"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Основные законы химии описывают, как вещества превращаются друг в друга и какие количественные отношения при этом сохраняются. Они помогают составлять формулы соединений, уравнивать реакции и рассчитывать массы и объёмы веществ. Для газов особенно важно учитывать одинаковые условия температуры и давления: тогда число молекул связано с объёмом. Понимание этих закономерностей превращает химические уравнения в инструмент расчёта.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон сохранения массы веществ утверждает: в закрытой системе суммарная масса реагентов равна суммарной массе продуктов реакции. Закрытая система не обменивается веществами с окружающей средой. Закон позволяет проверять расчёты и правильно уравнивать реакции.
Закон постоянства состава гласит, что чистое химическое соединение всегда состоит из одних и тех же элементов в постоянном соотношении. Это соотношение не зависит от способа получения соединения. Закон нужен, чтобы по составу определять формулы и отличать соединение от смеси.
Закон кратных отношений описывает случай, когда два элемента образуют несколько соединений: массы одного элемента, соединяющиеся с одинаковой массой другого, относятся как небольшие целые числа. Сначала массы приводят к одинаковой массе одного из элементов. Так можно сравнить соединения и проверить их формулы.
Закон Авогадро: равные объёмы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Следовательно, при этих условиях объём газа связан с количеством его вещества. Закон применяют в расчётах газов, а не жидкостей или твёрдых тел.
Во время химической реакции меняется порядок соединения атомов, но сами атомы обычной химической реакцией не создаются и не уничтожаются. Поэтому каждый атом, бывший в реагентах, должен оказаться среди продуктов. Массы реагентов в сумме равны массам продуктов, если система закрыта и ничто не уходит наружу. По этой причине уравнение реакции уравнивают подбором коэффициентов, сохраняя число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.
Молекула воды всегда содержит два атома водорода и один атом кислорода, то есть формула воды — H₂O. Относительные атомные массы водорода и кислорода равны примерно 1 и 16, поэтому на 2 массовые части водорода приходятся 16 частей кислорода. Массовая доля кислорода и массовая доля водорода остаются постоянными независимо от того, получили воду реакцией водорода с кислородом или иным способом. Это верно для чистой воды; примеси могут изменить состав образца.
Для проверки закона кратных отношений нужно сравнить соединения одних и тех же элементов и привести количество одного элемента к одинаковой массе. В CO на 12 г углерода приходится 16 г кислорода, а в CO₂ на те же 12 г углерода — 32 г кислорода. Значит, массы кислорода относятся как 16:32, или 1:2. Простое целочисленное отношение связано с тем, что атомы соединяются в определённых целых количествах.
Закон Авогадро позволяет связать измеряемый объём газа с количеством молекул: при равных температуре и давлении одинаковые объёмы содержат одинаковое число молекул. Количество вещества газа обозначают n, объём — V, а объём одного моля при заданных условиях — молярным объёмом Vₘ. Поэтому используют соотношения Vₘ = V/n и V = nVₘ. Молярный объём зависит от условий, так что сравнивать объёмы газов без указания температуры и давления нельзя.
Из закона Авогадро следует, что при одинаковых температуре и давлении объёмы газов пропорциональны числу их молекул. А коэффициенты уравнения реакции показывают, в каком отношении реагируют молекулы газов и образуются новые. Поэтому объёмные отношения газов выражаются небольшими целыми числами и совпадают с отношениями коэффициентов. Например, уравнение N₂ + 3H₂ → 2NH₃ задаёт отношение объёмов 1:3:2, если все перечисленные вещества рассматриваются в газообразном состоянии.
| Закон | Формулировка | Что сравнивают или при каких условиях применяют | Пример или следствие |
|---|---|---|---|
| Сохранения массы веществ | Суммарная масса реагентов равна суммарной массе продуктов. | Реакцию рассматривают в закрытой системе. | По сумме масс реагентов находят массу продуктов. |
| Постоянства состава | Чистое соединение имеет постоянный состав. | Сравнивают состав одного соединения, полученного разными способами. | Вода всегда имеет формулу H₂O. |
| Кратных отношений | Массы одного элемента при одинаковой массе другого относятся как небольшие целые числа. | Сравнивают несколько соединений двух элементов. | В CO и CO₂ массы кислорода при 12 г углерода относятся как 1:2. |
| Авогадро | Равные объёмы газов содержат одинаковое число молекул. | Температура и давление газов должны быть одинаковыми. | Объём газа пропорционален количеству вещества при заданных условиях. |
| Объёмных отношений газов | Объёмы реагирующих газов относятся как небольшие целые числа. | Реагирующие газы сравнивают при одинаковых температуре и давлении. | Для N₂ + 3H₂ → 2NH₃ отношение объёмов равно 1:3:2. |
Сначала выбери строку по тому, что требуется найти или сравнить: массу, состав соединения либо газовые объёмы. Затем проверь условия применения закона, особенно закрытость системы и одинаковые температуру и давление. Пример в последнем столбце показывает, как формулировку использовать на практике.
Задача 1. В реакции 12 г углерода полностью сгорели в 32 г кислорода. Определить массу образовавшегося углекислого газа. Нужно учесть оба реагента: кислород поступает в состав продукта, поэтому нельзя считать только массу углерода. Предполагается, что реакция прошла полностью и потерь вещества нет.
