ЯКІ ВАГОВІ ЗАКОНИ ХІМІЇ? (ПРИКЛАДИ) - ХІМІЯ - 2025

У ponderal закони хімії є ті , які показали , що маси речовин , які реагують не роблять цього в довільній або випадковим чином; але підтримуючи постійну математичну пропорцію цілих чисел або їх підмножин, в яких атоми елементів ні створюються, ні руйнуються.

У минулі часи встановлення цих законів вимагало надзвичайних зусиль для міркування; тому що, хоча зараз це здається занадто очевидним, раніше атомної та молекулярної маси елементів або сполук, відповідно, навіть не були відомі.

Джерело: Джефф Кейзер з Остіна, штат Техас, США

Оскільки точно не було відомо, скільки рівний один моль атомів кожного елемента, хімікам у 18-19 століттях довелося покладатися на маси реагентів. Тож рудиментарні аналітичні баланси (верхнє зображення) були невіддільними супутниками під час сотень експериментів, необхідних для встановлення вагових законів.

Саме тому, вивчаючи ці закони хімії, ви натрапляєте на масові вимірювання кожного моменту. Завдяки цьому, екстраполюючи результати експериментів, було виявлено, що чисті хімічні сполуки завжди утворюються з однаковою масовою часткою їх складових елементів.

Закон збереження маси

Цей закон говорить, що при хімічній реакції загальна маса реагентів дорівнює загальній масі продуктів; до тих пір, поки розглянута система закрита і не відбувається обмін масою та енергією з оточенням.

При хімічній реакції речовини не зникають, а перетворюються на інші речовини однакової маси; звідси відома фраза: "нічого не створюється, нічого не руйнується, все перетворюється".

Історично закон збереження маси в хімічній реакції вперше був запропонований в 1756 році Михайлом Ломонсовим, який показав результати своїх експериментів у своєму журналі.

Пізніше в 1774 р. Антуан Левуазьє, французький хімік, представив результати своїх експериментів, які дозволили встановити це; який деякі також називають Законом Лавуазьє.

-Лавоазьє експерименти

За часів Лавуазьє (1743-1794 рр.) Існувала теорія Флогістона, згідно з якою органи мали можливість підпалювати або спалювати. Експерименти Лавуазьє дозволили відкинути цю теорію.

Лавуазьє провів численні експерименти з горінням металу. Він ретельно зважував матеріали до та після горіння у закритому контейнері, виявивши, що очевидний приріст ваги.

Але Лавузер, спираючись на свої знання про роль кисню в процесі горіння, зробив висновок, що збільшення ваги при горінні відбувається за рахунок включення кисню в матеріал, що спалює. Народилася концепція металевих оксидів.

Тому сума маси металів, що піддаються горінню, і кисню залишалися незмінними. Цей висновок дозволив встановити Закон збереження маси.

-Баланс рівнянь

Закон збереження мас встановив необхідність збалансувати хімічні рівняння, гарантуючи, що кількість усіх елементів, що беруть участь у хімічній реакції, як реагенти, так і як продукти, точно однакова.

Це важлива вимога до точності виконання стехіометричних обчислень.

-Розрахунки

Водні родимки

Скільки молей води може бути вироблено при спалюванні 5 молей метану в надлишку кисню? Також покажіть, що закон збереження речовини має місце.

CH ₄ + 2 O ₂ => CO ₂ + 2 H ₂ O

Дотримуючись збалансованого рівняння реакції, робиться висновок, що 1 моль метану виробляє 2 молі води.

Проблему можна вирішити безпосередньо за допомогою простого підходу, оскільки у нас не 1 моль, а 5 молей СН ₄ :

Молі води = 5 молей CH ₄ (2 молі H ₂ O / 1 моль CH ₄ )

= 10

Це було б еквівалентно 180 г H ₂ O. Також _{було утворено} 5 моль або 220 г CO ₂ , що дорівнює загальній масі 400 г продуктів.

Таким чином, щоб виконати закон збереження речовини, потрібно реагувати 400 г реагентів; не більше не менше. З цих 400 г 80 г відповідають 5 молям СН ₄ (помножене на його молекулярну масу на 16 г / моль), а 320 г відповідають 10 молей O ₂ (аналогічно молекулярній масі 32 г / моль ).

Згорання магнієвої стрічки

1.50 г магнієвої стрічки спалили у закритому контейнері, що містив 0,80 г кисню. Після згоряння в контейнері залишилось 0,25 г кисню. а) Яка маса кисню реагувала? б) Скільки утворилося оксиду магнію?

Маса кисню, що вступила в реакцію, отримується простою різницею.

