Всякое чистое вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.
Данный закон строго применим только для веществ молекулярного типа. Большинство соединений с атомной или ионной структурой имеют переменный состав в следствии ненасыщаемости их химических связей.
Из закона постоянства состава химических веществ следует, что они вступают во взаимодействие друг с другом в строго определенных массовых соотношениях или эквивалентных количествах.
ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ
Массы реагирующих друг с другом веществ пропорцианальны их эквивалентам или эквивалентным массам:
m1 /m 2 = Э1/Э2.
Из закона следует, что при любом химическом взаимодействии один эквивалент вещества всегда реагирует с одним эквивалентом другого вещества.
Химический эквивалент (n) элемента или соединения – это такое его количество, которое может провзаимодействовать (реально или формально) с 1 моль атомов водорода или заместить его в химических реакциях.
Единицей химического эквивалента является моль. 5
ПРИМЕР:
n (H2) = 1/2 моль; n (О2) = 1/4 моль; n (СО) =1/2 моль; n (СО2) = 1/4 моль
Эквивалентная масса (Эm, г/моль ) – это масса одного эквивалента вещества. Эквивалентная масса элемента или соединения рассчитывается по формуле: Э = М · n, где М – молярная масса элемента или соединения, n – химический эквивалент этого элемента или соединения.
ПРИМЕР: Э m (Н2) = 2 г/моль · 1/2 моль = 1 г.
Э m (О2) = 32 г/моль · 1/4 моль = 8 г.
Э m (SiO) = 28 г/моль · 1/2 моль = 14 г.
Э m (SiO2) = 44 г/моль · 1/4 моль = 11 г.
Э m (Cr2O3) = 152 г/моль · 1/6 моль = 25,3 г.
Эквивалентный объем (Эv, л/моль ) – это объем, занимаемый одним эквивалентом газообразного вещества. Эквивалентный объем газа находят умножением молярного объема газа на его эквивалент.
ПРИМЕР: Э v (Н2) = 22,4 л/моль · 1/2 моль = 11,2 л.
Э v (О2) = 22,4 л/моль · 1/4 моль = 5,6 л.
Э v (Сl2) = 22,4 л/моль · 1/2 моль = 11,2 л.
Таким образом, эквивалент составляет некоторую часть моля или равен ему, а эквивалентная масса равна такой же части молярной массы или равна ей. Эквивалентный объем равен такой же части молярного объема или равен ему.
Для расчетов в окислительно-восстановительных реакциях используется понятие окислительно-восстановительного эквивалента (redox эквивалент). Это такое количества элемента или соединения, которое может отдать или присоединить 1 моль электронов.
Химический эквивалент KМnO4 = 1 моль, а его окислительно-восстановительный эквивалент непостоянен и зависит от числа электронов, присоединяемых в окислительно-восстановительной реакции.
ПРИМЕР: РЕАКЦИЯ REDOX ЭКВИВАЛЕНТ
MnO4- +8H+ +5e = Mn2+ +4H2O 1/5 моль
MnO4- + 2 H2O +3е = MnO2 + 4OH- 1/3 моль
MnO4- + е = MnO42- 1 моль
На количественное соотношение реагирующих веществ в уравнениях химических реакций указывают стехиометрические коэффициенты, стоящие перед символом веществ: 3H2 + N2 = 2NH3. Стехиометрические коэффициенты могут указывать на соотношение взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов) или их молей.
ЗАКОН АВОГАДРО
В равных объемах любых газов, находящихся при одинаковых температуре и давлении, содержится одинаковое число молекул.
Из закона Авогадро следует, что 1 моль любого газа занимает одинаковый объем.
При нормальных условиях (н.у.) (Т =273К или 00С и Р =101325 Па или 1 атм или 760 мм.рт.ст.) этот объем называется молярным (V m) и равен 22,4 л.
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
Из закона Авогадро следует, что массы равных объемов двух газов относятся друг к другу как их молярные массы: D= m1 / m 2 = M1 / M 2. Величина D называется относительная плотность первого газа по второму.
НАПРИМЕР: плотность кислорода по воздуху D = M кис. / М возд. = 32/29 = 1,1.