Запишем данные: масса углерода равна 12 г, масса кислорода — 32 г. Ищем суммарную массу продукта реакции. Применяем закон сохранения массы для всей системы.
Складываем массы реагентов: 12 г + 32 г = 44 г. Масса образовавшегося углекислого газа равна сумме масс углерода и кислорода, вошедших в реакцию. Ответ: 44 г CO₂.
Задача 2. В образце воды массой 18 г содержится 2 г водорода. Найти массу кислорода и массовое отношение кислорода к водороду. Вода — чистое соединение, поэтому её состав соответствует формуле H₂O. Сначала найдём массу второго элемента, а затем сопоставим массы в указанном порядке.
Общая масса воды состоит из масс водорода и кислорода. Значит, на кислород приходится 18 г − 2 г = 16 г. Проверка: 2 г + 16 г дают исходные 18 г.
Отношение кислорода к водороду равно 16:2. Сократим обе части на 2 и получим 8:1. Ответ: в образце 16 г кислорода, массовое отношение O:H равно 8:1.
Задача 3. При одинаковых температуре и давлении 6 л водорода реагируют с 3 л азота с образованием аммиака. Определить объём аммиака и указать закон, который позволяет это сделать. Запишем уравнение и используем коэффициенты как отношение объёмов газов. Условия задачи позволяют сравнивать объёмы напрямую.
Уравнение реакции: N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Коэффициенты показывают, что три объёма водорода реагируют с одним объёмом азота и образуют два объёма аммиака. Данные задачи дают отношение H₂:N₂ = 6:3 = 2:1, то есть водорода вдвое меньше, чем нужно для реакции всего указанного азота.
По водороду определим масштаб реакции: 6 л — это два набора по 3 л H₂. Каждый набор образует 2 л NH₃, значит, всего получится 4 л аммиака; при этом прореагирует 2 л азота, а 1 л останется. Ответ: 4 л NH₃; используется закон объёмных отношений газов, основанный на законе Авогадро.
Неверно считать, что при реакции масса каждого вещества сохраняется отдельно: одни вещества расходуются, другие образуются. Закон относится к общей массе всех реагентов и продуктов в закрытой системе. Такая ошибка возникает, если следить только за одним веществом. Проверка: сложите массы всех исходных веществ и всех продуктов, включая поступивший кислород.
Постоянство состава не означает, что любые смеси имеют одинаковое соотношение компонентов: закон относится только к чистому химическому соединению. Состав смеси зависит от того, сколько каждого вещества в неё добавили. Путаница возникает из-за того, что и смесь, и соединение могут содержать одни и те же элементы. Проверьте, есть ли у образца определённая химическая формула.
Для закона кратных отношений нельзя сравнивать массы разных элементов, не приведя один из них к одинаковой массе. Иначе числа не показывают закономерность, потому что сравниваются разные количества обоих элементов. Сначала выберите элемент, масса которого будет одинаковой в обоих случаях. Затем сравните массы второго элемента и проверьте, получается ли небольшое целое отношение.
Закон Авогадро нельзя применять к жидкостям и твёрдым телам; он описывает газы при одинаковых температуре и давлении. При разных условиях равные объёмы газов могут содержать разное число молекул. Ошибка появляется, когда в расчёте используют только объём и забывают о состоянии вещества. Перед применением закона проверьте агрегатное состояние и условия сравнения газов.
Для понимания законов нужны представления об атомах и молекулах, химическом элементе, формуле вещества и уравнении реакции. Сохранение числа атомов объясняет, почему коэффициенты в уравнении подбирают до равенства состава его левой и правой частей. Законы состава и кратных отношений помогают устанавливать формулы соединений. Закон Авогадро и объёмные отношения используются в задачах на количество вещества и молярный объём газа, а сохранение массы — в расчётах по уравнениям реакций.
Почему при горении масса продуктов иногда кажется больше массы исходного вещества?
При горении к исходному веществу присоединяется кислород из воздуха, поэтому масса твёрдого или жидкого вещества может увеличиться. Если учесть все реагенты и продукты в закрытой системе, их суммарные массы будут равны.
Одинаков ли состав воды, полученной разными способами?
Да, если речь идёт о чистой воде: в каждой её молекуле два атома водорода и один атом кислорода. Поэтому массовое соотношение элементов не зависит от способа получения.
Как отличить закон кратных отношений от закона постоянства состава?
Закон постоянства состава относится к одному чистому соединению и утверждает, что соотношение элементов в нём неизменно. Закон кратных отношений сравнивает несколько соединений одних и тех же элементов, например CO и CO₂.
Можно ли применять закон Авогадро к жидкостям?
Нет, закон Авогадро формулируется для газов при одинаковых температуре и давлении. Для жидкостей равные объёмы не обязаны содержать одинаковое число молекул.
Почему объёмные отношения газов можно найти по коэффициентам уравнения реакции?
При одинаковых температуре и давлении объёмы газов пропорциональны количеству молекул, а значит, количеству вещества. Коэффициенты уравнения показывают соотношение количеств веществ, поэтому они задают и простое соотношение газовых объёмов.
Основные законы химии