Маса споживаного кисню = (початкова маса - залишкова маса) кисню

= 0,80 г - 0,25 г

= 0,55 г O ₂ (a)

Відповідно до закону збереження маси,

Маса оксиду магнію = маса магнію + маса кисню

= 1,50 г + 0,55 г

= 2,05 г MgO (b)

Закон визначених пропорцій

Джозеф Луї Пруст (1754-1826), французький хімік, зрозумів, що в хімічній реакції хімічні елементи завжди реагують у фіксованих пропорціях маси, утворюючи специфічну чисту сполуку; отже, його склад є постійним, незалежно від джерела чи походження, або як він синтезований.

Пруст у 1799 р. Виголосив закон певних пропорцій, який стверджує, що: "Коли два або більше елементів поєднуються, утворюючи з'єднання, вони роблять це у фіксованому масовому співвідношенні". Отже, ця залежність є фіксованою і не залежить від стратегії, що застосовується для приготування сполуки.

Цей закон відомий також як закон постійного складу, який говорить, що: "Кожна хімічна сполука в стані чистоти завжди містить однакові елементи, в постійній пропорції маси".

-Ілюстрація закону

Залізо (Fe) реагує з сіркою (S) з утворенням сульфіду заліза (FeS), можна відзначити три ситуації (1, 2 і 3):

Щоб знайти пропорцію, в якій поєднуються елементи, розділіть більшу масу (Fe) на меншу масу (S). Розрахунок дає співвідношення 1,75: 1. Це значення повторюється у трьох заданих умовах (1, 2 і 3), де виходить однакова пропорція, хоча використовуються різні маси.

Тобто 1,75 г Fe поєднують з 1,0 г S, отримуючи 2,75 г FeS.

-Прикладення

Застосовуючи цей закон, можна точно знати маси елементів, які необхідно поєднувати, щоб отримати бажану масу сполуки.

Таким чином можна отримати інформацію про надлишкову масу деяких елементів, що беруть участь у хімічній реакції, чи про обмежувальний реагент в реакції.

Крім того, застосовується знання центимального складу сполуки, і на основі останнього можна встановити формулу сполуки.

Центральний склад сполуки

Вуглекислий газ (CO ₂ ) утворюється в такій реакції:

C + O ₂ => CO ₂

12 г вуглецю об'єднують 32 г кисню, отримуючи 44 г вуглекислого газу.

Отже відсоток вуглецю дорівнює

Відсоток вуглецю = (12 г / 44 г) 100%

= 27,3%

Відсоток кисню = (32 г / 44 г) 100%

Відсоток кисню = 72,7%

Використовуючи твердження Закону постійного складу, можна зазначити, що вуглекислий газ завжди складається з 27,3% вуглецю і 72,7% кисню.

-Розрахунки

Тріоксид сірки

В результаті взаємодії в різних посудинах було отримано 4 г та 6 г сірки (S) з киснем (O), відповідно 10 г та 15 г триоксиду сірки (SO ₃ ).

Чому були отримані такі кількості триоксиду сірки, а не інші?

Також обчисліть кількість сірки, необхідної для поєднання з 36 г кисню, і масу отриманого триоксиду сірки.

Частина А)

У першій ємності 4 сірки змішують з X г кисню з отриманням 10 г триоксиду. Якщо застосувати закон збереження маси, ми можемо вирішити для маси кисню, яка поєднується із сіркою.

Маса кисню = 10 г триоксиду кисню - 4 г сірки.

= 6 гр

У посудині 2 6 г сірки змішують з X г кисню, отримуючи 15 триоксиду сірки.

Маса кисню = 15 г триоксиду сірки - 6 г сірки

= 9 гр

Потім переходимо до обчислення співвідношення O / S для кожного контейнера:

Співвідношення O / S в ситуації 1 = 6 г O / 4 г S

= 1,5 / 1

Співвідношення O / S у ситуації 2 = 9 г O / 6 г S

= 1,5 / 1

Що відповідає тому, що зазначено в законі визначених пропорцій, що вказує на те, що елементи завжди поєднуються в одній пропорції, утворюючи певну сполуку.

Тому отримані значення є правильними та такими, які відповідають застосуванню Закону.

Частина b)

У попередньому розділі для співвідношення O / S було обчислено значення 1,5 / 1.

г сірки = 36 кисню (1 г сірки / 1,5 г кисню)

= 24 гр

г триоксиду сірки = 36 г кисню + 24 г сірки

= 60 гр

Хлор і магній

Хлор і магній поєднуються у співвідношенні 2,95 г хлору на кожен г магнію. а) Визначте масу хлору та магнію, необхідних для отримання 25 г хлориду магнію. б) Який відсотковий склад хлориду магнію?

Частина А)

На основі значення 2,95 для співвідношення Cl: Mg можна зробити наступний підхід:

2,95 г Cl + 1 г Mg => 3,95 г MgCl ₂

Тоді:

г Cl = 25 г MgCl ₂ · (2,95 г Cl / 3,95 г MgCl ₂ )

= 18,67

г Mg = 25 г MgCl ₂ · (1 г Mg / 3,95 г MgCl ₂ )

= 6,33

Потім 18,67 г хлору об'єднують з 6,33 г магнію для отримання 25 г хлориду магнію.

Частина b)

Спочатку обчисліть молекулярну масу хлориду магнію, MgCl ₂ :

Молекулярна маса MgCl ₂ = 24,3 г / моль + (2 35,5 г / моль)

= 95,3 г / моль

Процент магнію = (24,3 г / 95,3 г) х 100%

= 25,5%

Процент хлору = (71 г / 95,3 г) х 100%

= 74,5%

Закон множинних пропорцій або закон Далтона

Закон був оприлюднений у 1803 році французьким хіміком та метеорологом Джоном Далтоном, спираючись на його спостереження щодо реакцій атмосферних газів.

Закон був викладений таким чином: "Коли елементи поєднуються, щоб дати більше однієї сполуки, змінна маса одного з них приєднується до фіксованої маси другого, і перша має відношення канонічних і невиразних чисел".

Також: "Коли два елементи поєднуються, щоб утворювати різні сполуки, враховуючи фіксовану кількість одного з них, різні кількості іншого елемента, що поєднуються із зазначеною фіксованою кількістю, утворюють сполуки, по відношенню до простих цілих чисел".

Джон Далтон зробив перший сучасний опис атома як складової хімічних елементів, коли він вказав, що елементи складаються з неподільних частинок, званих атомами.

Крім того, він постулював, що сполуки утворюються, коли атоми різних елементів поєднуються між собою у простих співвідношеннях із цілим числом.

Далтон завершив слідчі роботи Пруста. Він вказав на існування двох оксидів олова з відсотками 88,1% та 78,7% олова з відповідними відсотками кисню, 11,9% та 21,3% відповідно.

-Розрахунки

Вода і перекис водню

Покажіть, що сполуки вода, H ₂ O і перекис водню H ₂ O ₂ відповідають Закону множинних пропорцій.

Атомні ваги елементів: Н = 1 г / моль і кисень = 16 г / моль.

Молекулярні ваги сполук: H ₂ O = 18 г / моль і H ₂ O ₂ = 34 г / моль.

Водень є елементом із фіксованою кількістю H ₂ O і H ₂ O ₂ , тому пропорції між O і H в обох сполуках будуть встановлені.

Співвідношення O / H у H ₂ O = (16 г / моль) / (2 г / моль)

= 8/1

Співвідношення O / H у H ₂ O ₂ = (32 г / моль) / (2 г / моль)

= 16/1

Зв'язок між обома пропорціями = (16/1) / (8/1)

= 2

Отже співвідношення O / H перекису водню до води становить 2, просте ціле число. Тому продемонстровано відповідність Закону кількох пропорцій.

Оксиди азоту

Яка маса кисню поєднується з 3,0 г азоту в а) оксиді азоту, NO і b) діоксиду азоту, NO ₂ . Покажіть, що NO і NO ₂ відповідають Закону кількох пропорцій.

Маса азоту = 3 р

Атомні ваги: ​​азот 14 г / моль і кисень 16 г / моль.

Розрахунки

У NO один атом N поєднується з атомом 1 O, тому масу кисню, що поєднується з 3 г азоту, можна обчислити, використовуючи наступний підхід:

г O = г азоту · (PA. O / PA. N)

= 3 г (16 г / моль / 14 г / моль)

= 3,43 г O

У NO ₂ один атом N поєднується з атомами 2 O, тому маса кисню, яка поєднується, становить:

г кисню = 3 г (32 г / моль / 14 г / моль)

= 6,86 г O

Співвідношення O / N у NO = 3,43 г O / 3 г N

= 1,143

Співвідношення O / N у NO ₂ = 6,86 г O / 3 г N

= 2282

Значення співвідношення між співвідношеннями O / N = 2,282 / 1,143

= 2

Отже, значення співвідношення O / N дорівнює 2, просте ціле число. Тому виконується Закон множинних пропорцій.

Закон зворотних пропорцій

Цей закон, сформульований Ріхтером та Карлом Ф. Венцелем окремо, встановлює, що масові пропорції двох сполук із спільним елементом дозволяють визначити частку третьої сполуки між іншими елементами, якщо вони реагують.

Наприклад, якщо у вас є дві сполуки AB і CB, ви можете бачити, що загальним елементом є B.

Закон Ріхтера-Венцеля або зворотні пропорції говорить про те, що, знаючи, скільки A реагує з B, щоб дати AB, а скільки C реагує з B, щоб дати CB, ми можемо обчислити масу A, необхідну для реакції на маса С до утворення змінного струму.

І результат полягає в тому, що співвідношення A: C або A / C повинно бути кратним або підмножин A / B або C / B. Однак цей закон не завжди виконується, особливо коли елементи мають різні стани окислення.

З усіх пондеральних законів це, мабуть, самий "абстрактний" чи складний. Але якщо проаналізувати його з математичної точки зору, буде видно, що він складається лише з коефіцієнтів перетворення та скасування.

-Приклади

Метан

Якщо відомо, що 12 г вуглецю реагує з 32 г кисню, утворюючи вуглекислий газ; і що, з іншого боку, 2 г водню реагує з 16 г кисню з утворенням води, тоді масові пропорції C / O і H / O для CO ₂ і H ₂ O відповідно можуть бути оцінені .

Обчислюючи C / O і H / O, маємо:

C / O = 12 г C / 32 г O

= 3/8

H / O = 2g H / 16g O

= 1/8

Кисень є загальним елементом, і ви хочете знати, скільки вуглецю реагує з воднем, щоб утворити метан; тобто потрібно обчислити C / H (або H / C). Отже, необхідно зробити поділ попередніх пропорцій, щоб показати, чи виконується взаємність чи ні:

C / H = (C / O) / (H / O)

Зауважте, що таким чином O відміняються, а C / H залишається:

C / H = (3/8) / (1/8)

= 3

І 3 - кратний 3/8 (3/8 x 8). Це означає, що 3 г C вступає в реакцію з 1 г Н, отримуючи метан. Але, щоб мати можливість порівняти його з CO ₂ , помножте C / H на 4, що дорівнює 12; це дає 12 г С, який реагує з 4 г Н, утворюючи метан, що також правда.

Сульфід магнію

Якщо відомо, що 24 г магнію реагує з 2 г водню, утворюючи гідрид магнію; Крім того, 32 г сірки реагує з 2 г водню, утворюючи сірководень, спільним елементом є водень, і ми хочемо розрахувати Mg / S з Mg / H та H / S.

Тоді обчислюючи Mg / H та H / S окремо, маємо:

Mg / H = 24g Mg / 2g H

= 12

H / S = 2g H / 32g S

= 1/16

Однак зручно використовувати S / H для скасування H. Тому S / H дорівнює 16. Після цього, переходимо до обчислення Mg / S:

Mg / S = (Mg / H) / (S / H)

= (12/16)

= 3/4

І 3/4 - підмножина з 12 (3/4 x 16). Співвідношення Mg / S вказує, що 3 г Mg вступає в реакцію з 4 г сірки з утворенням сульфіду магнію. Однак вам потрібно помножити Mg / S на 8, щоб мати можливість порівняти його з Mg / H. Таким чином, 24 г Mg вступає в реакцію з 32 г сірки з отриманням цього сульфіду металу.

Хлорид алюмінію

Відомо, що 35,5 г Cl взаємодіє з 1 г Н з утворенням HCl. Також 27 г Al вступає в реакцію з 3 г Н з утворенням AlH ₃ . Знайдіть пропорцію хлориду алюмінію та скажіть, чи відповідає ця сполука закону Ріхтера-Венцеля.

Знову переходимо до обчислення Cl / H та Al / H окремо:

Cl / H = 35,5 г Cl / 1 г H

= 35,5

Al / H = 27g Al / 3g H

= 9

Тепер Al / Cl обчислюється:

Al / Cl = (Al / H) / (Cl / H)

= 9 / 35,5

≈ 0,250 або 1/4 (фактично 0,253)

Тобто 0,250 г Al вступає в реакцію з 1 г Cl, утворюючи відповідну сіль. Але, знову ж таки, Al / Cl треба помножити на число, що дозволяє порівняти (для зручності) з Al / H.

Неточності в розрахунку

Потім Al / Cl помножують на 108 (27 / 0,250), отримуючи 27 г Al, який реагує зі 108 г Cl. Це точно не так. Якщо взяти для прикладу значення 0,253 рази Al / Cl та помножити його на 106,7 (27 / 0,253), у нас буде те, що 27 г Al вступає в реакцію з 106,7 г Cl; що ближче до реальності (AlCl ₃ , з ПА 35,5 г / моль для Cl).

Тут ми бачимо, як закон Ріхтера може почати хитатися над точністю та неправильним використанням десяткових знаків.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Флорес, J. Química (2002). Редакція Сантільяна.
3. Хоакін Сан Фрутос Феррандес. (sf). Пондеральний і об'ємний закони. Відновлено з: encina.pntic.mec.es
4. Топпр. (sf). Закони хімічного поєднання. Відновлено з: toppr.com
5. Блискуча. (2019). Закони хімічного поєднання. Відновлено з сайту: британський.org
6. Хімія LibreTexts. (2015 р., 15 липня). Основні хімічні закони. Відновлено з: chem.libretexts.org
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (18 січня 2019 р.). Закон збереження маси. Відновлюється з: thinkco.com