Основні закони хімії
1.3.1 Закон збереження маси і енергії
Один з фундаментальних і загальних законів природи – закон збереження маси – був відкритий М.В.Ломоносовим (1748 р.) і Л.Лавуазьє (1789 р.) незалежно один від одного:
Загальна маса речовин, що вступають у хімічну реакцію, дорівнює загальній масі речовин, що утворюються внаслідок реакції.
Із закону збереження маси речовин випливає важливий наслідок закона збереження маси: кількість атомів кожного елемента до і після реакції залишається постійною (рис.1.14). Сам Ломоносов вважав, що закон збереження маси речовин є частиною більш загального закону природи і може бути поширений на інші форми руху матерії. Він стверджував, що тіло, яке своїм поштовхом збуджує інше тіло до руху, втрачає від свого руху стільки ж, скільки віддає іншому. Згідно з гіпотезою Ломоносова зміни в природі |
Рисунок 1.14 – Реакція між Н2 і О2 з утворенням Н2О – підтвердження наслідку із закону збереження маси: кількість атомів кожного елемента, які містяться у вихідних речовинах, дорівнює кількості атомів цього елемента в продуктах реакції |
відбуваються так, що коли до чогось дещо додалось, то це відніметься у чогось іншого.
Ця гіпотеза була розвинена лише після відкриття другої частини універсального закону природи – закону збереження енергії (Майер, 1842 р.):
Енергія не виникає і не зникає безслідно, а лише перетворюється з однієї форми в іншу в еквівалентних кількостях.
Закони збереження маси і енергії відображають принцип незнищуваності матерії та руху, сутність якого у сучасному вигляді формулюється так:
В ізольованій системі сума мас і енергій є постійною, тобто сумарні маса і енергії речовин, що вступають у реакцію, дорівнює сумарним масам і енергіям продуктів реакції.
Закон збереження енергії як філософський принцип не виводиться із більш загальних постулатів. З фізичної точки зору він є наслідком однорідності часу, тобто того факту, що закони природи протягом часу не змінюються.
Енергія – це міра руху і взаємодії різних видів матерії. При будь-яких процесах в ізольованій системі енергія не виникає і не знищується, вона може тільки переходити із однієї форми в іншу. Наприклад, енергія хімічної взаємодії може перетворюватися в теплову енергію випромінювання.
1.3.2 Закон сталості складу
Сутність закону сталості складу (Пруст, 1801 р.) полягає в тому, що кожна хімічна сполука незалежно від способу й умов її добування має певний масовий склад:
Співвідношення між масами елементів, що входять до складу певної сполуки, є сталими і не залежать від способу одержання цієї сполуки.
Цей закон не має абсолютного узагальненого характеру, оскільки в природі існує два типи сполук – зі сталим і зі змінним складом.
Сполуки, які мають сталий склад і цілочисельне атомне співвідношення компонентів, називаються дальтонідами.
До них належать речовини, які за звичайних умов перебувають в газоподібному (СО2, NH3, NO, HCl) чи рідкому (Н2О, С6Н6) стані або можуть бути легко переведені в них, а також кристалічні речовини з молекулярною структурою (I2, лід).
Сполуки змінного складу, в яких стехіометричні співвідношення компонентів не відповідають цілим числам, називаються бертолідами.
Бертоліди не мають молекулярної структури. До них належить переважна більшість кристалічних сполук перехідних d- i f-елементів: оксиди, гідриди, нітриди, сульфіди, карбіди та інші бінарні сполуки. Слід зауважити, що на сталість складу впливає й ізотопний склад, наприклад, у звичайній воді Н2О і у важкій воді D2О масові частки Оксигену різняться.
Отже, склад хімічних сполук залежить від типу хімічного зв’язку, агрегатного стану речовин, ізотопного складу та умов їх добування і може бути як сталим, так і змінним. Тому в сучасне формулювання закону сталості складу внесені деякі уточнення:
Якщо хімічна сполука має молекулярну структуру, то незалежно від умов добування склад її залишається сталим. Склад хімічної сполуки, що не має молекулярної структури, може змінюватися в певних межах залежно від умов добування.