Страница 48 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Кем и когда был открыт закон постоянства состава? Дайте определение и поясните сущность этого закона с точки зрения представлений об атомах и молекулах.

Закон постоянства состава был открыт французским химиком Жозефом Луи Прустом. На основе многочисленных экспериментов, проведённых им в период с 1799 по 1806 год, он установил эту фундаментальную закономерность в химии.

Определение закона постоянства состава: любое химически чистое соединение с молекулярной структурой, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав.
• Постоянный качественный состав означает, что вещество всегда состоит из одних и тех же химических элементов.
• Постоянный количественный состав означает, что массовое соотношение этих элементов в данном соединении является постоянной величиной.

Сущность этого закона легко объясняется с точки зрения атомно-молекулярного учения. Согласно этому учению, химические соединения состоят из молекул. Все молекулы одного и того же вещества абсолютно одинаковы по своему составу, то есть содержат одно и то же число атомов каждого из элементов, образующих вещество. Например, любая молекула воды, химическая формула которой $H_2O$, всегда состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так как атомы каждого химического элемента имеют определённую и постоянную массу (атомную массу), то и массовое соотношение элементов в молекуле будет постоянным. Поскольку любой макроскопический образец чистого вещества состоит из огромного числа таких одинаковых молекул, то и массовое соотношение элементов во всем образце также будет постоянным и будет соответствовать соотношению в одной молекуле. Например, для воды ($H_2O$) отношение масс водорода к кислороду всегда постоянно и равно приблизительно $m(H) : m(O) \approx (2 \cdot 1) : 16 = 1 : 8$.

Ответ: Закон постоянства состава был открыт французским химиком Жозефом Луи Прустом в 1799–1806 гг. Он гласит, что любое чистое соединение, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. С точки зрения атомно-молекулярного учения, это объясняется тем, что молекулы вещества состоят из строго определённого числа атомов каждого вида, а атомы имеют постоянную массу, что и обеспечивает постоянство массового соотношения элементов в соединении.

2. Известно вещество, в котором на 2 атома меди приходится 1 атом серы. В каких массовых отношениях нужно взять медь и серу, чтобы оба вещества полностью вступили в реакцию?

Дано:

Отношение количества атомов меди к количеству атомов серы: $N(Cu) : N(S) = 2 : 1$

Относительная атомная масса меди (из Периодической таблицы): $A_r(Cu) \approx 64$

Относительная атомная масса серы (из Периодической таблицы): $A_r(S) \approx 32$

Найти:

Массовое отношение меди и серы: $m(Cu) : m(S)$ - ?

Решение:

Для того чтобы вещества прореагировали полностью, их нужно взять в стехиометрическом соотношении. Из условия задачи известно, что на 2 атома меди приходится 1 атом серы. Это означает, что химическая формула образующегося вещества — сульфид меди(I) — $Cu_2S$.

Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$2Cu + S \rightarrow Cu_2S$

Согласно этому уравнению, для реакции требуется взять медь и серу в молярном отношении $2:1$, то есть:

$\nu(Cu) : \nu(S) = 2 : 1$

Масса вещества ($m$) связана с его количеством ($\nu$) и молярной массой ($M$) соотношением $m = \nu \cdot M$. Молярные массы меди и серы численно равны их относительным атомным массам:

$M(Cu) = 64$ г/моль

$M(S) = 32$ г/моль

Найдем отношение масс, в котором медь и сера должны вступать в реакцию. Для этого найдем массу 2 моль меди и 1 моль серы.

Масса 2 моль меди:

$m(Cu) = 2 \text{ моль} \cdot M(Cu) = 2 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 128 \text{ г}$

Масса 1 моль серы:

$m(S) = 1 \text{ моль} \cdot M(S) = 1 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 32 \text{ г}$

Теперь найдем искомое массовое отношение:

$\frac{m(Cu)}{m(S)} = \frac{128}{32} = \frac{4}{1}$

Таким образом, для полной реакции медь и серу необходимо взять в массовом отношении 4:1.

Ответ: чтобы оба вещества полностью вступили в реакцию, медь и серу нужно взять в массовом отношении $m(Cu) : m(S) = 4 : 1$.

3. Какое практическое значение имеет закон постоянства состава веществ?

Закон постоянства состава веществ, сформулированный Жозефом Луи Прустом, гласит, что любое определённое химически чистое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же химических элементов, причём соотношение их масс постоянно. Практическое значение этого закона огромно и лежит в основе современной химии.

Основа для химических формул и уравнений. Закон постоянства состава позволяет описывать вещества с помощью химических формул (например, $H_2O$ для воды, $C_2H_5OH$ для этанола). Каждая формула однозначно определяет качественный (какие элементы входят в состав) и количественный (в каком соотношении находятся атомы и, следовательно, массы элементов) состав вещества. Без этого закона химические формулы и уравнения реакций потеряли бы свой точный смысл, превратившись в простое качественное описание.

Проведение химических расчетов (стехиометрия). Это одно из самых важных практических применений закона. Зная формулу вещества, можно рассчитать:
• Массовые доли элементов в соединении. Например, зная, что формула воды $H_2O$, мы можем точно рассчитать, что в ней содержится примерно 11,1% водорода и 88,9% кислорода по массе.
• Количество реагентов, необходимых для получения нужного количества продукта, и наоборот, рассчитать массу продукта, который получится из известной массы реагентов. Это основа всех расчетов в химической промышленности, например, при производстве аммиака ($NH_3$), серной кислоты ($H_2SO_4$), пластмасс, лекарств и т.д. Инженеры-химики могут точно рассчитать, сколько сырья нужно для производства запланированного количества продукции.

Контроль качества и идентификация веществ. Закон используется для определения чистоты веществ и их идентификации. Если анализ образца показывает, что соотношение масс элементов в нем отличается от теоретически рассчитанного для данного соединения, это означает, что образец либо содержит примеси, либо является другим веществом. Этот принцип широко применяется в фармацевтике для контроля чистоты лекарственных препаратов, в пищевой промышленности, металлургии и в материаловедении.

Минералогия и геология. Закон помогает в идентификации минералов. Каждый минерал имеет определенный химический состав (например, кварц — это диоксид кремния, $SiO_2$, а пирит — $FeS_2$). Анализируя элементный состав горных пород, геологи определяют, какие минералы в них содержатся и в каком количестве.

Ответ: Практическое значение закона постоянства состава заключается в том, что он является теоретической основой для: 1) использования химических формул для однозначного описания состава веществ; 2) проведения стехиометрических расчетов, которые необходимы для планирования и осуществления химических синтезов в лаборатории и промышленности; 3) контроля чистоты и идентификации химических соединений и материалов, что критически важно для фармацевтики, пищевой промышленности и других высокотехнологичных отраслей.