Пшестанчик В.Р., Томина В.В., Кострюков В.Ф Стехиометрические законы химии

2

У твер ж денонаучно-м етодическ им советом хим ическ огоф ак ультета п р оток ол№ 3 от24 м ар та2003 года

Костр ю к овВ .Ф .

Учебноеп особиеп одготовленонак аф едр енеор ганическ ой хим иихим ическ огоф ак ультетаВ ор онеж ск огогосудар ственногоунивер ситета.

Рек ом ендуется для студентов1 к ур садневногоивечер негоотделений.

Н астоящ ее из дание п р едназ начено для студентов 1 к ур садневного и вечер него отделений для студентов хим ическ ого ф ак ультета, из учаю щ их к ур с «Н еор ганическ ая хим ия» . В нем р ассм атр иваю тся стехиом етр ическ ие з ак оны хим ии(зак онсохр анения м ассы, з ак онп остоянствасостава, з ак онэк - вивалентов, зак он к р атных отнош ений, зак он объем ных отнош ений, близ- к ий к ним з ак онА вогадр о), п р едставляю щ иесобой ф ундам ентэтой наук и, и связанные с ним ивоп р осы - атом ные им олек уляр ные м ассы, к оличество вещ ества, валентностьик овалентность, дальтониды ибер толлидыидр . О б- суж даю тся п р облем ы, связанныесизучением этих воп р осов, тип ичныенедочеты иош ибк ип р иих освещ ении.

Э то п особие ок аж ется п олезным студентам 1-к ур са, п оз воляя им п о- новом у взглянуть на, к аз алосьбы, известный, но недостаточноглубок о ос- м ысленный м атер иал. Н ап р им ер , з ак он эк вивалентов в р ам к ах ср едней ш к о- лы неиз учается вообщ е, ав учебник ах высш ей ш к олы он р ассм атр ивается неск ольк оп овер хностно, к ак як обы давноиз вестный.

3

С ТЕХИ О М Е ТР И Ч Е С К И Е ЗА К О Н Ы ХИ М И И

Т ер м ин «стехиом етр ия» (в бук вальном п ер еводе с гр еч. – изм ер ение стихий) вп ер выебыл введен в к онцеXVIII в. (1793 г.) нем ецк им ученым И .Б. Рихтер ом (Richter) (1762-1807) п р иизучениик оличественных отнош е- ний м еж дук ислотам ииоснованиям ив р еак циях нейтр ализ ации. И стор ическ ион к ак бы восходитк п ер иодуср едневек овой алхим ии, к огдасчиталось, чтовсевещ ествасостоятиз четыр ех элем ентов-стихий (воды, огня, воздуха изем ли), ип р евр ащ ения вещ еств р ассм атр ивалиськ ак «см еш ивание» этих стихий в оп р еделенных п р оп ор циях. В настоящ ее вр ем я тер м ин «стехио- м етр ия» означаетоп р еделениетех м ассовых (илиобъем ных –для газ ов) соотнош ений, в к отор ых м еж дусобой р еагир ую твещ ества. В едьо т лич ит ель-

но й о со б енно ст ью химич ес ко го взаимо д е й ст вия является то, что оно осу-

щ ествляется не в п р оизвольных, ав ст ро го о пред е ленных соотнош ениях,

ной хим ическ ой тер м инологии. Т ак , к оэф ф ициенты п ер ед ф ор м улам иве- щ еств в ур авнениях хим ическ их р еак ций называю тся ст ехио мет рич ескими ко эффициент ами, индек сы, ук азываю щ ие к оличество атом ов в ф ор м улах соединений –этост ехио ме т рич еские инд ексы, соотнош ения к ом п онентов, п р ик отор ых онир еагир ую тбез остатк а(«з нам енитые» 7 г ж елез аи4 г сер ы)

–этос т е хио мет рич ес кие со о т но шения ит.п .

