JAKÉ JSOU HMOTNOSTNÍ ZÁKONY CHEMIE? (PŘÍKLADY) - CHEMIE - 2025

K ponderal zákony chemie jsou ty, které ukázaly, že hmotnosti látky, které reagují tak nečiní libovolným způsobem nebo náhodným způsobem; ale udržováním konstantního matematického podílu celých čísel nebo jeho podskupin, ve kterých atomy prvků nejsou ani vytvořeny, ani zničeny.

V minulých dobách vyžadovaly tyto zákony mimořádné úsilí při uvažování; protože i když se to nyní zdá příliš zřejmé, před atomovou a molekulární hmotností prvků nebo sloučenin nebyly respektovány.

Zdroj: Jeff Keyzer z Austinu, TX, USA

Protože nebylo přesně známo, kolik se jeden mol atomů každého prvku rovnalo, museli se chemici v 18. a 19. století spoléhat na masy reakčních složek. Takže základní analytické váhy (horní obrázek) byly neoddělitelnými společníky během stovek experimentů požadovaných pro stanovení zákonů hmotnosti.

Z tohoto důvodu se při studiu těchto zákonů chemie setkáváte s měřením hmotnosti v každém okamžiku. Díky tomu, extrapolací výsledků experimentů, bylo zjištěno, že čisté chemické sloučeniny jsou vždy tvořeny se stejným hmotnostním podílem svých základních prvků.

Zákon zachování hmoty

Tento zákon říká, že v chemické reakci se celková hmotnost reakčních složek rovná celkové hmotnosti produktů; pokud je uvažovaný systém uzavřený a nedochází k výměně hmoty a energie s jeho okolím.

Při chemické reakci látky nezmizí, ale přeměňují se na jiné látky stejné hmotnosti; odtud slavná věta: „nic není vytvořeno, nic není zničeno, vše je transformováno“.

Historicky, zákon zachování hmoty v chemické reakci byl nejprve navrhován v 1756 Michail Lomonsov, kdo ukázal výsledky jeho experimentů v jeho žurnálu.

Pozdnější v 1774, Antoine Levoisier, francouzský chemik, představil výsledky jeho experimentů, které umožňovaly toto; který někteří také nazývají Lavoisierův zákon.

- Levnější experimenty

V Lavoisierově době (1743-1794) existovala Phlogistonova teorie, podle níž byla těla schopna vznítit nebo spálit. Lavoisierovy experimenty umožnily tuto teorii vyřadit.

Lavoisier provedl řadu experimentů spalování kovů. Pečlivě zvážil materiály před a po spalování v uzavřené nádobě a zjistil, že došlo ke zjevnému nárůstu hmotnosti.

Ale Lavoiser na základě svých znalostí úlohy kyslíku ve spalování dospěl k závěru, že přírůstek hmotnosti při spalování byl způsoben začleněním kyslíku do hořícího materiálu. Zrodil se koncept oxidů kovů.

Suma hmotností kovů podrobených hoření a kyslíku proto zůstala nezměněna. Tento závěr umožnil zavedení zákona o zachování mše.

- Rovnováha rovnic

Zákon o ochraně mas stanovil potřebu vyvážit chemické rovnice, zaručující, že počet všech prvků zapojených do chemické reakce, ať už jako reaktanty nebo jako produkty, je přesně stejný.

To je zásadní požadavek na přesnost stechiometrických výpočtů.

- Výpočty

Vodní krtky

Kolik molů vody může být vyrobeno během spalování 5 molů metanu v přebytku kyslíku? Také ukazují, že platí zákon zachování látek.

CH ₄ + 2 O ₂ => CO ₂ + 2 H ₂ O

Při pozorování vyvážené rovnice reakce se dospělo k závěru, že 1 mol metanu produkuje 2 mol vody.

Problém může být vyřešen přímo s jednoduchým přístupem, protože nemáme 1 mol, ale 5 molů CH ₄:

Molů vody = 5 moly CH ₄ (2 mol H ₂ O / 1 mol CH ₄)

= 10

To by bylo ekvivalentní 180 g H ₂ O. Také 5 mol nebo 220 g CO _{byl tvořen 2}, která se rovná celkové hmotnosti 400 g výrobků.

