4. Основные химические законы

Между веществами, вступающими в химическую реакцию (реагентами), и образующимися в результате реакции (продуктами), существуют строгие количественные соотношения, подчиняющиеся ряду основных законов.

Закон постоянства состава – качественный и количественный состав индивидуального химического соединения строго постоянен и не зависит от способа его получения.

Закон сохранения массы вещества – масса веществ, образовавшихся в результате реакции, равна массе веществ, вступивших в реакцию.

Закон объемных отношений газов (закон Гей-Люссака) – объемы образовавшихся газообразных продуктов и вступивших в реакцию газов относятся друг к другу как небольшие целые числа.

Закон Авогадро – в равных объемах газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Из закона Авогадро вытекает ряд следствий:

Следствие I – отношение объемов реагирующих газов (измеренных при одинаковых условиях) равно отношению стехиометрических коэффициентов в уравнении соответствующей реакции, т.е. равно отношению мольных количеств веществ:

V(X₁) : V(X₂) = n(X₁) : n(X₂)

Например, горение сероводорода протекает по уравнению:

2H₂S_(г) + 3O_2(г) = 2SO_2(г) + 2H₂O_(ж)

Следовательно, V(H₂S) : V(O₂) : V(SO₂) = n(H₂S) : n(O₂) : n(SO₂) = 2 : 3 : 2

Следствие II – при одинаковых температуре и давлении отношение масс равных объемов газов равно отношению их молярных масс и численно равно отношению их плотностей:

m₁/m₂ = M₁/M₂ = ρ₁/ρ₂ (ρ – плотность газа).

Отношение ρ₁/ρ₂ называется относительной плотностью первого газа по второму и обозначается D. Данная зависимость позволяет использовать закон Авогадро для определения молярных масс газов.

Молярная масса вещества в газообразном состоянии равна его плотности по некоторому газу, умноженной на молярную массу второго газа:

M₁ = DM₂

Если плотность газа определяется по отношению:

а) к водороду, то M₁ = D(H₂) ^. М(Н₂);

б) к воздуху, то M₁ = D_(возд.) ^. 29, где 29 – средняя молярная масса воздуха.

Следствие III – один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем, называемый молярным объемом.

При нормальных условиях (Т = 273 К, Р = 101,325 кПа) молекулярный объем любого газа равен 22,4 л/моль. Количество вещества п(Х) в данном объеме газа V(Х) при нормальных условиях находится из соотношения: п(Х) = V(X)/V_M. Так, 11,2 л газа (н.у.) составляют 11,2л/22,4л/моль = 0,5 моль.

Молярный объем газа при условиях, отличающихся от нормальных, может быть найден по уравнению Менделеева-Клапейрона: PV = nRT, где R – универсальная газовая постоянная, равная 0,082л ^. атм/(моль ^. К), или 8,314 Дж/(моль ^. К). Зная, что п = m/М, уравнение можно записать: PV = m/M^.RT.

Состав газовых смесей часто характеризуется объемными долями компонентов в смеси.

Объемная доля – отношение объема данного компонента V(X) к общему объему системы V. Объемная доля обозначается ϕ(Х), это безразмерная величина, ее выражают в долях от единицы или в %. ϕ(Х) = V(X)/V_{системы}

Так как объем газа при данных условиях не зависит от химической природы газа, объемная доля газа численно равна его мольной доле:

ϕ(Х) = V(X)/V_{системы} = п(Х)/п_общее где п_общее – суммарное число молей всех компонентов системы.

Задачи для самостоятельного решения

Задача46. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 8 л аммиака (н.у.)? (Ответ: 28,6 л)

Задача47. При сжигании углеводорода получили 13,44 л СО₂ (н.у.) и 12,6 г Н₂О. какой объем кислорода (н.у.) израсходовали при этом? (Ответ: 21, 28 л)

Задача48. При н.у. 10,75 л смеси водорода и кислорода имеют массу 2 г. найдите объемный состав смеси. (Ответ: 0,73% О₂ и 99,27% Н₂)

Задача 49. Плотность по водороду смеси кислорода с озоном равна 17,6. Найдите объемный состав смеси. (Ответ: ϕ(О₂) = 80%, ϕ(О₃) = 20%)

Задача50. Установите формулу аспирина, если массовые доли входящих в его состав элементов составляют (%): водорода 4,45; кислорода 35,55; углерода 60,0. Молярная масса аспирина 180 г/моль. (Ответ: С₉Н₈О₄).

Задача51. Установите формулу соединения, при сжигании 10 г которого образовалось 3,672 л диоксида углерода (н.у.), 1,863 л азота (н.у.) и 4,426 г воды. Плотность паров данного соединения по воздуху равна 2,103. (Ответ: СН₃NO₂).

Задача № 52. В какой массе алюмокалиевых квасцов KAl(SO₄)₂*12Н₂О содержится а) 2,7 г Al; б) 0,06 моль Н₂О; в) 0,1 моль атомов кислорода?

Задача № 53. Какая масса хлорида бария необходима для полного осаждения сульфат-ионов из раствора, содержащего 0,1 моль сульфата железа (III).

Задача № 54. При сжигании 8,6 углеводорода получили 12,6 г Н₂О. какой объем кислорода (н.у.) израсходован на горение?

Задача № 55. При прокаливании масса кристаллогидрата хлорида кальция уменьшается на 49,315 %. Установите формулу кристаллогидрата.

Задача № 56. Природный фосфорит содержит 95 % ортофосфата кальция. Сколько дигидрофосфата кальция можно получить из 1 т фосфорита при его обработке избытком ортофосфорной кислоты, если выход составляет 80%?