Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены Ломоносовым. В 1741 г. в одной из своих первых работ - «Элементы математической химии» - Ломоносов сформулировал важнейшие положения созданной им так называемой корпускулярной теории строения вещества.

Согласно представлениям Ломоносова, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ обусловлены свойствами этих частичек. Ломоносов различал два вида таких частиц: более мелкие - «элементы», соответствующие атомам в современном понимании этого термина, и более крупные - «корпускулы», которые мы называем теперь молекулами.

Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Химически различные вещества имеют и различные по составу корпускулы. «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе».

Из приведенных определений видно, что причиной различия веществ Ломоносов считал не только различие в составе корпускул, но и различное расположение элементов в корпускуле.

Ломоносов подчеркивал, что корпускулы движутся согласно законам механики; без движения корпускулы не могут сталкиваться друг о другом или как-либо иначе действовать друг на друга и изменяться. Так как все изменения веществ обусловливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики.

За 200 с лишним лет, протекшие с того времени, когда жил и работал Ломоносов, его идеи о строении вещества прошли всестороннюю проверку, и их справедливость была полностью подтверждена. В настоящее время на атомно-молекулярном учении базируются все наши представления о строении материи, о свойствах веществ и о природе физических и химических явлений.

В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц. Различие между веществами обусловлено различием между их частицами; частицы одного вещества одинаковы, частицы различных веществ различны. При всех условиях частицы вещества находятся в движении; чем выше температура тела, тем интенсивнее это движение.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Атом - наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, - двухатомны, воды - трехатомны и т. д. Молекулы наиболее сложных веществ - высших белков, и нуклеиновых кислот - построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч.

При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Нередко у учащихся возникает вопрос, почему молекула данного вещества не обладает его физическими свойствами. Для того чтобы лучше понять ответ на этот вопрос, рассмотрим несколько физических свойств веществ, например температуры плавления и кипения, теплоемкость, механическую прочность, твердость, плотность, электрическую проводимость.

Такие свойства, как температуры плавления и кипения, механическая прочность и твердость, определяются прочностью связи между молекулами в данном веществе при данном его агрегатном состоянии; поэтому применение подобных понятий к отдельной молекуле не имеет смысла. Плотность - это свойство, которым отдельная молекула обладает и которое можно вычислить. Однако плотность молекулы всегда больше плотности вещества (даже в твердом состоянии), потому что в любом веществе между молекулами всегда имеется некоторое свободное пространство. А такие свойства, как электрическая проводимость, теплоемкость, определяются не свойствами молекул, а структурой вещества в целом. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что эти свойства сильно изменяются при изменении агрегатного состояния вещества, тогда как молекулы при этом не претерпевают глубоких изменений. Таким образом, понятия о некоторых физических свойствах не применимы к отдельной молекуле, а о других - применимы, но сами эти свойства по своей величине различны для молекулы и для вещества в целом.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. Строение твердых тел и жидкостей более подробно будет рассмотрено в главе V, а здесь лишь укажем на то, что в веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.

С момента первых догадок человека о существовании атомов и молекул (философское учение древнегреческого ученого Левкиппа; 500-400 г. до н. э.), дошедших до нас, до создания официальной теории атомно-молекулярного учения (I Международный съезд химиков в Германии; 1860 г.) прошло почти 2500 лет.

Основные положения атомно-молекулярной теории:

  • Все вещества состоят из атомов, молекул, ионов.
  • Каждый отдельный вид атомов называют химическим элементом.
  • Все атомы одного и того же элемента одинаковы, но отличаются от атомов любого другого химического элемента.
  • Молекулы состоят из атомов.
  • Состав молекул обозначается химической формулой.
  • Атомы, молекулы, ионы находятся в непрерывном движении.
  • При химических реакциях молекулы претерпевают изменения, в ходе которых из одних молекул образуются другие, при физических реакциях состав молекул вещества остается неизменным.

Атом является мельчайшей неделимой частицей вещества. Он электрически нейтрален (положительный заряд ядра атома компенсируется отрицательным зарядом электронов, вращающихся вокруг ядра). См. структура атома .

Определенный вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом его ядра, называется химическим элементом .

Химические элементы обозначаются химическими знаками, которые являются начальными буквами латинского названия элемента: О (Oxygenium - кислород), H (Hydrogenium - водород) и пр.