О тк р ытие стехиом етр ическ их зак онов тесно связано с п р евр ащ ением хим иив к оличественную наук у. Э тизак оны п озволилиук р еп ить в хим ии п р едставления, связ анныессущ ествованием атом ов им олек ул. В свою оче- р едь, атом истическ ие возз р ения п озволилиобъяснить ип онятьсм ысл стехиом етр ическ их зак онов. И стор ия отк р ытия, эволю ция стехиом етр ическ их з ак оновиих совр ем енноесодер ж аниевесьм ап ок азательныип оучительныс точк из р ения р аз вития основных, ф ундам ентальных п онятий хим ии, так их к ак п остоянство ип ер ем енностьсостава, п р облем ы валентностиихим ическ ой связи, р еак ционная сп особность вещ еств ит.п . Н ар яду сп ер иодическ им з ак оном , теор ией хим ическ огостр оения иучением охим ическ их п р о- цессахстехиом етр ическ иез ак оны относятк осн овн ы м закон ам химии.

М еж ду тем в совр ем енной ш к ольной п р огр ам м еп о хим ииэтим з ак о- нам уделеном аловним ания. О бсуж дается з ак он сохр анения м ассы вещ еств, уп ом инается (вск ользь, к ак п очтиочевидный) зак он п остоянствасоставаи р азбир ается зак он А вогадр о, п р ичем в отр ывеотостальных з ак онов, чтоне сп особствуетегоглубок ом увосп р иятию .

И звестны п ять стехиом етр ическ их зак онов хим ии: зак он сохр анения м ассы вещ еств, з ак он п остоянствасостававещ еств, з ак он эк вивалентов, за- к он к р атных отнош ений, з ак он объем ных отнош ений. К ним п р им ык аетза- к он А вогадр о, сф ор м улир ованный вначале в к ачествегип отезы для объяснения з ак онаобъем ных отнош ений, нов настоящ еевр ем я им ею щ ий сам о- стоятельное значение. В се эти зак оны были отк р ыты в истор ическ и небольш ой п р ом еж уток вр ем ени– в к онцеXVIII – п ер вом десятилетииXIX

щ ествеип оле– зак он сохр анения м ассы былассоциир ован свещ еством , а з ак он сохр анения энер гии–сп олем . В к лассическ ой ф изик еп онятия вещ е- стваип оля к ак бып р отивоп оставлялисьоднодр угом у.

В началеXX век аобаэтизак онап одвер глиськ ор енном уп ер есм отр ув связисвозник новением теор ииотносительности(А . Э йнш тейн, 1905). Т ак называем ая р елятивистск ая м еханик а, т.е. м еханик а, учитываю щ ая эф ф ек ты теор ии относительности, утвер ж дает, что м асса хар ак тер из ует не тольк о инер ционныесвойствавещ ества, ноиего движ ение, п оск ольк у зависитот ск ор ости. П онятие энер гиитак ж е п одвер глось из м енению . О к азалось, что энер гия п р оп ор циональнам ассев соответствиисознам енитым ур авнением Э йнш тейна:

И стор ия р аз вития р ассм атр иваем ого з ак она наглядно дем онстр ир ует действие одного из тр ех основных з ак онов диалек тик и– так наз ываем ого

ск азать, п осп ир али, к ак говор ят, «свозвр атом к стар ом унановой основе» в соответствиисизвестной тр иадой Гегеля:

тез ис–антитез ис–синтез В данном случаетезис(исходноеп олож ение) –этоутвер ж дениеЛ ом о-

носоваотом , чтовер ен единый зак он сохр анения м ассы иэнер гии; антите-

зис(п р отивоп олож ноеп олож ение, п ер воеотр ицание) – изолир ованное, не-

зависим оер ассм отр ениезак онов сохр анения м ассы исохр анения энер гиив XIX век е; синтез (втор ое отр ицание) – п олож ение Э йнш тейнаоб эк вива-

лентностим ассы иэнер гии, т.е. онеобходим остир ассм атр иватьединый за- к онсохр анения. Т ак им обр азом , совр ем енноесодер ж аниез ак онасохр анения

