которой существует данное химическое соединение, называется областью его гомогенности. Итак, кристаллические вещества атомного и ионного строения не подчиняются закону постоянства состава. Здесь только следует отметить, что нестехиометрический состав таких соединений обеспечивается образованием дефектов - катионных или анионных вакансий в ионных или нейтральных вакансий в атомных решётках. Перейдём к веществам, построенным из молекул. В качестве примера возьмём воду. Вода различных источников имеет разный изотопный состав, в основном по содержанию дейтерия. Веществ без примесей не существует. Вещество вода, как и любое другое вещество, имеет переменный состав и в этом смысле не подчиняется закону постоянства состава. В то же время, очевидно, что состав молекул воды не зависит от способа получения; для молекул (не вещества!) закон постоянства состава совершенно строг, но одновременно тривиален. Существует ли закон постоянства состава для вещества? Да. Как бы мы ни получали воду, в ней отношение водорода и кислорода будет равно 2:1 (точно) плюс примеси. Применяя закон постоянства состава необходимо учитывать существование областей гомогенности соединений и примеси. Исчерпывающий ответ на вопрос, какой именно состав вещества реализуется в тех или иных условиях, даёт диаграмма состояния соответствующей химической системы. Наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. 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 Н₂О, HCl, ССl₄, СО₂. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиометрическим отношениям. В связи с наличием соединений переменного состава в современную формулировку закона постоянства состава следует внести уточнение. Состав 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.

З. Атомная единица массы. Моль. Молярные массы и объём.

Пользоваться единицами системы СИ и даже их десятичными долями неудобно. В настоящее время (с 1961 г.) и в химии, и в физике принята общая единица атомной массы - углеродная - 1/12 массы изотопа углерода ¹²С. В системе СИ её значение (1.6605655 ± 0.0000086)·10^-27 кг, она называется атомной единице массы - а.е.м. Так как ядро атома углерода состоит из 12 нуклонов, массы которых близки между собой и приблизительно равны 1 а.е.м., то атомные массы атомов изотопов остальных элементов также близки к целым числам. Атомные массы элементов в зависимости от их природного изотопного состава могут сильно отличаться от целых чисел. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде - 12 массой 0,012 кг (точно). При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. Например, 1 моль углекислого газа содержит 1 моль молекул CО₂,1 моль атомов С, 2 моль атомов О. Количество вещества (в молях) не пропорционально массе, так как массы молекул одного и того же вещества, даже без учёта различного изотопного состава, находясь в разных энергетических состояниях, имеют различную массу (с учётом соотношения Эйнштейна m = Е/с² ). Поэтому количество вещества - моль - новая единица, принципиально отличная от массы. Масса моля любого вещества, выраженная в граммах, численно равна средней массе соответствующей структурной единицы системы, выраженной в атомных единицах массы. Массу моля вещества называют молярной массой. Так, молекулярная масса кислорода 32 а.е.м., а молярная - 32 г. Эталона моля пока не существует.

В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится равное число молекул. При одинаковых условиях моль любого газа занимает один и тот же объём, который приблизительно равен 22,4 л при нормальных условиях, которыми называют температура 0ºС (273.15 К) и давление 1 атмосфера (101 325 Па). Закон Авогадро выполняется, хотя и приближённо, причём молярный объём некоторых газов довольно сильно отличается от числа 22.4. Это понятно: равные количества (числа молекул) разных газов должны занимать разные объём. Важное следствие из закона Авогадро: отношение плотности d двух газов равно отношению их молекулярных масс.