Все химические элементы, известные на данный момент науке, сведены в периодическую систему элементов Д. И. Менделеева , в которой порядковый номер элемента равен заряду ядра его атома (числу протонов, содержащихся в ядре).

Самым распространенным на Земле химическим элементом является кислород, затем идут кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, углерод. Доля всех остальных химических элементов составляет менее 1% от массы земной коры. Во Вселенной самыми распространенными элементами являются водород и гелий.

Как уже было сказано выше, соединения различных элементов образуют молекулы, которые, в свою очередь, могут образовывать простые или сложные вещества.

Простые вещества состоят из атомов только одного химического элемента (O 2 , H 2 , N 2).

Простые вещества в свою очередь подразделяются на металлы (86 элементов) и неметаллы . Металлы имеют свободные электроны, что обусловливает их хорошую электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск.

Сложные вещества состоят из атомов нескольких химических элементов (H 2 O, H 2 SO 4 , HCl).

Некоторые химические элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ (например, О 2 - кислород, О 3 - озон и проч.), это, так называемые, аллотропные модификации . При этом аллотропия может быть вызвана не только различным числом атомов элемента, но также и строением кристаллической решетки вещества (аллотропные модификации углерода - алмаз, графит, карбин).

Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В.Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии" (1741) и ряде других. Сущность учения Ломоносова можно свести к следующим положениям.

1. Все вещества состоят из "корпускул" (так Ломоносов называл молекулы).

2. Молекулы состоят из "элементов" (так Ломоносов называл атомы).

3. Частицы — молекулы и атомы — находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ — из различных атомов.

Через 67 лет после Ломоносова атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. Он изложил основные положения атомистики в книге "Новая система химической философии" (1808). В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества — из "сложных атомов" (в современном понимании — молекул). Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.

Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям:

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.

Химические элементы

Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. С точки зрения атомно-молекулярного учения химическим элементом называется каждый отдельный вид атомов. Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра, численно равный порядковому номеру элемента. Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет дать более полное определение понятия элемента:

Химический элемент — это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Известно 107 элементов. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.

Все элементы обычно делят на металлы и неметаллы . Однако это деление условно. Важной характеристикой элементов является их распространенность в земной коре, т.е. в верхней твердой оболочке Земли, толщина которой принята условно равной 16 км. Распределение элементов в земной коре изучает геохимия — наука о химии Земли. Геохимик А.П.Виноградов составил таблицу среднего химического состава земной коры. Согласно этим данным самым распространенным элементом является кислород — 47,2% массы земной коры, затем следует кремний — 27,6, алюминий — 8,80, железо -5,10, кальций — 3,6, натрий — 2,64, калий — 2,6, магний — 2,10, водород — 0,15%.

Тема лекции: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ.

План:

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ. АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

ОСНОВНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ

ХИМИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

МЕСТО ХИМИИ СРЕДИ ДРУГИХ НАУК

Химия относится к естественным наукам, изучающим окружающий нас материальный мир, его явления и за­коны.

Основным законом природы является закон вечности материи и ее движения. Отдельные формы движения материи изучаются отдельными науками. Место химии, имеющей дело главным образом с молекулярным (и атом­ным) уровнем организации материи, между физикой эле­ментарных частиц (субатомный уровень) и биологией (над­молекулярный уровень).

Химия - наука о веществах, их составе, строении, свойствах и превращениях, связанных с изменением состава, строения и свойств образующих их частиц.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов сказал: «Широко простирает химия руки свои в дела человече­ские». Действительно, практически нет ни одной техни­ческой дисциплины, которая могла бы обойтись без зна­ний химии. Даже такие современные и далекие, казалось бы, от химии науки, как электроника, информатика, се­годня получили новый импульс в своем развитии, заклю­чив «союз» с химией (запись информации на молекуляр­ном уровне, разработка биокомпьютеров и др.). Что тогда говорить о фундаментальных дисциплинах: физике, био­логии и др., где давно существуют самостоятельные раз­делы, пограничные с химией (химическая физика, биохи­мия, геохимия и пр.).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ.

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ

Представление об атомах, как конструкционных эле­ментах вещественного мира, зародилось еще в древней Греции (Левкипп, Демокрит, 1У-Ш вв. до н. э.). Но только в конце XVIII - начале XIX в. было создано атомно-молекулярное учение. Важнейший вклад в обоб­щение накопленного материала был сделан М. В. Ломо­носовым.