6

Здесьм ы небудем вдаваться в п одр обностиотносительноз нак ов теп - ловых эф ф ек тов. П оск ольк у свыделяю щ им ся теп лом Q «уносится» м асса, к отор ую м ож но р ассчитатьиз соотнош ения Э йнш тейна(1) – m = Q/c2, то м ассап р одук таAB будетме ньше сум м ар ной м ассы исходных вещ еств A иB

долж набытьб о льше сум м ар ной м ассы исходных вещ еств навеличину, п р о- п ор циональную к оличествуп оглощ енноготеп ла. О чевиднотак ж е, чтоп олный баланс будет соблю даться, еслиучитывать не тольк о м ассу вещ еств, участвую щ их в р еак ции, но им ассу, п р оп ор циональную энер гии, к отор ая выделяется илип оглощ ается в р езультатер еак ции, в п олном соответствиис совр ем енным содер ж анием зак онасохр анения м ассы иэнер гии, к отор оеот- р аж аетсяур авнением (1).

О днак о вследствие очень больш ой величины к оэф ф ициента п р оп ор -

нениям энер гиисоответствую тничтож ныеиз м енения м ассы. Т ак , из соотнош ения(1) следует, чтоэнер гиив 1 Д ж соответствуетм асса

составляю твеличину п ор ядк асотен к илодж оулей ( 105 Д ж ), тосоответствую щ иеизм енения м ассы будутсоставлятьвсего10-8 –10-9 г. Т ак иер азличия м ассм еж дуисходным ивещ ествам иип р одук там ир еак циилеж атз ап р еделам ичувствительностисам ых точных весов, к отор ыеп р им еняю тся в совр е- м енной п р ак тик е(в том числе, иультр ам ик р овесов, п озволяю щ их взвеш и- ватьсточностью 10-7 г). П оэтом ум ож но считать, чтов химиизак он сохр а- нения м ассы вещ еств соблю дается с достаточной точностью , не п отер яв своего значения ив настоящ еевр ем я. В то ж евр ем я, нап р им ер , п р иядер - ных р еак циях, соп р овож даю щ ихся выделением оченьбольш огок оличества энер гии(109 -1011 Д ж иболее), соответствую щ ие п отер им ассы, так называем ый д ефект масс ы, уж евп олнеощ утим ыиучитываю тся, нап р им ер , п р и р аботеядер ныхр еак тор ов.

всехвеществ, получившихся в результатереакции.

Э тообычная ф ор м улир овк а, п р иводим ая в ш к ольных учебник ах. Н оее м ож носделатьнеск ольк оболеек ом п ак тной п оф ор м е(сохр анив п олностью см ысл), еслип р едвар ительноввестииоп р еделитьнек отор ыедоп олнительные тер м ины. У словим ся всевещ ества, участвую щ ие в р еак ции, называть реагент ами. В ещ ества, стоящ ие в левой частиур авнения р еак ции, будем называть исхо д ными вещес т вами, а те, к отор ые стоят в п р авой части, –

про д укт амиреакции:

7

Т еп ер ь, п ользуясьэтим итер м инам и, з ак он сохр анения м ассы вещ еств м ож - носф ор м улир оватьтак :

О бщая массавсехисходн ы хвеществ равн аобщеймассевсехпродуктов реакции.

Э тот п р им ер п ок азывает, что исп ользование тер м инов в к ачестве со- к р ащ енной зам ены болеедлинных словесных к онстр ук ций п озволяетвыр а- ж атьм ысльв болеек р атк ой, к ом п ак тной ф ор м е, удобной для восп р иятия. К слову ск азать, ш к ольник инер едк оуп отр ебляю твыр аж ения «исходныеп р о- дук ты» и«к онечныеп р одук ты» . К ак следуетиз п р иведенных оп р еделений, оба этивыр аж ения неп р авильны. И сходных п р одук тов п р осто не бывает, этип онятия несовм естим ы (к ак , нап р им ер , «сухая влага» ), ак онечныеп р о- дук ты – это тавтология (тип а«м асляноем асло» ). П р одук ты – всегдак онечные(п ооп р еделению ).

Зак он сохр анения м ассы вещ еств сыгр ал иск лю чительноваж ную р оль для ф ор м ир ования к оличественных п р едставлений в хим ии. О н явился основой для п оследую щ его п р евр ащ ения атом истическ их п р едставлений из ум озр ительных в эк сп ер им ентально обоснованные. В едь еслиобщ ая м асса вещ еств доип ослер еак цииостается п остоянной, авещ ествап остр оены из атом ов, тоотсю даследует, чтоим ассы отдельных атом ов, аследовательно, ик оличество атом ов к аж догосор танедолж ны изм еняться в ходехим ическ ой р еак ции. В озм ож нолиш ьпере распред еление атом ов м еж дур азличны- м ивещ ествам и, носам иатом ы нем огутинвозник ать, ниисчез ать. И м енно на этой основе в дальнейш ем , к огда быласозданахим ическ ая сим волик а, ок азалось возм ож ным составлять хим ическ ие ур авнения, р асставляя в них

по ст о я нным .

Рассм отр им , нап р им ер , (в совр ем енныхсим волах) гор ениеп р оп илена:

C3H6 + O2 → CO2 + H2O

В левой частисхем ы им еем 3 атом ауглер одаи6 атом ов водор одав м о- лек улеп р оп илена. Значит, в п р авой частик оличествоатом ов Н иСдолж но остаться неизм енным , аследовательно, долж ны выделиться 3 м олек улы CO2 , в к отор ых содер ж ится 3 атом аС, и3 м олек улы H2O, содер ж ащ их 6 атом ов Н :

C3H6 + O2 → 3CO2 + 3H2O

Н о теп ер ьв п р авой частисодер ж ится в целом 9 атом ов к ислор ода. Значит, онидолж ны сущ ествоватьив левой части, т.к . «из ничего» атом ы возник - нутьнем огутв соответствиисз ак оном сохр анения м ассы:

C3H6 + 4,5 O2 → 3CO2 + 3H2O

8

О тм етим , что, в п р инцип е, нецелочисленныек оэф ф ициенты в ур авнениях р еак ций вп олне доп устим ы ичасто исп ольз ую тся. К онечно, выр аж е- ние«четыр есп оловиной м олек улы» п р едставляется неп р ием лем ым (исходя из оп р еделения м олек улы). О днак о, еслив п р иведенной з ап исивм естом о- лек улп одр азум еватьп онятиемо ль, точетыр есп оловиной м оля к ислор ода– этовп олнек ор р ек тноеп онятие. Т ем нем енее, еслидр обныестехиом етр и- ческ ие к оэф ф ициенты «не нр авятся» , то от них легк о освободиться, ум но- ж ив всек оэф ф ициенты нап остоянный м нож итель(вп р иведенном п р им ер е

– на2), что, р аз ум еется, ненар уш итобщ ий м атер иальный балансв систем е, соответствую щ ий зак онусохр анения м ассы вещ еств:

2 C3H6 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Хим ическ иеур авнения, составляем ыенаоснованиизак онасохр анения м ассы вещ еств, п оз воляю тосущ ествлятьр азнообр азныек оличественныер асчеты –м ассы илиобъем ы (для газов) выделивш ихся п р одук тов п ом ассам исходных вещ еств, м ассы исходных вещ еств, необходим ыедля п олучения оп - р еделенной м ассы п р одук таит.п . Э тоиявилосьосновой для п р евр ащ ения хим иив к оличественную наук у, создав теор етическ ую баз у для к оличественногоанализавещ еств ип одготовив п очвудля отк р ытия з ак онап остоянствасостава.

М еж ду п р очим , нер едк о учащ иеся забываю т о ф ундам ентальном значениизак она сохр анения м ассы вещ еств, инавоп р ос, п очем у им енно так р асставлены стехиом етр ическ иек оэф ф ициенты в ур авнениир еак ции, отвечаю т: «П отом у, чтотак п олож ено(!?)» . Н ек отор ыеп р иэтом говор ят: «Чтобы к оличество атом ов слева и сп р ава было одинак ово» . Э то, р аз ум еется,

м ож но увидетьудивленный взгляд иуслыш атьтотж еответ: «Т ак п олож е- но» . Э тоещ еодин п р им ер ф ор м альногознания, несоп р овож даем огоп они- м анием сущ ествадела.

