Закон постоянства состава вещества

Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный количественный и качественный состав.

Качественный состав вещества показывает, из атомов каких элементов построены его молекулы. Количественный состав показывает, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы (формульной единицы) вещества или массовую долю элемента в веществе. Например, молекулы аммиака (NH₃) состоят из атомов химических элементов азота (N) и водорода (Н). Это качественный состав. Причем, одна молекула состоит из трех атомов Н и одного атома N. Это количественный состав. Аммиак мы можем получить многими способами:

1. N₂ + 3H₂ = 2NH₃;

2. NH₄NO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O + NH₃;

3. NH₄Cl NH₃+ HCl.

Однако, согласно закону постоянства состава, независимо от способа получения, молекула NH₃ всегда будет состоять из одного атома N и трех атомов Н.

Закон постоянства состава вещества всегда выполняется лишь для веществ молекулярной структуры, т.е. для всех жидкостей, газов и твердых веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку.

Для твердых веществ, имеющих атомную, ионную или металлическую кристаллическую решетку закон постоянства состава вещества часто не выполняется. Это обусловлено двумя причинами:

1. Наличием в узлах кристаллической решетки чужеродных атомов или ионов в виде примесей.

2. Наличием в кристаллической решетке различных дефектов, например, вакансий или пустот.

Количество таких дефектов, число и вид чужеродных примесных включений в кристаллической решетке вещества в этом случае будет зависеть от способа его получения. А, значит, от способа получения вещества будет зависеть и его состав.

Из закона постоянства состава вытекает важный вывод:

Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, а также соотношения между их химическим количеством постоянны и не зависят от способа получения этого соединения и от его имеющегося количества.

В связи с этим становится возможным определять эмпирические или простейшие формулы веществ на основании значений массовых долей химических элементов, входящих в их состав. Для веществ немолекулярного строения в роли эмпирических формул выступают их формульные единицы.

Закон кратных отношений

Если два элемента образуют между собой несколько молекулярных соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

Пример 1. Найдем эмпирическую формулу вещества, состоящего из атомов натрия, фосфора и кислорода, массовые доли, которых в нем составляют, соответственно: 42,073%; 18,903% и 39,024%.

Дано:

ω,%(Na) = 42,073; ω,%(P) = 18,903; ω,%(O) = 39,024.

Найти: Эмпирическую формулу Na_xP_yO_z -?

Решение:

Массовые доли элементов (Э), выраженные в %, численно соответствуют массе атомов этих элементов m(Э) в 100 граммах вещества. Следовательно, если у нас имеется 100 г вещества, то массы содержащихся в нём элементов Na, P и О будут соответственно равны 42,073 г; 18,903 г и 39,024 г. Воспользуемся отношением

, где

n(Э) – количество вещества; число моль атомов элемента Э, моль;

m(Э) – масса атомов химического элемента, г;

M(Э) – масса одного моль атомов химического элемента Э, г/моль.

; ;

.

В одном моль вещества число моль атомов каждого элемента (n(Na), n(P), n(O)) будет целым числом, но соотношение между ними будет такое же, как и в 100 граммах вещества. Представим в связи с этим соотношение между n(Na), n(P) и n(O) как соотношение простых целых чисел, наблюдающееся в одном моль вещества.

n(Na): n(P): n(O) = 1,8: 0,6: 2,4

Разделим каждый член этого соотношения на 0,6.

n (Na): n (P): n (O) = 1,8/0,6: 0,6/ 0,6: 2,4/ 0,6 = 3: 1: 4.

В таком же количественном соотношении атомы Na, Р и О находятся в веществе: x = 3, y = 1, z = 4.

Простейшая его формула Na₃РО₄.

Ответ: Эмпирическая формула вещества: Na₃РО₄.

 

Для большинства веществ немолекулярной структуры такие эмпирические формулы совпадают с формульными единицами этих веществ. У веществ молекулярной структуры их истинная, т.е. молекулярная формула не всегда совпадает с установленной таким образом эмпирической формулой. В этом случае для нахождения истиной (молекулярной) формулы вещества необходимо знать его молярную или молекулярную массу.

 

Пример 2. Найдем молекулярную формулу углеводорода, массовые доли углерода и водорода в котором, соответственно, равны 85,72% и 14,28%, а его относительная молекулярная масса равна 28.

Дано:

ω,%(С) = 85,72; ω,%(Н) = 14,28; М_r(углеводорода) = 28.

Найти: Молекулярную формулу углеводорода, С_xH_y -?

Решение:

Найдем число моль атомов С и Н, содержащихся в 100 граммах углеводорода.

, .

Представим соотношение между n(С) и n(Н) как соотношение простых целых чисел:

n(C): n(H) = 7,14: 14,28 = 7,14/7,14: 14,28/7,14 = 1: 2; х = 1, y = 2.

Значит, эмпирическая формула вещества С_xH_y – СН₂.

Найдем относительную молекулярную массу СН₂: сложив относительные атомные массы всех атомов, входящих в состав молекулы.

M_r(CH₂) = A_r(C) + 2·A_r(H) = 12 + 1 × 2 = 14.

Определим соотношение между M_r(углеводорода) и M_r(CH₂):

.

Это значит, что численное значение индексов x и y в молекулярной формуле в 2 раза больше, чем в эмпирической. Таким образом, молекулярная формула вещества равна С₂Н₄.

Ответ: Молекулярная формула углеводорода С₂Н₄.

 

Пример 3. При взаимодействии азота с кислородом образуются пять оксидов. На 1 грамм азота в образующихся молекулах приходится 0,57, 1,14, 1,71, 2,28, 2,85 грамма кислорода. Выведите молекулярные формулы образующихся оксидов.

Дано:

1 г (N): 0, 57 г (О); 1 г (N): 1,14 г (О); 1 г (N): 1,71 г (О); 1 г (N): 2,28 г (О); 1 г (N): 2,85 г (О).

Найти: N_xO_y образующихся оксидов -?

Решение:

По закону кратных отношений, на 1 г N в оксидах приходится О: 0,57 г, 1,14 г, 1,71 г, 2,28 г, 2,85 г. Эти массы кислорода относятся как простые целые числа:

0,57: 1,14: 1,71: 2,28: 2,85 = .

Для установления формулы, например, для первого оксида берут не массы, а количества веществ. Так в первом оксиде N_xO_y x: y = n (N): n (O) = .

 

Полученному отношению 2:1 соответствует оксид состава: N₂O. Формулы для остальных оксидов установите самостоятельно^*.

Ответ: N₂O, (NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅) ^*.