2. Стехиометрические1 законы

Законы, которым подчиняются химические соединения постоянного состава, называются стехиометрическими.

2.1. Закон сохранения массы2

Принцип: «В химической реакции не может происходить возникновения или исчезновения материи».

Формулировка закона: «Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе продуктов реакции».

Например, если 4 г водорода сгорают в кислороде с образованием 36 г воды, значит в этой реакции принимают участие 32 г кислорода:

4 г 32 г 36 г

Объяснение закона с позиций атомно-молекулярного учения:

в результате химической реакции происходит лишь перегруппировка атомов в веществе (или веществах), т. е. существующие химические связи между атомами разрываются и образуются новые, но число атомов до и после реакции остаётся неизменным. Поэтому масса веществ в химической реакции не изменяется.

Однако закон сохранения массы носит относительный характер.

Физик – теоретик Альберт Эйнштейн в 1905 г. установил взаимосвязь массы и энергии (закон сохранения массы и энергии):

,

с – скорость света в вакууме (3∙10⁸ м/с, или 300 000 км/с).

Следовательно, любое изменение энергии ∆Е влечёт за собой изменение массы ∆m. Однако, изменение массы за счёт выделения энергии нельзя обнаружить в химических реакциях. Это объясняется тем, что величина с² очень велика и поэтому энергии, выделяющейся или поглощающейся в химических реакциях, соответствует весьма незначительная масса, которую практически нельзя измерить современными приборами.

Если, например, при реакции хлора с водородом образуется 1 моль хлороводорода НСl, то выделяется 92,3 кДж энергии. Этой энергии соответствует масса, равная 10^–9 г. В ядерных реакциях (например, при распаде атомных ядер урана или плутония), наоборот, выделяется энергия, в миллионы раз большая, чем при химических реакциях, что приводит к значительному изменению массы, которую уже можно измерить.

2.2. Закон постоянства состава

Основоположник: французский химик Жозеф Луи Пруст (1799-1808).

Формулировка закона: «Химическое соединение, независимо от способа его получения, имеет один и тот же состав».

Этот закон справедлив для веществ молекулярного строения, однако большинство неорганических веществ (с атомной, ионной и металлической кристаллическими решётками) в обычных условиях не имеет молекулярного строения, т. е. в кристаллах этих веществ молекул нет.

Так, состав оксидов титана(IV) и ванадия(II) не следует изображать химическими формулами ТiО₂ (более точная формула ТiО_1,9 – ТiО₂) и VO (в зависимости от условий получения состав этого оксида может быть от VО_0,9 до VО_1,3). Отклонения от закона постоянства состава незначительные и при составлении химических формул они, как правило, не учитываются.

Эти отклонения были обнаружены русским химиком Н.С. Курнаковым (1912-1913). Вещества молекулярного строения, которые подчиняются закону постоянства состава, он назвал дальтонидами (по имени английского химика и физика Д. Дальтона), а вещества немолекулярного строения – бертоллидами (по имени французского химика К. Бертолле, который предвидел существование таких веществ).

Более точная формулировка закона: «Всякое чистое (индивидуальное) вещество молекулярного строения имеет постоянный состав, независимо от способа его получения. Состав вещества немолекулярного строения зависит от способа и условий его получения».

Необходимо также учитывать изотопный состав химических элементов: в обычной воде, например, массовая доля элемента водорода составляет 11,19 %, а в тяжёлой воде  – 20 %.