Aby bylo možné dodržet zákon zachování látek, musí tedy reagovat 400 g činidel; nic víc, nic míň. Z těchto 400 g, 80 g, odpovídají 5 moly CH ₄ (násobí jeho molekulovou hmotností 16 g / mol) a 320 g, odpovídal 10 molů O ₂ (stejným způsobem jeho molekulovou hmotností 32 g / mol).

Spalování hořčíkové pásky

1,50 g hořčíkový pás byl spálen v uzavřené nádobě obsahující 0,80 g kyslíku. Po spalování zůstalo v nádobě 0,25 g kyslíku. a) Jaká hmotnost kyslíku reagovala? b) Kolik oxidu hořečnatého bylo vytvořeno?

Hmota kyslíku, která reagovala, se získá jednoduchým rozdílem.

Hmotnost spotřebovaného kyslíku = (počáteční hmotnost - zbytková hmotnost) kyslíku

= 0,80 g - 0,25 g

= 0,55 g O ₂ (a)

Podle zákona o zachování hmoty

Hmotnost oxidu hořečnatého = hmotnost hořčíku + hmotnost kyslíku

= 1,50 g + 0,55 g

= 2,05 g MgO (b)

Zákon určitých rozměrů

Joseph Louis Proust (1754-1826), francouzský chemik, si uvědomil, že v chemické reakci chemické prvky vždy reagují ve fixních poměrech hmot za vzniku specifické čisté sloučeniny; proto je jeho složení konstantní, bez ohledu na zdroj nebo původ, nebo jak je syntetizováno.

Proust v roce 1799 vydal zákon o určitých proporcích, který říká, že: „Když se dva nebo více prvků spojí do jedné sloučeniny, dělají tak v pevném hmotnostním poměru.“ Tento vztah je tedy pevný a nezávisí na strategii použité při přípravě sloučeniny.

Tento zákon je také známý jako zákon stálého složení, který říká, že: „Každá chemická sloučenina ve stavu čistoty vždy obsahuje stejné prvky v konstantním poměru hmoty.“

- Ilustrace zákona

Železo (Fe) reaguje se sírou (S) za vzniku sirníku železa (FeS), lze pozorovat tři situace (1, 2 a 3):

Chcete-li najít poměr, ve kterém se prvky kombinují, vydělte větší hmotnost (Fe) menší hmotností (S). Výpočet poskytuje poměr 1,75: 1. Tato hodnota se opakuje za daných tří podmínek (1, 2 a 3), kde se získá stejný poměr, ačkoli se používají různé hmotnosti.

To znamená, že 1,75 g Fe se smíchá s 1,0 g S a získá se 2,75 g FeS.

-Aplikace

Použitím tohoto zákona můžete přesně znát množství prvků, které musí být kombinovány, aby se získala požadovaná hmotnost sloučeniny.

Tímto způsobem lze získat informace o nadbytku hmotnosti některých prvků účastnících se chemické reakce nebo o tom, zda v reakci existuje omezující činidlo.

Kromě toho je aplikováno znát centesimální složení sloučeniny a na základě této sloučeniny je možné stanovit vzorec sloučeniny.

Středové složení sloučeniny

Oxid uhličitý (CO ₂) se tvoří v následující reakci:

C + O ₂ => CO ₂

12 g uhlíku kombinuje 32 g kyslíku za vzniku 44 g oxidu uhličitého.

Procento uhlíku se tedy rovná

Procento uhlíku = (12 g / 44 g) 100%

= 27,3%

Procento kyslíku = (32 g / 44 g) 100%

Procento kyslíku = 72,7%

Podle prohlášení zákona o stálém složení lze konstatovat, že oxid uhličitý je vždy tvořen 27,3% uhlíku a 72,7% kyslíku.

- Výpočty

Oxid siřičitý

Reakcí v různých plavidel, 4 g a 6 g síry (S) s kyslíkem (O), 10 g a 15 g oxid sírový (SO ₃), byly získány, v tomto pořadí.

Proč byla získána taková množství oxidu siřičitého a ne ostatní?

Vypočítá se také množství síry potřebné ke zkombinování s 36 g kyslíku a získaná hmotnost oxidu sírového.

Část A)

V první nádobě 4 se síra smísí s X g kyslíku, čímž se získá 10 g oxidu. Pokud se použije zákon zachování hmoty, můžeme vyřešit množství kyslíku, které se kombinuje se sírou.

Hmotnost kyslíku = 10 g oxidu kyslíku - 4 g síry.

= 6 g

V nádobě se smíchá 6 g síry s X g kyslíku, čímž se získá 15 oxidu sírového.

Hmotnost kyslíku = 15 g oxidu sírového - 6 g síry

= 9 g

Poté pokračujeme ve výpočtu poměru O / S pro každý kontejner:

Poměr O / S v situaci 1 = 6 g O / 4 g S

= 1,5 / 1

Poměr O / S v situaci 2 = 9 g O / 6 g S

= 1,5 / 1

Což je v souladu s tím, co je uvedeno v zákoně o definovaných proporcích, které uvádí, že prvky se vždy kombinují ve stejném poměru a vytvářejí určitou směs.

Získané hodnoty jsou proto správné a hodnoty, které odpovídají uplatňování zákona.

Část b)

V předchozí části byla pro poměr O / S vypočtena hodnota 1,5/1.

g síry = 36 kyslíku (1 g síry / 1,5 g kyslíku)

= 24 g

g oxidu sírového = 36 g kyslíku + 24 g síry

= 60 g

Chlor a hořčík

Chlor a hořčík se kombinují v poměru 2,95 g chloru na každý g hořčíku. a) Stanovte množství chloru a hořčíku nezbytné pro získání 25 g chloridu hořečnatého. b) Jaké je procentuální složení chloridu hořečnatého?

Část A)

Na základě hodnoty 2,95 pro poměr Cl: Mg lze provést následující přístup:

2,95 g Cl + 1 g Mg => 3,95 g MgCl ₂

Pak:

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

= 18,67

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

= 6,33

Potom se 18,67 g chloru smísí s 6,33 g hořčíku, čímž se získá 25 g chloridu hořečnatého.

Část b)

Nejprve se vypočte molekulovou hmotnost chloridu hořečnatého, chloridu hořečnatého ₂:

Molekulová hmotnost MgCl ₂ = 24,3 g / mol + (2 35,5 g / mol)

= 95,3 g / mol

Procento hořčíku = (24,3 g / 95,3 g) x 100%

= 25,5%

Procento chloru = (71 g / 95,3 g) x 100%

= 74,5%

Zákon vícenásobných rozměrů nebo Daltonův zákon

Zákon byl vyhlášen v roce 1803 francouzským chemikem a meteorologem Johnem Daltonem na základě jeho pozorování ohledně reakcí atmosférických plynů.

Zákon byl stanoven následujícím způsobem: „Když jsou prvky kombinovány, aby poskytly více než jednu směs, proměnná hmotnost jedné z nich se spojí s pevnou hmotností druhé a první má jako vztah kanonických a nezřetelných čísel“.

Také: "Pokud jsou dva prvky kombinovány za vzniku různých sloučenin, vzhledem k pevnému množství jedné z nich, různá množství druhého prvku, která se kombinují s uvedeným pevným množstvím pro výrobu sloučenin, jsou ve vztahu k jednoduchým celým číslům."

John Dalton učinil první moderní popis atomu jako složky chemických prvků, když poukázal na to, že prvky jsou tvořeny nedělitelnými částicemi nazývanými atomy.

Navíc předpokládal, že sloučeniny se vytvářejí, když se atomy různých prvků vzájemně kombinují v jednoduchých poměrech celých čísel.

Dalton dokončil vyšetřovací práce Prousta. Poukázal na existenci dvou oxidů cínu, s procenty 88,1% a 78,7% cínu s odpovídajícími procenty kyslíku, 11,9% a 21,3%.

- Výpočty

Voda a peroxid vodíku

Ukazují, že sloučeniny voda, H ₂ O, a peroxid vodíku, H ₂ O ₂, splňují zákon proporcí násobku.

Atomové hmotnosti prvků: H = 1 g / mol a kyslík = 16 g / mol.

Molekulové hmotnosti těchto sloučenin: H ₂ O = 18 g / mol, a H ₂ O ₂ = 34 g / mol.

Vodík je prvek s pevným množstvím v H ₂ O a H ₂ O ₂, takže budou stanoveny poměry mezi O a H v obou sloučenin.

Poměr O / H v H ₂ O = (16 g / mol) / (2 g / mol)

= 8/1

Poměr O / H v H ₂ O ₂ = (32 g / mol) / (2 g / mol)

= 16/1

Vztah mezi oběma proporcemi = (16/1) / (8/1)

= 2

Poměr O / H peroxidu vodíku k vodě je 2, jednoduché celé číslo. Proto je prokázán soulad se zákonem o více podílech.

Oxidy dusíku

Jaká hmotnost kyslíku se kombinuje s 3,0 g dusíku v a) oxidu dusnatém, NO a b) oxidu dusnatém, NO ₂. Ukažte, že NO a NO _{2 jsou v} souladu se zákonem o více podílech.

Hmotnost dusíku = 3 g

Atomová hmotnost: dusík, 14 g / mol a kyslík, 16 g / mol.

Výpočty

V NO se jeden atom dusíku kombinuje s atomem O, takže hmotnost kyslíku, který se kombinuje se 3 g dusíku, lze vypočítat pomocí následujícího přístupu:

g O = g dusíku (PA, O / PA, N)

= 3 g (16 g / mol / 14 g / mol)

= 3,43 g O

V NO ₂ se jeden N atom kombinuje s 2 O atomy, takže hmotnost kyslíku, která je kombinována, je:

g kyslíku = 3 g (32 g / mol / 14 g / mol)

= 6,86 g O

Poměr O / N v NO = 3,43 g O / 3 g N

= 1,143

Poměr O / N v NO ₂ = 6,86 g O / 3 g N

= 2,282

Hodnota vztahu mezi poměry O / N = 2,282 / 1 143

= 2

Takže hodnota poměru O / N je 2, jednoduché celé číslo. Zákon o více podílech je proto splněn.

Zákon vzájemných proporcí

Tento zákon, který Richter a Carl F. Wenzel formulovali samostatně, stanoví, že hmotnostní poměry dvou sloučenin s jedním společným prvkem umožňují určit podíl třetí sloučeniny mezi ostatními prvky, pokud reagují.

Například, pokud máte dvě sloučeniny AB a CB, můžete vidět, že společným prvkem je B.

Richter-Wenzelův zákon nebo vzájemné proporce říkají, že s vědomím, jak hodně A reaguje s B na AB, a kolik C reaguje s B na CB, můžeme vypočítat hmotnost A, která je potřebná pro reakci s hmotnost C za vzniku AC.

Výsledkem je, že poměr A: C nebo A / C musí být násobkem nebo podskupinou A / B nebo C / B. Tento zákon však není vždy splněn, zejména pokud prvky vykazují různé oxidační stavy.

Ze všech zákonů o ponderu je to snad ten „abstrakt“ nebo komplikovaný. Ale pokud to analyzujete z matematického hlediska, bude vidět, že se skládá pouze z konverzních faktorů a zrušení.

- Příklady

Metan

Je-li známo, že 12 g uhlíku reaguje s 32 g kyslíku za vzniku oxidu uhličitého; a že na druhé straně, 2 g vodíku reaguje s 16 g kyslíku za vzniku vody, pak hmotnostní poměr C / O a H / O pro CO ₂ a H ₂ O, v tomto pořadí, může být odhadnuta.

