§ 13. Закон постоянства состава веществ

Определения и обозначения

Закон постоянства состава утверждает: чистое химическое соединение независимо от способа получения состоит из одних и тех же элементов в постоянных массовых отношениях. Например, состав воды не меняется от того, как её получили. Закон нужен, чтобы отличать постоянный состав соединения от изменчивого состава смеси.

Качественный состав вещества — это перечень химических элементов, входящих в вещество. В воде есть водород и кислород. Зная качественный состав, можно определить, какие элементы следует учитывать при описании соединения.

Количественный состав вещества показывает, сколько атомов каждого элемента содержится в формульной единице, и каковы массовые доли этих элементов. Формульная единица — условная запись состава вещества с помощью химической формулы. Количественный состав нужен для расчётов и сравнения веществ.

Массовая доля элемента — отношение массы этого элемента к массе всего вещества. Её обозначают w и вычисляют по формуле w = m(элемента) / m(вещества). Чтобы выразить долю в процентах, результат умножают на 100%; сумма долей всех элементов соединения составляет 100%.

Как это устроено

Вода показывает разницу между качественным и количественным составом. Её качественный состав задают два элемента — водород и кислород, а формула H₂O указывает на два атома водорода и один атом кислорода. Индекс 2 относится только к водороду, а отсутствие индекса у O означает один атом. Поэтому одна лишь запись элементов не описала бы состав воды полностью.

Чтобы найти массовое отношение элементов, формулу нужно связать с относительными атомными массами. В H₂O два атома водорода дают массу 2·1 = 2, а один атом кислорода — 1·16 = 16. Следовательно, отношение масс водорода и кислорода равно 2:16, или 1:8 после сокращения. Индексы задают число атомов, но сами по себе не показывают массу: атомы разных элементов имеют разную относительную массу.

Постоянство массовых отношений следует из того, что у чистого соединения не меняется формула. В каждой молекуле воды соотношение атомов водорода и кислорода одинаково, поэтому одинаково и соотношение их масс. Если взять больше молекул, массы обоих элементов увеличатся в одинаковое число раз. Значит, размер образца меняет общую массу, но не долю каждого элемента.

Соединение и смесь ведут себя по-разному, потому что в соединении элементы входят в определённый состав, заданный формулой, а смесь объединяет несколько веществ без единого постоянного соотношения. Например, в чистой воде массовое отношение водорода к кислороду сохраняется. В смеси воды и соли можно добавить больше соли или воды, изменив соотношение компонентов. Поэтому закон постоянства состава применяют к чистым соединениям, а не к смесям.

Закон помогает проверить, соответствует ли образец заданной формуле: массовые отношения или доли элементов сравнивают с расчётными значениями. Для воды теоретическая массовая доля водорода равна 2/18, а кислорода — 16/18. Если измерения для образца дают те же пропорции, результат согласуется с формулой H₂O. По этой же формуле можно заранее вычислить долю каждого элемента, даже не зная массу конкретного образца.

Состав чистого соединения и смеси

Сравнивай не только названия веществ, но и то, задаёт ли формула постоянное соотношение частиц. Если пропорции компонентов можно менять, перед тобой смесь, а не одно чистое соединение. Таблица также напоминает, что одинаковость состава означает одинаковые отношения, а не одинаковую массу образцов.

Разбор задач

Задача 1. Вычислите массовое отношение водорода и кислорода в воде H₂O, если Ar(H) = 1, Ar(O) = 16. Сначала определим вклад каждого элемента в массу молекулы: атомов водорода два, кислорода — один. Затем запишем отношение масс и сократим его.

1. Масса водорода в условных единицах: 2·Ar(H) = 2·1 = 2.
2. Масса кислорода: 1·Ar(O) = 1·16 = 16.
3. Записываем отношение водорода к кислороду: 2:16. Сокращаем обе части на 2 и получаем 1:8.

Ответ: массовое отношение водорода к кислороду равно 1:8. Это означает, что на одну массовую часть водорода приходится восемь массовых частей кислорода. Порядок элементов важен: если записать кислород к водороду, получится обратное отношение 8:1.

