"Химия", Журин А.А.
Закон Ж.-Л. Пруста, или закон постоянства состава, объясняет, почему чистое химическое соединение всегда состоит из одних и тех же элементов в неизменном соотношении. Неважно, где вещество нашли и каким способом получили: его формула и соотношение масс элементов будут одинаковыми. Закон помогает отличать соединения от смесей и решать задачи, в которых по массе одного элемента находят массу другого.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон постоянства состава утверждает: каждое чистое химическое соединение независимо от способа получения и места нахождения имеет один и тот же качественный и количественный состав. Качественный состав отвечает на вопрос, какие элементы входят в вещество, а количественный — сколько их и в каком соотношении. Закон нужен, чтобы считать состав соединения определённым, а не случайным.
Постоянный состав вещества означает, что химическое соединение образовано одними и теми же элементами, взятыми в неизменном соотношении. Если вещество получают разными способами, это соотношение не меняется. Понятие помогает распознать, что перед нами одно и то же соединение, даже если его образцы различаются внешним видом или происхождением.
Массовое соотношение элементов — это сравнение масс элементов, входящих в соединение. Его записывают, например, как 1 : 8: это значит, что на одну массовую часть первого элемента приходится восемь частей второго. Такое соотношение позволяет по известной массе одного элемента вычислить массу другого.
Индексы химической формулы — маленькие цифры справа внизу от символов элементов; они показывают число атомов каждого элемента в частице вещества. Так, H₂O содержит два атома водорода и один атом кислорода. Индексы задают соотношение атомов, а с учётом относительных атомных масс позволяют узнать соотношение масс и понять, почему состав соединения постоянен.
Состав чистого соединения не зависит от источника потому, что его частицы устроены определённым образом: в них соединены атомы конкретных элементов в определённом соотношении. Например, каждая частица воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При получении воды разными способами частицы всё равно имеют такое строение, поэтому измениться может количество вещества, но не состав его частиц.
Чтобы определить, какие элементы входят в соединение, читают химическую формулу: символы обозначают элементы, а индексы показывают число их атомов. Для перехода от числа атомов к массам учитывают относительные атомные массы элементов. Например, у H₂O на два атома водорода приходится один атом кислорода, но масса кислорода больше: 2 · 1 : 16, то есть 1 : 8. Так формула позволяет установить массовое соотношение.
Одинаковые образцы одного соединения имеют одинаковое массовое соотношение элементов, потому что состоят из частиц с одинаковым строением. Если взять больше вещества, массы обоих элементов возрастут пропорционально: количество образца меняется, а доля каждого элемента остаётся прежней. Поэтому нельзя сравнивать только общую массу двух образцов — нужно выяснить, в какой пропорции в каждом соединены элементы.
У соединения соотношение компонентов закреплено его химическим строением, а у смеси отдельные вещества просто находятся рядом. В смеси можно добавить или убрать один компонент, не меняя количество другого, поэтому её состав меняется. Например, в солёной воде может быть разное количество соли на одинаковую массу воды. Следовательно, смесь не обладает постоянным соотношением компонентов, хотя каждый входящий в неё компонент сам по себе может быть чистым веществом.
Закон Пруста помогает отличить соединение от смеси по постоянству состава. Если образцы имеют одинаковые элементы в одинаковом массовом соотношении, это согласуется с тем, что они являются одним чистым соединением. Если соотношение меняется, возможны разные соединения или смесь, но одного набора элементов недостаточно, чтобы назвать образцы одним веществом. Нужно учитывать и то, какие элементы присутствуют, и их количества.
| Объект | Качественный состав | Количественный состав | Массовое соотношение элементов | Вывод |
|---|---|---|---|---|
| Чистое химическое соединение | Определённые элементы | Постоянное соотношение атомов | Постоянное для данного соединения | Состав не зависит от получения |
| Вода H₂O | Водород и кислород | 2 атома H и 1 атом O | H : O = 1 : 8 | Чистая вода имеет постоянный состав |
| Оксид меди(II) CuO | Медь и кислород | 1 атом Cu и 1 атом O | Cu : O = 4 : 1 | Массовое отношение задано формулой |
| Смесь веществ | Компоненты смеси | Количество компонентов может меняться | Не является постоянным | Закон Пруста на смесь не распространяется |
Сначала определите, рассматривается ли чистое соединение или смесь, затем сравните состав и соотношение масс. В строках воды и оксида меди формулы показывают число атомов, а соотношения масс учитывают их относительные атомные массы. Для смеси постоянного отношения не ожидают.