что в хим иизак он сохр анения м ассы вещ еств соблю дается сдостаточной точностью .

И ск лю чительновелик означениезак онасохр анения м ассы иэнер гиив егосовр ем енном п оним аниинетольк одля хим ии, ноидля всегоестество- з нания в целом , для ф ор м ир ования м атер иалистическ ого взгляданап р ир о- ду. Совр ем енноесодер ж аниеэтогозак она, вытек аю щ ееиз эк вивалентности

9

м ассы иэнер гиив соответствииссоотнош ением Э йнш тейна(1), п оз воляет глубж е п онять п р ир оду двух к лассов м атер иальных объек тов – вещ естваи

сой, ап оле– энер гией. Релятивистск ая м еханик ап озволяетсделатьвывод, чтоп оск ольк ум ассаиэнер гия эк вивалентны, топ р иоп р еделенных условиях м ож но ож идать взаим оп р евр ащ ений вещ естваип оля. Э тот вывод был п одтвер ж ден в 30-егоды XX в. ф изик ой элем ентар ных частиц в связ исот- к р ытием античастиц иявлений аннигиля циииро ж д ения пар. В 1932 г. в к осм ическ их лучах вп ер выебылиобнар уж ены п озитр оны (антиэлек тр оны – частицы см ассой, р авной м ассеэлек тр она, носп олож ительным з ар ядом е+), ав 1933г. было обнар уж ено, что п р истолк новенииэлек тр онаип оз итр она (частицы иантичастицы) онип р евр ащ аю тся в ж естк ое элек тр ом агнитное из лучение (γ-из лучение, п одобное р ентгеновск ом у, но с м еньш ей длиной волны)

е- + е+ → 2γ ,

п р ичем энер гия γ-излучения связ анасм ассам иэлек тр онаип озитр онасоотнош ением (1). Э тоявлениеибылоназ ваноаннигиляцией (отлат. annihilatio

– исчезновение, п р евр ащ ениев ничто; латnihil означает«ничто» – всп ом - ните нигилиста Базар ова в тур геневск их «О тцах идетях» ). Следует отм е- тить, что тер м ин «аннигиляция» несовсем удачен, так к ак в этом п р оцессе п р оисходитнеуничтож ением атер ии, ап ер еход ееиз одноговидав др угой

тр он-п озитр онныхп ар γ-излучением :

2γ → е- + е+

Э тиф ак ты док азали, что вещ ествоип оле, к ак двеф ор м ы м атер ии, не п р отивоп оставляю тся др уг др угу, а сп особны взаим но п ер еходить одно в др угое. П оэтой п р ичинесоотнош ениеЭ йнш тейна(1), отр аж аю щ ееэквивалент но ст ь м ассы иэнер гии, неследуетп оним атьтак , чтом асса«превраща- е т с я » в энер гию , аим еннотак им обр азом , чтооднаф ор м ам атер ии(вещ е- ство) м ож етп ер еходитьв др угую ф ор м ум атер ии(п оле) инаобор от.

Т ак им обр аз ом , зак он сохр анения м ассы иэнер гиив настоящ еевр ем я сп особствуетдальнейш ем ууглублению п онятия м атер иииосновноготезиса

У ж еп р им ер нов п ер вой п оловинеXVIII век а, еслинер аньш е, п остоянство состава хим ическ их соединений п олагалось чем -то сам о собой р азу- м ею щ им ся. В частности, им еннотак п одходилик этом увоп р осуи .В . Л о- м оносов иА .Л авуаз ье. К азалось, чтоз ак он п остоянствасоставав этовр ем я уж е был из вестен иниу к ого невыз ывал сом нений (интер есно отм етить, чтов совр ем енной ш к ольной хим ииск ладывается п р ак тическ итак ая ж еситуация). Н о, хотя м ногиеученыеип одр аз ум евалип остоянствосостава, тем