Основные законы химии. Стехиометрические законы.
В 1756 г. на основе проводимых исследований М.В. Ломоносов пришел к выводу о неизменности веса веществ при химических превращениях и вывел закон сохранения вещества при протекании химических реакций: вес всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу всех продуктов реакции. Закон сохранения вещества можно заменить эквивалентным ему законом сохранения массы: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Например: в химической реакции: С+О2=СО2 масса веществ, вступивших в реакцию, равна М(С) + М(О2)=12 г/моль+2* 16=32 г/моль=44 г/моль, а масса продукта реакции равна М(СО2)=12+2*16=44 г/моль. Другим основным законом химии является закон постоянства состава, открытый Прустом в 1801 году. Он формулируется следующим образом: каждое химическое соединение независимо от способа его получения имеет определенный состав.
Например: оксид углерода можно получить по любой из этих реакций С+О2=СО2, 2СО+О2=2СО2 СаСО3=СаО+СО2 NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2, но в чистом оксиде углерода независимо от способа получения всегда содержится 27,29 мас.% С и 72,71 мас.% О. Таким образом, закон постоянства состава утверждает количественную определенность каждого химического соединения. Следует отметить, что обратное утверждение - каждому определенному составу отвечает только одно химическое соединение - неверно. Например: диметиловый эфир и этиловый спирт имеют одинаковый химический состав - С2Н6О , но являются различными химическими соединениями: СН3-О-СН3 и С2Н5ОН.
Основные газовые законы. Состояние газа характеризуется его температурой, давлением и объемом. Если температура газа равна О°С, а давление равно нормальному атмосферному (101,325 Па или 760 мм рт. ст.), то условия, при которых находится газ, называют нормальными. Объем, занимаемый газом при этих условиях, принято обозначать через Vo, а давление - через Ро. Закон Гей-Люссака: объемы вступающих в реакцию газов относятся к друг другу, а также к объему получающихся газообразных продуктов, как простые целые числа. Рассмотрим реакции: Н2+С12=2НС1 2Н2+О2=2Н2О 3H,+N2=2NH3. Из данных химических реакций видно, что если смешать равные объемы хлора и водорода и выставить на солнечный свет, то происходит взрыв и образуется новое газообразное вещество - хлористый водород. Оба газа соединяются без остатка, если на 1 объем хлора приходится 1 объем водорода, причем получаются ровно 2 объема хлористого водорода. Аналогично, и при других реакциях наблюдается та же закономерность, что в первой реакции: при взаимодействии газообразных химических соединений между объемами реагирующих и образующихся веществ существуют простые соотношения.
Из закона Гей-Люссака следует, что при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре (Т, К): V1,T1 =V2/T2 или V/T=const
Пример: при 27°С объем газа равен 600мл, Какой объем займет газ при 57°С, если давление будет оставаться постоянным? Решение: обозначим искомый объем через V2, а соответствующую ему температуру через Т2. По условию задачи V1=600мл, Т1=273+27=300К и Т2=273+57=330К. Подставляя эти значения в математическое выражение закона Гей-Люссака, получим: 600/300=V2/330, откуда V2=600*330/300=660 мл. Кроме того, при постоянном объеме давление газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре: P1/T1=P2/T2.
Пример: при 15°С давление в баллоне с кислородом равно 91,2*102кПа. При какой температуре оно станет равным 101,3*102 кПа? Решение: обозначим искомую температуру как Т2. По условию задачи T1=273+15=288K, P1=91,2 102 кПа. Подставляя эти значения в уравнение, находим, что Т2=101,3102*288/(91,2*102)=320К или 47°С. Исследования Гей-Люссака привлекли в себе внимание химиков. Простота отношений между объемами реагирующих газов показала, что здесь проявляется какое-то основное свойство газов, выражающееся также в их одинаковом поведении при изменениях давления и температуры. Проанализировав исходные данные, Авогадро сформулировал в 1811г. закон (закон Авогадро): в равных объемах любых газов, взятых при одинаковой температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул. При нормальных условиях один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л. Отсюда можно заключить, что моль любого, вещества имеет одинаковое число молекул. Это число называется числом Авогадро.
Объем 22,4 л называют молярным (мольным) объемом газа и обозначают соответственно VM = 22,4 л/моль. Например, рассмотрим оксид серы SO2. Молекулярная масса M(SO2) равна 64 г/моль. Значит, один моль SO2 имеет массу 64 г и занимает объем (при н.у.), равный 22,4л, а также содержит в этом объеме 6,02*1023 молекул этого газа.
Связь между массой m и объемом V газа при н.у. определяется формулой m = n*M = (V/VM)M:
Закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре давление, производимое данной массой газа, обратно пропорционально объему газа. Математическим выражением закона Бойля-Мариотта являются формулы P2/P1=V1/V2 или PV=const.
Пример: при некоторой температуре давление газа, занимающего объем 3 л, равно 93,3 кПа. Каким станет давление, если, не изменяя температуры, уменьшить объем газа до 2,8л? Решение: обозначив искомое давление через Р2, можно записать Р2/93,3=3/2,8. Отсюда: Р2=93,3*3/2,8=100 кПа.
Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить общим уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака PV/T=P0Vo/To, где Р и V - давление и объем газа при данной температуре Т, Ро, Vo - давление и объем газа при нормальных условиях.
Пример: при 25°С и давлении 99,3 кПа некоторое количество газа занимает объем 152 мл. Найти, какой объем займет это же количество газа при 0°С и давлении 101,33 кПа? Решение: подставляя данные в уравнение, получаем Vо=РVоТ/Р0Т=99,ЗкПа*152мл*273К/(101,33кПа*298К)=136,5мл. Если условия, в которых находится газ, отличаются от нормальных, то используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое связывает все основные параметры газа PV = (m/M)RT, где Р - давление газа, Па; V - объем газа, м3; m, - масса газа, г; М - мольная масса газа, г/моль; R - универсальная газовая постоянная, 11=8,31Дж/(моль*К); Т - температура газа, К.