Задача 1. В 9 г воды содержится водород и кислород. Определите массы каждого элемента, если массовое соотношение водорода и кислорода в воде равно 1 : 8. Сначала найдём, сколько всего частей приходится на всю массу, а затем распределим 9 г между элементами.
Ответ: 1 г водорода и 8 г кислорода. Проверка: 1 г + 8 г = 9 г, а отношение 1 : 8 совпадает с условием.
Задача 2. В образце оксида меди(II) содержится 16 г кислорода. Определите массу меди, если в CuO массовое соотношение меди и кислорода равно 4 : 1. По этому отношению видно, что на каждую массовую часть кислорода приходится четыре такие части меди. Поэтому массу кислорода нужно умножить на четыре.
Ответ: масса меди равна 64 г. Такое вычисление возможно именно потому, что у чистого CuO массовое отношение элементов постоянно.
Задача 3. Первый образец содержит 3 г углерода и 8 г кислорода, второй — 6 г углерода и 16 г кислорода. Нужно выяснить, могут ли образцы быть одним и тем же чистым соединением. Сравним не абсолютные массы, а отношения кислорода к углероду: масса каждого элемента во втором образце вдвое больше, но это ещё не само доказательство.
Ответ: могут быть одним и тем же соединением. По одним лишь массам нельзя доказать, что это точно одно вещество, но одинаковое массовое соотношение соответствует закону постоянства состава.
Ошибка 1 — переносить закон на смеси. Ученик может принять смесь за соединение, потому что в обоих случаях встречается несколько веществ или элементов. Но в смеси доли компонентов можно менять, не создавая нового соединения. Проверьте себя: если количество компонентов может быть произвольно изменено, постоянного состава нет.
Ошибка 2 — сравнивать абсолютные массы. Разные по размеру образцы одного соединения могут содержать разные массы элементов. Причина ошибки — забывают, что закон говорит о соотношении, а не о конкретном количестве граммов. Разделите массы элементов друг на друга или приведите отношение к простейшему виду.
Ошибка 3 — путать индексы и коэффициенты. Индекс считают числом частиц, хотя он показывает число атомов элемента внутри частицы. Это происходит потому, что обе цифры стоят рядом с формулами. Проверьте положение: индекс стоит справа внизу у символа, а коэффициент — перед всей формулой.
Ошибка 4 — считать одинаковый набор элементов доказательством одинакового вещества. Ученик замечает, что в образцах есть, например, углерод и кислород, и не проверяет их количества. Но из тех же элементов могут образоваться разные соединения. Для проверки сравните не только качественный состав, но и массовое соотношение элементов.
До изучения закона полезно знать химические элементы, различать простые и сложные вещества, читать формулы и пользоваться относительными атомными массами. Эти знания позволяют перейти от числа атомов в формуле к массовому отношению элементов. Позже закон пригодится при составлении формул веществ, расчётах по химическим уравнениям и различении соединений и смесей. Он связывает запись формулы с измеряемыми массами веществ.
Почему вода из разных источников считается одним и тем же веществом?
В чистой воде всегда есть водород и кислород в одинаковом соотношении атомов, которое показывает формула H₂O. Поэтому способ получения и место, откуда взяли воду, не меняют состав самого соединения.
Распространяется ли закон постоянства состава на смеси?
Нет, закон относится к чистым химическим соединениям. В смеси можно изменить количество каждого вещества, не превращая их в новое соединение, поэтому её состав не постоянен.
Как по формуле вещества найти соотношение масс элементов?
Нужно умножить относительную атомную массу каждого элемента на индекс у его символа. Затем сравнить полученные значения и, если возможно, сократить их до простейшего отношения. Например, для H₂O массы водорода и кислорода соотносятся как 2 · 1 : 16 = 1 : 8.
Чем индекс в формуле отличается от коэффициента в уравнении реакции?
Индекс стоит после символа элемента и показывает число его атомов в частице вещества. Коэффициент пишут перед формулой и он показывает число частиц вещества в реакции. Изменение индекса означает другое вещество, а коэффициент меняет только количество частиц.
Как по данным о массах элементов определить, являются ли образцы одним соединением?
Для каждого образца нужно составить отношение масс одних и тех же элементов и привести его к простейшему виду. Если отношения совпадают, образцы могут быть одним соединением; если отличаются — их состав не одинаков.
§ 9. Закон Ж.-Л. Пруста