Атомно-молекулярное учение включает в себя следую­щие основные положения:

1. Все вещества не являются сплошными, а состоят из частиц (молекул, атомов, ионов).

2. Молекулы состоят из атомов (элементов).

3. Различия между веществами определяются разли­чиями образующих их частиц, которые отличаются друг от друга составом, строением и свойствами.

4. Все частицы находятся в постоянном движении, скорость которого увеличивается при нагревании.

Атом - наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Это электронейтраль­ная микросистема, поведение которой подчиняется зако­нам квантовой механики.


Химический элемент - вид атомов, имеющих одина­ковый положительный заряд ядра и характеризующих­ся определенной совокупностью свойств.

Изотопы - атомы одного элемента, различающиеся массой (количеством нейтронов в ядре).

Любой химический элемент в природе представлен определенным изотопным составом, поэтому его масса рассчитывается как некоторая средняя величина из масс изотопов с учетом их содержания в природе.

Молекула - наименьшая частица вещества, являю­щаяся носителем его свойств и способная к самостоя­тельному существованию.

Простое вещество - вещество, молекулы которого состоят только из атомов одного элемента.

Аллотропия - способность элемента образовать про­стые вещества, имеющие различный состав, строение и свойства.

Разновидности аллотропных модификаций определя­ются:

Различным числом атомов элемента в составе моле­кулы простого вещества, например, кислород (О 2) и озон (О 3).

Различиями в строении кристаллической решетки про­стого вещества, например, соединения углерода: гра­фит (плоская, или двумерная, решетка) и алмаз (объемная, или трехмерная решетка).

Сложное вещество - вещество, молекулы которого состоят из атомов разных элементов.

Сложные вещества, состоящие только из двух эле­ментов, называются бинарными, например:

Ø оксиды: CO, CO 2 , CaO, Na 2 O, FeO, Fe 2 O 3 ;

Ø сульфиды: ZnS, Na 2 S, CS 2 ;

Ø гидриды: CaH 2 , LiH, NaH;

Ø нитриды: Li 3 N, Ca 3 N 2 , AlN;

Ø фосфиды: Li 3 P, Mg 3 P 2 , AlP;

Ø карбиды: Be 2 C, Al 4 C 3 , Ag 2 C 2 ;

Ø силициды: Ca 2 Si, Na 4 Si.

Сложные соединения, состоящие более чем из двух эле­ментов, относятся к основным классам неорганических со­единений. Это гидроксиды (кислоты и основания) и соли, в том числе комплексные соединения.

Атомы и молекулы имеют абсолютную массу, напри­мер, масса атома С 12 равна 2·10 -26 кг.

Такими величинами пользоваться на практике неудоб­но, поэтому в химии принята относительная шкала масс.

Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы изотопа С 12 .

Относительная атомная масса (А r - безразмерная ве­личина) равна отношению средней массы атома к а. е. м.

Относительная молекулярная масса (М r - безразмер­ная величина) равна отношению средней массы молеку­лы к а. е. м.

Моль (ν - «ню» или n ) - количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул или ионов), сколько атомов содержится в 12 г изотопа С 12 .

Число Авогадро - число частиц (атомов, молекул, ионов и др.), содержащееся в 1 моле любого вещества.

N A = 6,02·10 23 .

Более точные значения некоторых фундаментальных констант приводятся в таблицах приложения.

Молярная масса вещества (М) - это масса 1 моля вещества. Она рассчитывается как отношение массы ве­щества к его количеству:

Молярная масса численно равна А r (для атомов) или М r (для молекул).

Из уравнения 1 можно определить количество веще­ства, если известны его масса и молярная масса:

(2)

Молярный объем (V m для газов) - объем одного моля вещества. Рассчитывается как отношение объема газа к его количеству:

(3)

Объем 1 моля любого газа при нормальных условиях (Р = 1 атм = 760 мм. рт. ст. = 101,3 кПа; T = 273ТС = 0°С) равен 22,4 л.

(4)

Плотность вещества равна отношению его массы к объему.

(5)

  • Вопрос 31. Современное дошкольное образование детей с ограниченными возможностями
  • Вопрос 8. Неионизирующие электромагнитные поля и излучения. Лазерное излучение. Ионизирующие излучения.
  • Вредные и опасные факторы производственной среды в помещениях, где используется современное компьютерное оборудование, телекоммуникационные сети и различные электронные приборы.

    • Основные понятия химии, законы стехиометрии

    Химическая атомистика (атомно-молекулярная теория) является исторически первой фундаментальной теоретической концепцией, положенной в основу современной химической науки. Формирование этой теории потребовало более сотни лет и связано с деятельностью таких выдающихся химиков, как М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье, Дж. Дальтон, А. Авогадро, С. Канниццаро.

    Современную атомно-молекулярную теорию можно изложить в виде ряда положений:

    1. Химические вещества имеют дискретное (прерывистое) строение. Частицы вещества находятся в постоянном хаотическом тепловом движении.

    2. Основной структурной единицей химического вещества является атом.

    3. Атомы в химическом веществе связаны друг с другом, образуя молекулярные частицы или атомные агрегаты (надмолекулярные структуры).

    4. Сложные вещества (или химические соединения) состоят из атомов разных элементов. Вещества простые состоят из атомов одного элемента и должны рассматриваться как гомоядерные химические соединения.

    При формулировании основных положений атомно-молекулярной теории нам пришлось ввести несколько понятий, на которых необходимо остановиться более подробно, поскольку они являются основными в современной химии. Это понятия "атом" и "молекула", точнее атомные и молекулярные частицы.

    Атомные частицы включают в себя собственно атом, атомные ионы, атомные радикалы и атомные ион-радикалы.

    Атом - это наименьшая электронейтральная частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств, и состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.

    Атомный ион - это атомная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, Cl - - хлорид-анион, Na + - катион натрия.

    Атомный радикал - электронейтральная атомная частица, содержащая неспаренные электроны. Например, атом водорода фактически представляет собой атомный радикал - Н× .

    Атомная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется атомным ион-радикалом. Примером такой частицы может служить катион Mn 2+ , содержащий пять неспаренных электронов на d-подуровне (3d 5).

    Одной из важнейших физических характеристик атома является его масса. Поскольку абсолютное значение массы атома ничтожно мало (масса атома водорода равна 1,67×10 -27 кг), в химии используется относительная шкала масс, в которой за единицу выбрана 1/12 часть массы атома углерода изотопа-12. Относительная атомная масса - это отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 С.

    Следует отметить, что в периодической системе Д.И. Менделеева приведены среднеизотопические атомные массы элементов, которые в большинстве своем представлены несколькими изотопами, вносящими свой вклад в атомную массу элемента пропорционально своему содержанию в природе. Так, элемент хлор представлен двумя изотопами - 35 Cl (75 мол.%) и 37 Cl (25 мол.%). Среднеизотопическая масса элемента хлор составляет 35,453 а.е.м. (атомных единиц массы) (35×0,75 + 37×0,25).

    Аналогично атомным частицам, молекулярные частицы включают в себя собственно молекулы, молекулярные ионы, молекулярные радикалы и ион-радикалы.

    Молекулярная частица - это наименьшая устойчивая совокупность взаимосвязанных атомных частиц, являющаяся носителем химических свойств вещества. Молекула лишена электростатического заряда и не имеет неспаренных электронов.

    Молекулярный ион - это молекулярная частица, обладающая электростатическим зарядом, но не имеющая неспаренных электронов, например, NO 3 - - нитрат-анион, NH 4 + - катион аммония.

    Молекулярный радикал – это электронейтральная молекулярная частица, содержащая неспаренные электроны. Большинство радикалов являются реакционными частицами с небольшим временем жизни (порядка 10 -3 –10 -5 с), хотя в настоящее время известны и довольно устойчивые радикалы. Так метильный радикал × СН 3 является типичной малоустойчивой частицей. Однако, если атомы водорода в ней заменить на фенильные радикалы, то образуется стабильный молекулярный радикал трифенилметил

    Молекулы с нечетным числом электронов, например NO или NO 2 , также могут рассматриваться как свободные радикалы с высокой устойчивостью.

    Молекулярная частица, имеющая электростатический заряд и неспаренные электроны, называется молекулярным ион-радикалом . Примером такой частицы может служить катион радикал кислорода – ×О 2 + .

    Важной характеристикой молекулы является ее относительная молекулярная масса. Относительная молекулярная масса (М r) - это отношение среднеизотопической массы молекулы, вычисленной с учетом естественного природного содержания изотопов, к 1/12 массы атома углерода изотопа 12 C .

    Таким образом, мы выяснили, что мельчайшей структурной единицей любого химического вещества является атом, точнее атомная частица. В свою очередь в любом веществе, исключая инертные газы, атомы связаны друг с другом химическими связями. При этом возможно образование двух типов веществ:

    · молекулярные соединения, у которых можно выделить мельчайшие носители химических свойств, обладающие устойчивой структурой;

    · соединения надмолекулярной структуры, которые представляют собой атомные агрегаты, в которых атомные частицы связаны ковалентной, ионной или металлической связью.

    Соответственно, вещества, имеющие надмолекулярную структуру, представляют собой атомные, ионные или металлические кристаллы. В свою очередь, молекулярные вещества образуют молекулярные или молекулярно-ионные кристаллы. Молекулярное строение имеют также вещества, находящиеся в обычных условиях в газообразном или жидком агрегатном состоянии.

    Фактически, работая с конкретным химическим веществом, мы имеем дело не с отдельными атомами или молекулами, а с совокупностью очень большого числа частиц, уровни организации которых можно отобразить следующей схемой:

    Для количественного описания больших массивов частиц, которыми являются макротела, было введено специальное понятие "количество вещества", как строго определенное число его структурных элементов. Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества (n), содержащее столько структурных или формульных единиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода изотопа 12 С. В настоящее время это число довольно точно измерено и составляет 6,022×10 23 (число Авогадро, N A). В качестве структурных единиц могут выступать атомы, молекулы, ионы, химические связи и другие объекты микромира. Понятие "формульная единица" используется для веществ с надмолекулярной структурой и определяется как простейшее соотношение между составляющими его элементами (брутто-формула). В данном случае формульная единица берет на себя роль молекулы. Например, 1 моль хлорида кальция содержит 6,022×10 23 формульных единиц - CaCl 2 .

    Одной из важных характеристик вещества является его молярная масса (М, кг/моль, г/моль). Молярная масса - это масса одного моля вещества . Относительная молекулярная масса и молярная масса вещества численно совпадают, но имеют разную размерность, например, для воды М r = 18 (относительная атомная и молекулярная массы величины безразмерные), М = 18 г/моль. Количество вещества и молярная масса связаны простым соотношением:

    Большую роль в формировании химической атомистики сыграли основные стехиометрические законы, которые были сформулированы на рубеже XVII и XVIII столетий.

    1. Закон сохранения массы (М.В. Ломоносов, 1748 г.).

    Сумма масс продуктов реакции равна сумме масс веществ, вступивших во взаимодействие . В математическом виде этот закон выражается следующим уравнением:

    Дополнением к данному закону является закон сохранения массы элемента (А. Лавуазье, 1789 г.). Согласно этому закону в процессе химической реакции масса каждого элемента остается постоянной .

    Законы М.В. Ломоносова и А. Лавуазье нашли простое объяснение в рамках атомистической теории. Действительно, при любой реакции атомы химических элементов остаются неизменными и в неизменном количестве, что влечет за собой как постоянство массы каждого элемента в отдельности, так и системы веществ в целом.

    Рассматриваемые законы имеют определяющее значение для химии, поскольку позволяют моделировать химические реакции уравнениями и выполнять на их основе количественные вычисления. Следует, однако, отметить, что закон сохранения массы не является абсолютно точным. Как следует из теории относительности (А. Эйнштейн, 1905 г.), любой процесс, протекающий с выделением энергии, сопровождается уменьшением массы системы в соответствии с уравнением:

    где DЕ – выделившаяся энергия, Dm – изменение массы системы, с - скорость света в вакууме (3,0×10 8 м/с). В результате уравнение закона сохранения массы следует записывать в следующем виде:

    Таким образом, экзотермические реакции сопровождаются уменьшением массы, а эндотермические – увеличением массы. В этом случае закон сохранение массы может быть сформулирован следующим образом: в изолированной системе сумма масс и приведенных энергий есть величина постоянная . Однако для химических реакций, тепловые эффекты которых измеряются сотнями кДж/моль, дефект массы составляет 10 -8 -10 -9 г и не может быть зарегистрирован экспериментально.

    2. Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1799-1804 гг.).

    Индивидуальное химическое вещество молекулярного строения имеет постоянный качественный и количественный состав, не зависящий от способа его получения . Соединения, подчиняющиеся закону постоянства состава, называют дальтонидами . Дальтонидами являются все известные к настоящему времени органические соединения (около 30 миллионов) и часть (около 100 тыс.) неорганических веществ. Вещества, имеющие немолекулярное строение (бертолиды ), не подчиняются данному закону и могут иметь переменный состав, зависящий от способа получения образца. К ним относятся большинство (около 500 тыс.) неорганических веществ. В основном это бинарные соединения d-элементов (оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды и т.д.). Примером соединения переменного состава может служить оксид титана(III), состав которого варьирует в пределах от TiO 1,46 до TiO 1,56 . Причиной переменного состава и иррациональности формул бертолидов являются изменения состава части элементарных ячеек кристалла (дефекты кристаллической структуры), не влекущие за собой резкого изменения свойств вещества. Для дальтонидов подобное явление невозможно, поскольку изменение состава молекулы ведет к образованию нового химического соединения.

    3. Закон эквивалентов (И. Рихтер, Дж. Дальтон, 1792-1804 гг.).

    Массы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам .

    где Э А и Э В - эквивалентные массы реагирующих веществ.

    Эквивалентной массой вещества называется молярная масса его эквивалента.

    Эквивалент - это реальная или условная частица, отдающая или присоединяющая один катион водорода в реакциях кислотно-основного взаимодействия, один электрон в окислительно-восстановительных реакциях или взаимодействующая с одним эквивалентом любого другого вещества в реакциях обмена . Например, при взаимодействии металлического цинка с кислотой один атом цинка вытесняет два атома водорода, отдавая при этом два электрона:

    Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2 ­

    Zn 0 - 2e - = Zn 2+

    Следовательно, эквивалентом цинка является 1/2 его атома, т.е. 1/2 Zn (условная частица).

    Число, показывающее, какая часть молекулы или формульной единицы вещества является его эквивалентом, называется фактором эквивалентности - f э . Эквивалентная масса, или молярная масса эквивалента, определяется как произведение фактора эквивалентности на молярную массу:

    Например, в реакции нейтрализации серная кислота отдает два катиона водорода:

    H 2 SO 4 + 2KOH = K 2 SO 4 + 2H 2 O

    Соответственно, эквивалентом серной кислоты является 1/2 H 2 SO 4 , фактор эквивалентности равен 1/2, а эквивалентная масса составляет (1/2)×98 = 49 г/моль. Гидроксид калия связывает один катион водорода, поэтому его эквивалентом является формульная единица, фактор эквивалентности равен единице, а эквивалентная масса равна молярной массе, т.е. 56 г/моль.

    Из рассмотренных примеров видно, что при расчете эквивалентной массы необходимо определить фактор эквивалентности. Для этого существует ряд правил:

    1. Фактор эквивалентности кислоты или основания равен 1/n, где n - число задействованных в реакции катионов водорода или гидроксид-анионов.

    2. Фактор эквивалентности соли равен частному от деления единицы на произведение валентности (v) катиона металла или кислотного остатка и их числа (n) в составе соли (стехиометрический индекс в формуле):

    Например, для Al 2 (SO 4) 3 - f э = 1/6

    3. Фактор эквивалентности окислителя (восстановителя) равен частному от деления единицы на число присоединенных (отданных) им электронов.

    Следует обратить внимание на то обстоятельство, что одно и то же соединение может иметь разный фактор эквивалентности в разных реакциях. Например, в реакциях кислотно-основного взаимодействия:

    H 3 PO 4 + KOH = KH 2 PO 4 + H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1

    H 3 PO 4 + 2KOH = K 2 HPO 4 + 2H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/2

    H 3 PO 4 + 3KOH = K 3 PO 4 + 3H 2 O f э (H 3 PO 4) = 1/3

    или в окислительно-восстановительных реакциях:

    KMn 7+ O 4 + NaNO 2 + H 2 SO 4 ® Mn 2+ SO 4 + NaNO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O

    MnO 4 - + 8H + + 5e - ® Mn 2+ + 4H 2 O f э (KMnO 4) = 1/5