Задача 2. Найдите массовые доли водорода и кислорода в H₂O и проверьте, что их сумма равна 100%. Сначала найдём относительную молекулярную массу воды, затем долю массы каждого элемента в этой сумме. Поскольку молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода, их вклады равны 2 и 16.

1. Mr(H₂O) = 2·1 + 16 = 18.
2. w(H) = 2/18·100% ≈ 11,1%.
3. w(O) = 16/18·100% ≈ 88,9%. Складываем: 11,1% + 88,9% = 100%.

Ответ: массовая доля водорода составляет примерно 11,1%, кислорода — примерно 88,9%. Проверка суммы нужна, чтобы убедиться, что учтены все элементы и вычисления согласованы. Небольшое расхождение при округлении допустимо, но точные доли в сумме дают 100%.

Задача 3. В образцах соединения массой 9 г и 18 г содержится соответственно 1 г и 2 г водорода. Проверьте, согласуются ли данные с тем, что оба образца — чистая вода. Сравнивать массы водорода напрямую нельзя: второй образец вдвое больше первого. Поэтому найдём массовую долю водорода в каждом образце.

1. Для первого образца: w(H) = 1/9·100% ≈ 11,1%.
2. Для второго образца: w(H) = 2/18·100% ≈ 11,1%.
3. Доли совпадают; сравним их с долей водорода в воде, рассчитанной по формуле H₂O, — примерно 11,1%.

Ответ: данные согласуются с тем, что оба образца — чистая вода. В первом и втором образцах масса водорода различна, но его массовая доля одинакова и соответствует воде. Равенство долей поддерживает вывод о постоянстве состава.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что закон требует одинаковой массы вещества в разных образцах. Путают массу всего образца с отношением масс элементов, потому что в обоих случаях встречается слово «масса». Проверь себя: сравни, какая величина должна сохраняться при увеличении образца, — для закона постоянны пропорции элементов, а не масса образца.

Индексы в формуле иногда принимают за готовые массовые отношения. Индекс показывает число атомов, а атомы водорода и кислорода имеют неодинаковые относительные массы. Перед сравнением масс умножь Ar каждого элемента на число его атомов; для H₂O это даёт 2:16, а не 2:1.

При сравнении образцов разной массы ошибочно сопоставляют абсолютные массы элемента. Больший образец обычно содержит больше каждого элемента, даже если состав у него тот же. Чтобы проверить себя, вычисли массовую долю или отношение масс элементов отдельно для каждого образца.

Закон постоянства состава иногда распространяют на смеси. Это происходит, когда смесь принимают за единое чистое вещество, но количество её компонентов можно изменять. Проверь себя вопросом: можно ли изменить пропорции компонентов, не получая новое соединение? Если можно, перед тобой смесь, и закон к ней не применяют.

Связь с другими темами

Для понимания закона нужно знать, что вещества состоят из атомов химических элементов, а формула показывает соотношение атомов. Эти представления объясняют, почему формула соединения связана с его составом. Если смысл индексов пока неясен, сначала разберись, какие атомы и в каком количестве обозначает запись формулы.

В задачах понадобятся относительные атомные массы и умение находить относительную молекулярную массу. Их используют, чтобы перейти от числа атомов к массовому отношению элементов. Например, в H₂O сначала складывают вклады двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Закон пригодится при вычислении массовых долей, изучении химических формул и решении задач на состав веществ. Он также позволяет проверять, согласуются ли экспериментальные данные с формулой чистого соединения. Это основа для дальнейших расчётов, в которых состав вещества выражают числами.

Что запомнить

• Чистое химическое соединение имеет постоянный состав независимо от способа получения.
• Качественный состав показывает, какие элементы входят в вещество.
• Количественный состав выражается числом атомов элементов в формуле и их массовыми отношениями.
• Массовые отношения элементов находят с учётом их относительных атомных масс.
• Массовые доли элементов в соединении в сумме составляют 100%.
• Состав смеси может изменяться, поэтому закон постоянства состава к смеси не применяют.