Při výpočtu C / O a H / O máme:

C / O = 12 g C / 32 g O

= 3/8

H / O = 2 g H / 16 g O

= 1/8

Kyslík je společný prvek a chcete vědět, kolik uhlíku reaguje s vodíkem za vzniku metanu; to znamená, že chcete vypočítat C / H (nebo H / C). Pak je nutné rozdělit předchozí proporce, aby se ukázalo, zda je reciprocita splněna či nikoli:

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

Všimněte si, že tímto způsobem jsou O zrušeny a C / H zůstává:

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

= 3

A 3 je násobek 3/8 (3/8 x 8). To znamená, že 3 g C reaguje s 1 g H za vzniku methanu. Chcete-li ji však porovnat s CO ₂, vynásobte C / H 4, což se rovná 12; Tím se získá 12 g C, který reaguje se 4 g H za vzniku methanu, což je také pravda.

Sulfid hořečnatý

Je-li známo, že 24 g hořčíku reaguje s 2 g vodíku za vzniku hydridu hořečnatého; Dále, 32 g síry reaguje se 2 g vodíku za vzniku sirovodíku, prvek je obyčejně vodík a chceme vypočítat Mg / S z Mg / H a H / S.

Pak vypočítáme Mg / H a H / S samostatně, máme:

Mg / H = 24 g Mg / 2 g H

= 12

H / S = 2 g H / 32 g S

= 1/16

Je však vhodné použít S / H ke zrušení H. Proto je S / H rovna 16. Jakmile je to hotovo, přistoupíme k výpočtu Mg / S:

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

= (12/16)

= 3/4

A 3/4 je submultiple 12 (3/4 x 16). Poměr Mg / S ukazuje, že 3 g Mg reaguje se 4 g síry za vzniku sulfidu hořečnatého. Musíte však vynásobit Mg / S 8, abyste jej mohli porovnat s Mg / H. Takto 24 g Mg reaguje s 32 g síry za vzniku tohoto sulfidu kovu.

Chlorid hlinitý

Je známo, že 35,5 g Cl reaguje s 1 g H za vzniku HC1. Také, 27 g Al reaguje s 3 g H pro vytvoření ALH ₃. Najděte podíl chloridu hlinitého a řekněte, zda se tato sloučenina řídí Richter-Wenzelovým zákonem.

Znovu přistoupíme k výpočtu Cl / H a Al / H samostatně:

Cl / H = 35,5 g Cl / 1 g H

= 35,5

Al / H = 27 g Al / 3 g H

= 9

Nyní se vypočítá Al / Cl:

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

= 9/35,5

≈ 0,250 nebo 1/4 (ve skutečnosti 0,253)

To znamená, že 0,250 g AI reaguje s 1 g Cl za vzniku odpovídající soli. Ale opět, Al / Cl musí být vynásobeno číslem, které umožňuje jeho srovnání (pro větší přehlednost) s Al / H.

Nepřesnosti výpočtu

Al / Cl se pak vynásobí 108 (27 / 0,250), čímž se získá 27 g AI, který reaguje s 108 g Cl. To není úplně pravda. Pokud vezmeme například hodnotu 0,253krát Al / Cl a vynásobíme jej 106,7 (27 / 0,253), budeme mít, že 27 g AI reaguje s 106,7 g Cl; která je blíže k realitě (AlCl ₃, s PA 35,5 g / mol pro Cl).

Zde vidíme, jak Richterův zákon může začínat trápit přesnost a zneužívání desetinných míst.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Flores, J. Química (2002). Redakční Santillana.
3. Joaquín San Frutos Fernández. (sf). Ponderální a volumetrické zákony. Obnoveno z: encina.pntic.mec.es
4. Toppr. (sf). Zákony o chemické kombinaci. Obnoveno z: toppr.com
5. Brilantní. (2019). Zákony o chemické kombinaci. Obnoveno z: brilliant.org
6. Chemistry LibreTexts. (2015, 15. července). Základní chemické zákony. Obnoveno z: chem.libretexts.org
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (18. ledna 2019). Zákon zachování mše Obnovené z: thinkco.com