МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
В.Ф. Кострюков, А.М. Самойлов, Е.В. Томина
СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ
ЗАКОНЫ ХИМИИ В XXI ВЕКЕ
Учебное пособие для вузов
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2016
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 4
Глава 1. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ ................................ 5
Глава 2. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ ................................. 9
Глава 3. ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА ВЕЩЕСТВ. ПОСТОЯНСТВО
И ПЕРЕМЕННОСТЬ СОСТАВА В ХИМИИ .................................................. 18
Глава 4. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ ............................................................... 33
4.1. Химические эквиваленты химических элементов ....................... 33
4.2. Химические эквиваленты кислот, оснований и солей ................ 43
4.3. Химические эквиваленты веществ, участвующих
в окислительно-восстановительных реакциях .................................... 51
4.4. Закон эквивалентов ......................................................................... 52
Глава 5. ЗАКОН КРАТНЫХ ОТНОШЕНИЙ ................................................. 57
Глава 6. ЗАКОН ПРОСТЫХ ОБЪЕМНЫХ ОТНОШЕНИЙ ........................ 62
Глава 7. ЗАКОН АВОГАДРО .......................................................................... 64
7.1. Гипотеза Авогадро .......................................................................... 64
7.2. Закон Авогадро и следствия из него ............................................. 66
Библиографический список ............................................................................. 76
3
Стр.3
Если вещества реагируют между собой нацело и без остатка, отличительной
особенностью такого химического взаимодействия является то,
что оно осуществляется не в произвольных, а в строго определенных соотношениях,
которые как раз и регулируются стехиометрическими законами.
Понятие «стехиометрия» и производные от него широко используются
в современной химической терминологии. Так, коэффициенты перед
формулами веществ в уравнениях химических реакций называются стехиометрическими
коэффициентами, а индексы, указывающие количество
атомов в формулах соединений, – это стехиометрические индексы. В химических
реакциях соотношения компонентов, при которых они реагируют
без остатка, – это стехиометрические соотношения и т. п.
Открытие стехиометрических законов тесно связано с революционным
изменением научной методологии химии. До середины XVIII столетия
главными инструментами научного познания в химии были наблюдения
и эксперименты, результаты которых трактовались преимущественно
на уровне объяснения качественных изменений. Немногие ученые в XVI–
XVII вв. применяли в своих исследованиях весы (сравнительно небольшой
точности) и приборы для измерения объемов жидкостей или газов. В России
количественные химические эксперименты использовал М.В. Ломоносов,
а в Западной Европе переход к измерению масс и объемов реагирующих
веществ, а также величин тепловых эффектов химических реакций
активно пропагандировал А.Л. Лавуазье. Благодаря широкому применению
количественных экспериментов А.Л. Лавуазье смог доказать научную
несостоятельность теории флогистона и разработать кислородную теорию
горения и дыхания, а также кислородную теорию строения химических
веществ.
В рамках университетского курса неорганической химии изучается
шесть стехиометрических законов химии: закон сохранения массы веществ,
закон постоянства состава веществ, закон эквивалентов, закон
кратных отношений, закон объемных отношений и закон Авогадро,
сформулированный вначале в качестве молекулярной гипотезы для объ6
Стр.6
яснения закона объемных отношений, но в настоящее время имеющий
самостоятельное значение*.
Стехиометрические законы были открыты в исторически короткий
промежуток времени – в конце XVIII столетия и первом десятилетии
XIX столетия. Необходимо иметь в виду, что в то время английский химик
Джон Дальтон стремился возродить атомистическую теорию древнегреческих
натурфилософов, превращая ее из умозрительной концепции в научное
мировоззрение. Однако далеко не все выдающиеся химики того времени
разделяли воззрения Дальтона. Поэтому в начале XIX века многие
понятия, которые в настоящее время изучаются уже на школьной скамье, в
химии еще не утвердились окончательно. Не были четко сформулированы
представления об атомах и молекулах, отсутствовали химические формулы
и уравнения, да и сами химические символы элементов. Поэтому в тот
исторический период открытие стехиометрических законов, в особенности
закона кратных отношений и закона постоянства состава веществ, способствовало
укреплению в химии представлений, связанных с существованием
атомов и молекул. В свою очередь атомистическая теория Дальтона позволила
объяснить и понять смысл стехиометрических законов.
