Стехіометричні закони хімії

§1.1. Закони збереження матерії, сталості сполук, авогадро, кратних співвідношень, об’ємних відносин

Стехіометрієюназивається розділ хімічної науки, що вивчає кількісні відносини між речовинами в хімічних процесах. Стехіометрія є основою хімічного аналізу і фундаментом у розвитку теоретичної хімії.

Основні стехіометричні закони:

Закон збереження маси (М.В. Ломоносов, 1748 р.):

маса речовин, що вступили у хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися в наслідок її.

З погляду атомно-молекулярного вчення зміст закону збереження маси речовин полягає в тім, що атоми мають постійну масу, а їхня загальна кількість у ході реакції не змінюється, тому маса речовин до і після реакції залишається постійною.

Наприклад:

а) 2Mg + O₂ → 2MgО

2∙24 + 16∙2 → 2(24+16)

80 → 80

б) (NH₄)₂ Cr₂ O₇ N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O

(14+1∙4)∙2+51+16∙7 28 + 152 + 72

252  252

На підставі закону збереження маси можна складати хімічні рівняння, а за їх допомогою робити необхідні розрахунки.

Задача. Скільки виділитьсяPb, якщо при зануренні в розчинPb(NO₃)₂цинковоїпластинки її маса збільшилась на 7,1 г?

Розв’язок.

Для розв’язання задачі необхідно записати рівняння реакції:

Pb(NO₃)₂ + Zn → Zn(NO₃)₂ + Pb,

65 207

де 65г/моль – молярна маса Цинку; 207г/моль – молярна маса Плюмбуму.

За рівнянням реакції, при збільшенні маси цинкової пластинки на 142 грами (207-65=142) свинцю виділиться 207г, а при збільшенні маси цинкової пластинки на 7,1 г – свинцю виділиться X г. Знайдемо масу свинцю:

X=(m_Pb)= .

Закон збереження маси став науковою основою для створення нових понять, та відкриття нових законів. Німецький фізик А. Ейнштейн встановив зв’язок між енергією і масою тіла, що виражається рівненням

Е=mc²,

де Е – енергія; m – дефект маси; с – швидкість світла.

Тобто, рівнення Ейнштейна є математичним виразом закону збереження маси і енергії.

Закон сталості складу (Ж.Л. Пруст, К. Бертолле 1808): кожна чиста хімічна сполука, незалежно від умов її добування, завжди має сталий якісний і кількісний склад.

Наприклад, молекула води має сталий кількісний (на два атоми Гідрогену приходиться один атом Оксигену) і якісний склад (Н₂О), незалежно від умов добування:

CuO+ H₂ H₂O + Cu

CH₄ + 2O₂  2H₂O + CO₂

C₂H₅OH + 3O₂  3H₂O + 2CO₂

H₂SO₄ + 2NaOH  2H₂O + Na₂SO₄

Критерієм чистоти будь-якої хімічної сполуки є її фізичні властивості – температура плавління та кипіння, густина, спектр.

Цей закон не є загальним, він має істотні обмеження. Він повністю справаджується для рідких та газуватих речовин, тобто для сполук, що мають молекулярну будову.

Кристалічні речовини зберігають свою структуру за умови змінного в деяких межах складу. Такі сполуки є серед оксидів, сульфідів, нітридів, карбідів, гідридів.

Межі коливання складу за цілості кристалічної структури називають шириною ділянки гомогенності.

Цей закон в межах співвідношення між масами елементів певної сполуки виконується лише за умовами сталості ізотопного складу елементів цієї сполуки.

Закон Авогадро (1811): у рівних об’ємах різних газів за однакових умов (Т, P) міститься одне й те ж число молекул.

Закон має ряд наслідків: