"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Три фундаментальных закона помогают описывать состав веществ, химические реакции и поведение газов. Закон постоянства состава показывает, почему доли элементов в чистом соединении неизменны; закон сохранения массы связывает массу реагентов с массой продуктов; закон Авогадро сравнивает число молекул в равных объёмах газов. Эти правила нужны для проверки формул и уравнений, расчётов по реакциям и определения объёмов газов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон постоянства состава вещества утверждает: чистое химическое соединение имеет постоянный состав независимо от способа получения. Например, в воде всегда сохраняется одно и то же соотношение атомов водорода и кислорода, заданное формулой H₂O. Закон нужен, чтобы по формуле находить состав вещества и массовые доли его элементов.
Закон сохранения массы веществ гласит: общая масса веществ до химической реакции равна общей массе веществ после неё, если учтены все реагенты и продукты. В расчётах это записывают так: m(реагентов) = m(продуктов). Закон помогает находить неизвестную массу и проверять, правильно ли составлено уравнение реакции.
Закон Авогадро: равные объёмы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Поэтому при таких условиях одинаковые объёмы газов соответствуют одинаковому количеству вещества. Это позволяет связывать объём газа с количеством его молекул.
Молярный объём газа — объём одного моля газа при заданных температуре и давлении; обозначается Vₘ и вычисляется по формуле Vₘ = V/n. При нормальных условиях, то есть температуре 0 °C и давлении 101,3 кПа, он равен 22,4 л/моль. Величина помогает переводить объём газа в количество вещества и обратно.
Михаил Ломоносов проводил опыты с веществами в запаянных сосудах и сравнивал их массу до и после нагревания. Он заметил, что при химических превращениях общая масса не меняется, если система закрыта и ничто не теряется. Позже Антуан Лавуазье проверял это наблюдение количественными взвешиваниями, в том числе при реакциях с участием газов. Так экспериментальные результаты привели к формулировке закона сохранения массы.
При химической реакции меняется соединение атомов, но не сами атомы. Например, частицы реагентов распадаются на составляющие атомы, которые затем образуют продукты; атомы каждого элемента остаются в системе. Поскольку атомы не исчезают и не появляются заново, сохраняется и их общая масса. Поэтому для верного сравнения нужно учитывать все вещества, включая газ, который может выйти из открытого сосуда.
У чистого соединения состав постоянен, потому что его частицы образуются из атомов в определённом соотношении. Способ получения может быть разным, но если в результате получается одно и то же чистое соединение, его формула и соотношение элементов не меняются. В смеси, напротив, вещества могут быть смешаны в произвольных количествах, поэтому её общий состав не обязан быть постоянным. Это различие объясняет, почему закон применяют к соединениям, а не ко всем образцам вещества.
Химическая формула показывает, сколько атомов каждого элемента приходится на одну частицу соединения. Чтобы найти массовую долю элемента, сначала определяют относительную массу формульной единицы, затем находят вклад нужного элемента и делят его на общую массу. Для Fe₂O₃, например, в расчёте учитывают два атома железа и три атома кислорода. Постоянство формулы означает, что найденные таким способом массовые доли будут одинаковы в любом чистом образце этого оксида.
Газовые частицы движутся свободно и занимают весь доступный объём, поэтому при одинаковых температуре и давлении объём связан с числом частиц одинаковым образом для разных газов. Отсюда следует закон Авогадро: в равных объёмах таких газов одинаковое число молекул. Если взять один моль газа, его объём при заданных условиях будет одинаков для любого газа — это и есть молярный объём. При нормальных условиях Vₘ = 22,4 л/моль, а для других условий значение молярного объёма может отличаться.
| Закон | Формулировка | Математическая запись или следствие | Практическое применение |
|---|---|---|---|
| Закон сохранения массы веществ | Общая масса реагентов равна общей массе продуктов реакции. | m(реагентов) = m(продуктов) | Расчёт неизвестной массы вещества по уравнению реакции. |
| Закон постоянства состава вещества | Состав чистого соединения не зависит от способа его получения. | Массовые доли элементов в соединении постоянны. | Определение массовых долей по химической формуле. |
| Закон Авогадро | Равные объёмы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. | При одинаковых условиях V₁ = V₂ означает N₁ = N₂; Vₘ = V/n. | Сравнение количества молекул и расчёт объёмов газов. |
Сначала определите, что именно связывает условие задачи: массы при реакции, состав соединения или объём газа. Затем проверьте, выполнены ли условия применения выбранного закона: например, учтены ли все продукты и одинаковы ли температура и давление газов. Формулы в таблице показывают, с какой величиной начинать расчёт.
Задача 1. Определить массовые доли железа и кислорода в оксиде железа(III) Fe₂O₃. Используем относительные атомные массы: Aᵣ(Fe) = 56, Aᵣ(O) = 16. Формула показывает, что на одну формульную единицу приходятся два атома железа и три атома кислорода.
