Фундаментальные и газовые законы химии

Фундаментальные законы химии.

Атомно–молекулярная теория. Создал атомно-молекулярное учение и открыл закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов. Он четко различал две ступени в строении вещества: элементы (в нашем понимании – атомы) и корпускулы (молекулы). Согласно Ломоносову, молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ – из разных атомов. Всеобщее признание атомно-молекулярная теория получила в начале XIX в. после утверждения в химии атомистики Дальтона. С тех пор главным объектом исследования химии стали молекулы. Химией молекул продолжает оставаться современная органическая химия, а большинство неорганических веществ не имеют молекулярной структуры. В последнем случае макротела состоят либо из атомов одного и того же химического элемента, либо из атомов разных элементов.

Закон сохранения массы и энергии. В 1760 г. Ломоносов сформулировал единый закон сохранения массы и энергии:

Закон сохранения массы. Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон сохранения энергии. Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только превращается из одного вида в другой в строго эквивалентных соотношениях.

До начала ХХ в. эти законы обычно рассматривались независимо друг от друга. Химия в основном имела дело с законом сохранения массы вещества, а физика – с законом сохранения энергии. В 1905 г. основоположник современной физики А.Эйнштейн показал, что между массой и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением

Е = mc², где Е – энергия; m – масса; с – скорость света в вакууме.

Газовые законы химии.

При определении атомной массы элемента Дальтон исходил из понятия атомной массы и результатов химического анализа. Однако для установления правильных атомных масс элементов оказались недостаточными указанные исходные позиции Дальтона. Необходимо было атомистику Дальтона дополнить ясными представлениями о молекулах. На этом пути важную роль сыграли газовые законы и особенно закон объемных отношений Гей-Люссака и закон Авогадро. Экспериментальные исследования по изучению химических реакций между газообразными веществами привели Гей-Люссака к открытию

Закона объемных отношений (1808): Объемы реагирующих газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газов как небольшие целые числа.

Так, при образовании хлорида водорода из простых веществ объемы реагирующих и получающихся газов относятся друг к другу как 1:1:2. А при синтезе воды из простых веществ это отношение равно 2:1:2. Эти пропорции небольших и целых чисел нельзя объяснить, исходя из атомистики Дальтона.

Закон Авогадро (1811 г). В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Впоследствии это число было названо числом (константой) Авогадро, N_a = 6,022?10²³ моль^-1.

Следствия из закона Авогадро:

1 моль любого вещества содержит 6,0221?10²³ число молекул.

1 моль любого газа при одинаковых условиях занимает один и постоянный объем. Это объем при нормальных условиях (н. у.), т.е. Т=273 К и р=101,3 кПа равен 22,4 л/моль (дм³/моль). Данный объем называется молярным.

где m – масса газа; М – молекулярная масса; R – молярная газовая постоянная; Р – давление; Т – абсолютная температура; V – объем газа, а m/M = n – число молей.

Молярный объем – это отношение объема вещества к количеству моль этого вещества.= 22,4 дм³/моль

Объединенный закон газового состояния (уравнение Клапейрона-Менделеева)выражается уравнением состояния идеального газа: PV=(m/M)RT

где R – универсальная газовая постоянная, зависит от единиц, в которых измеряется давление и объем. R = 62400 мм.рт.ст.·см³/К·моль = 0,082 атм.·л/К·моль = 8,314 Дж/К·моль.

Закон парциальных давлений – общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическое взаимодействие, равно сумме парциальных давлений ее составных частей.

Парциальное давление газа в газовой смеси – это давление, которое производил бы газ, занимая объем всей газовой смеси.

Например, в газовой смеси содержится 20% О₂ и 80% N₂, общее давление равно 1,013·10⁵Па, парциальное давление кислорода и азота равны

1,013·10⁵·0,2 = 2,026·10⁴ Па и 1,013·10⁵·0,8 = 8,104·10⁴ Па соответственно.