Объединенное уравнение, описывающее состояние идеального газа, носит название УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА (уравнение Клапейрона – Менделеева):
PV = nRT (PV = (m/M) RT или PV = (V/Vм ) RT,
где Р(Па) - давление, при котором находится данное количество газа; V (м3) - объем, занимаемый газом; n (моль) – число молей газа; Т (К) – абсолютная температура; R (8,31 Дж/моль·К) – универсальная газовая постоянная (R – это работа расширения 1 моль идеального газа при нагревании его на 1 градус). Универсальная газовая постоянная связана с константой Больцмана соотношением R=k·Na = 13,805·1022 · 6,02·10-23 = 8,31 Дж/моль·К.
Для расчета параметров газа, находящегося в смеси с другими газами используют понятие парциального давления.
Парциальное давление газа – это давление, которое оказывал бы данный газ, если бы занимал весь объем, занимаемый газовой смесью. Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений отдельных газов. Парциальные давления газов в смеси пропорциональны их объемному содержанию.
ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
1. ПРИВЕДЕНИЕ ОБЪЕМА ГАЗА К НОРМАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ (н.у.)
Какой объем при н.у. займут 0,4 л газа, находящегося при 500С и давлении 95,4 кПа?
РЕШЕНИЕ: Для приведения объема газа к н.у. воспользуемся уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
Р1V1 / T1 = P0V0 / T0, где P 0 V 0 / T0 – нормальные условия.
Из уравнения следует, что V 0 = P1V1T0 / P 0 T 1. Переведем размерность параметров в систему Си: V 1= 0,4л =4·10-4м3; Т 1= 500С = 323К;
Р 1= 95,4кПа = 9,54·104Па. Подставим значения величин в уравнение:
V 0= 9,54 ·104Па · 4 ·10-4м3 · 273К / 1,013 ·105Па · 323К = 3,18 ·10-4 м3.
2. ВЫЧИСЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫГАЗА ПО ЗАДАННОМУ ОБЪЕМУ
Вычислить молярную массу газа, если при 130С (286К) его масса составляет 1,01 г, находится под давлением 1,04 · 105Па и занимает объем 3,27 · 10-4 м3
РЕШЕНИЕ: Из уравнения состояния идеального газа следует, что
М = mRT / PV = 1,01 г · 8,31 Дж/моль·К ·286К / 1,04·105Па · 3,27·10-4 м3 = =70,7 г/моль.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В СМЕСИ
Смешивают (V 0) 3л СО2 с 4л О2 и 6л N2. До смешения давления газов составляли соответственно (P 0) 96, 108 и 90,6 кПа. Общий объем смеси (V 1) 10л. Определить парциальное давление газов (P 1) и общее давление смеси.
РЕШЕНИЕ: Так как температура постоянна, то P1V1 =P 0 V 0. Расчитаем парциальные давления газов в смеси:
Р 1(СО2) = P 0 V 0 /V 1= 96 кПа·3л/ 10л = 28,8 кПа.
Р 1(О2) = P 0 V 0 /V 1= 108 кПа·4л/ 10л = 43,2 кПа.
Р 1(N2) = P 0 V 0 /V 1= 90,6 кПа·6л/ 10л = 54,4кПа.
Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов Р общ= Р 1(СО2) + Р 1(О2) + Р 1(N2) =28,8 + 43,2 + 54,4 = 126,4 кПа
4. РАСЧЕТ АБСОЛЮТНОЙ МАССЫМОЛЕКУЛЫВЕЩЕСТВА
Рассчитать абсолютную массу молекулы газа (m м), если масса 1,5л газа при н.у. составляет 1,785 г.
РЕШЕНИЕ: Известно, что n = m/M = V/V M, откуда молярная масса газа будет равна М = mV M / V = 1,785г · 22,4л/моль / 1,5л = 26,7 г/моль. Масса молекулы рассчитывается как частное от деления молярной массы вещества на число Авогадро m м = М / N a= 26,7 г/моль / 6,02·1023 моль-1 = 4,44·10-23г.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМНОЙ МАССЫМЕТАЛЛА ПО ЕГО ЭКВИВАЛЕНТНОЙ МАССЕ.