Ответ: железо — 70%, кислород — 30%. Расчёт применим к чистому Fe₂O₃, потому что его состав задан формулой.
Задача 2. При разложении карбоната кальция образовались оксид кальция массой 56 г и углекислый газ. Определить массу углекислого газа. Уравнение реакции: CaCO₃ → CaO + CO₂. Сначала по молярным массам находим массу исходного карбоната: M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль, M(CaO) = 40 + 16 = 56 г/моль.
Ответ: масса углекислого газа равна 44 г. Нельзя вычитать из 56 г массу CaO ещё раз: сначала нужно установить массу всех исходных веществ, которые соответствуют этому количеству продукта.
Задача 3. Сравнить число молекул в 5 л кислорода и 5 л азота при одинаковых температуре и давлении; определить объём 0,25 моль газа при нормальных условиях. Два газа имеют равные объёмы и находятся в одинаковых условиях, значит, к первой части применим закон Авогадро.
Ответ: в 5 л кислорода и 5 л азота содержится одинаковое число молекул; объём 0,25 моль газа при нормальных условиях равен 5,6 л.
При реакции в открытом сосуде иногда сравнивают только то, что осталось внутри, и заключают, что масса нарушилась. Так происходит, если газообразный продукт покинул сосуд и его массу не измерили. Для проверки составьте перечень всех реагентов и продуктов, включая газы, или проводите сравнение в закрытой системе. Тогда массы до и после реакции можно сопоставить корректно.
Постоянство состава иногда ошибочно приписывают любой смеси или раствору. Причина в том, что их компоненты могут выглядеть как единое вещество, хотя соотношение компонентов меняется от образца к образцу. Проверьте, есть ли у материала определённая химическая формула: закон относится к чистым соединениям, а не к смеси как целому. Для раствора массовые доли могут зависеть от его приготовления.
Закон Авогадро используют для сравнения газов при разных температурах или давлениях. Но объём газа меняется с условиями, поэтому одинаковые объёмы в разных условиях не дают основания сравнивать число молекул напрямую. Перед применением закона проверьте, указаны ли одинаковые температура и давление. Если нет, сначала приведите данные к одинаковым условиям.
В расчётах могут смешивать массу, количество вещества и объём газа, подставляя числа в формулу без перевода единиц. Это случается, когда не различают граммы, моли и литры или забывают, что молярный объём задан для определённых условий. Подпишите единицы у каждой величины и выбирайте формулу, которая связывает именно данные и искомое. В конце проверьте размерность ответа и соответствие условий.
Для изучения законов понадобятся относительные атомные и молекулярные массы, химические формулы, понятие количества вещества и умение находить массовую долю элемента. Закон сохранения массы используется при составлении уравнений и расчётах по ним: коэффициенты задают соотношения частиц и количеств вещества, а массы связываются через молярные массы. Закон Авогадро лежит в основе расчётов с молярным объёмом, относительной плотностью газов и определения молекулярных формул. Поэтому эти законы объединяют знания о составе веществ, реакциях и газах.
Почему масса сохраняется, если во время реакции выделяется газ?
Газ имеет массу, даже если его не видно. В закрытом сосуде он остаётся внутри, поэтому масса всей системы до и после реакции одинакова. В открытой системе нужно учесть газ, который покинул сосуд, иначе измеренная масса содержимого уменьшится.
Относится ли закон постоянства состава к растворам и смесям?
Закон относится к чистым химическим соединениям, у которых состав задан формулой. У смеси или раствора соотношение компонентов может изменяться, поэтому постоянные массовые доли для всей смеси не обязательны. При этом состав каждого чистого вещества в ней остаётся определённым.
Можно ли применять закон Авогадро к жидкостям и твёрдым веществам?
В школьной формулировке закон Авогадро применяют к газам. Частицы жидкостей и твёрдых тел расположены иначе, и одинаковые объёмы таких веществ не обязаны содержать одинаковое число молекул.
Почему для сравнения объёмов газов обязательно указывать температуру и давление?
Объём газа зависит от температуры и давления: при нагревании или уменьшении давления он обычно увеличивается. Закон сравнивает объёмы газов только при одинаковых температуре и давлении. Если условия различаются, сначала нужно привести объёмы к одним условиям.
Как выбрать закон, который нужно использовать при решении расчётной задачи?
Определите, какие величины даны и что требуется найти. Для связи масс реагентов и продуктов используйте закон сохранения массы, для долей элементов в чистом соединении — закон постоянства состава, а для объёмов и числа молекул газов — закон Авогадро. Проверьте, что условия задачи подходят к выбранному закону.
§ 2. Закон постоянства состава вещества, закон сохранения массы веществ и закон Авогадро