История открытия, эволюция понимания стехиометрических законов
и их современное содержание весьма показательны и поучительны с точки
зрения развития основных, фундаментальных понятий химии, таких как
постоянство и переменность состава, проблемы валентности и химической
* С точки зрения истории химии закон сохранения массы не относится к стехиометрическим
законам, поскольку он был установлен в предыдущий исторический период
– период объединения химии. Кроме того, в современной физике концепция и свойства
массы существенно пересмотрены по сравнению с классическими понятиями
(см. главу 2). Масса более не является мерой количества вещества, а закон сохранения
массы тесно связан с законом сохранения внутренней энергии системы. Поэтому закон
сохранения массы следует рассматривать как одно из проявлений универсального закона
природы – закона сохранения массы и энергии.
7
Стр.7
связи, реакционная способность веществ и т.п. Естественно, ничего не было
известно о сложном строении атома и природе химической связи. Именно
открытие стехиометрических законов и способствовало введению в химию
многих из перечисленных фундаментальных понятий. Наряду с Периодическим
законом, теорией химического строения и учением о химических процессах
стехиометрические законы относят к основным законам химии.
Авторы данного учебного пособия доказывают, что при изучении
стехиометрических законов важно рассматривать не только их фактическое
содержание, но также анализировать их мировоззренческое значение и исторический
контекст.
Контрольные вопросы и задания
1. Какой ученый впервые ввел в науку термин «стехиометрия»?
2. Что означает термин «стехиометрия» в настоящее время?
3. Что является отличительной особенностью такого химического взаимодействия,
когда вещества реагируют между собой нацело и без остатка?
4. Какие стехиометрические законы изучают в рамках университетского
курса неорганической химии?
8
Стр.8
Глава 2. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ
В древнейшие времена античные натурфилософы высказывали этот
закон в метафизической* форме, согласно которой вещество несотворимо и
неуничтожимо. Одним из первых его сформулировал древнегреческий философ
Эмпедокл** (V век до н. э.): «Ничто не может произойти из ничего, и
никак не может то, что есть, уничтожиться». На рубеже позднего Средневековья
и Нового времени передовые мыслители и ученые также не высказывали
никаких сомнений в истинности этого закона. В 1620 г. английский
философ Фрэнсис Бэкон*** провозгласил: «Сумма материи остается всегда
постоянной и не может быть увеличена или уменьшена… ни одна мельчайшая
ее часть не может быть ни одолена всей массой мира, ни разрушена
совокупной силой всех агентов, ни вообще как-нибудь уничтожена».
Необходимо подчеркнуть, что высказывания Эмпедокла и Ф. Бэкона
носили сугубо умозрительный характер, были результатами теоретических
рассуждений и не подкреплялись экспериментальными данными. Поэтому
лишь некоторые ученые разделяли взгляды мыслителей, но большинство
современников придерживалось иных точек зрения.
* Метафизика (от др.-греч. «то, что после физики») – раздел философии, занимающийся
исследованиями первоначальной природы реальности, мира и бытия как
такового.
** Эмпедо́кл (490 до н. э. – 430 до н. э.) – древнегреческий философ, врач, государственный
деятель, жрец. Труды Эмпедокла написаны в форме поэм. Был плюралистом,
признавая множественность архэ. Являлся сторонником демократии. Автор поэмы
«О природе», из которой сохранились 340 стихов, а также религиозной поэмы «Очищения»
(сохранилось около 100 стихов).
*** Фрэ́нсис Бэ́кон (1561–1626) – английский философ, историк, политик, основоположник
эмпиризма. Крупный государственный деятель при короле Якове I. В 1621 г.
Ф. Бэкон закончил государственную деятельность и последние годы жизни посвятил исключительно
научной и литературной работе.
9
Стр.9
Впервые в отчетливой форме на основе результатов многочисленных
экспериментов этот закон был сформулирован еще в середине XVIII века
великим русским ученым М.В. Ломоносовым (1748–1756 гг.).
Антуан Лоран Лавуазье
(1743−1794)
Михаил Васильевич Ломоносов
(1711−1765)
«Но все изменения, совершающиеся в природе, происходят таким образом,
что сколько к чему прибавилось, столько же отнимается от другого.
Так, сколько к одному телу прибавится вещества, столько же отнимется от
другого... » – писал М.В. Ломоносов. Многие идеи, высказанные этим великим
ученым, намного опередили свое время и сохраняют свое значение и в
наши дни. Русский ученый сформулировал и вторую часть закона – закон
сохранения энергии: «Этот закон природы является настолько всеобщим,
что простирается и на правила движения: тело, возбуждающее толчком к
движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от
себя этого движения другому телу»*.
* Из письма М.В. Ломоносова Л. Эйлеру. 5 июля 1748 г. / М. В. Ломоносов //
Избранные философские произведения. М. : Госполитиздат, 1950. С. 155.
10
Стр.10