מהם חוקי המשקל של הכימיה? (דוגמאות) - כִּימִיָה - 2025

חוקי ponderal של כימיה הם אלה הראו כי ההמונים של חומרים המגיבים לא לעשות זאת באופן שרירותי או בדרך אקראית; אלא על ידי שמירה על פרופורציה מתמטית קבועה של מספרים שלמים או תת תרבויות שלהם, בהם האטומים של היסודות אינם נוצרים ולא נהרסים.

בתקופות שקבעו חוקים אלה דרשו מאמצי נימוק יוצאי דופן; מכיוון שלמרות שזה נראה ברור מדי עכשיו, לפני שהמאסות האטומיות והמולקולריות של היסודות או התרכובות, בהתאמה, אפילו לא היו ידועות.

מקור: ג'ף קייזר מאוסטין, טקסס, ארה"ב

מכיוון שלא היה ידוע בדיוק כמה שומה אחת של אטומים של כל יסוד שווה, כימאים במאות ה -18 וה -19 היו צריכים להסתמך על המוני המגיבים. אז יתרות אנליטיות גסות (תמונה עליונה) היו בני לוויה בלתי נפרדים במהלך מאות הניסויים הנדרשים לקביעת חוקי משקל.

מסיבה זו, כשאתה לומד את חוקי הכימיה האלה אתה נתקל במדידות המוניות בכל רגע. הודות לכך, חילוץ תוצאות הניסויים, התגלה שתרכובות כימיות טהורות נוצרות תמיד עם אותו אחוז המוני של היסודות המרכיבים שלהם.

חוק שימור המסה

החוק הזה אומר שבתגובה כימית, המסה הכוללת של המגיבים שווה לסה"כ המוצרים של המוצרים; כל עוד המערכת הנחשבת סגורה ואין חילופי מסה ואנרגיה עם סביבתה.

בתגובה כימית, חומרים אינם נעלמים, אלא הופכים לחומרים אחרים בעלי מסה שווה; מכאן הביטוי המפורסם: "שום דבר לא נוצר, שום דבר לא נהרס, הכל הופך".

באופן היסטורי, חוק שימור המסה בתגובה כימית הוצע לראשונה בשנת 1756 על ידי מיכאיל לומונסוב, שהראה את תוצאות הניסויים שלו ביומנו.

מאוחר יותר בשנת 1774 הציג אנטואן לבויסייה, כימאי צרפתי, את תוצאות הניסויים שלו שאיפשרו לבסס זאת; חלקם מכנים גם את חוק לבואה.

-ניסויים לבובייזרים

בתקופתו של לבואהייה (1743-1794) הייתה תיאוריית הפלוגיסטון, שלפיה גופים היו בעלי יכולת לעלות באש או לשרוף. הניסויים של לבואהייה אפשרו למחוק תיאוריה זו.

לבואזייה ביצע ניסויים רבים בעירה במתכות. הוא שקל בזהירות את החומרים לפני הבעירה ואחריה במיכל סגור, וגילה שיש עלייה לכאורה במשקל.

אולם לבויסר, על סמך ידיעותיו על תפקיד החמצן בעירה, הגיע למסקנה כי עליית המשקל בעירה נובעת משילוב חמצן בחומר הבוער. הרעיון של תחמוצות מתכתיות נולד.

לפיכך, סכום המוני המתכות שעברו בעירה והחמצן נותר ללא שינוי. מסקנה זו אפשרה את הקמת חוק שימור ההמונים.

- איזון המשוואות

חוק שימור ההמונים קבע את הצורך באיזון משוואות כימיות, והבטיח שמספר כל היסודות המעורבים בתגובה כימית, הן כריאקטנטים או כמוצרים, זהה לחלוטין.

זוהי דרישה חיונית לדיוק בחישובים הסטויו-מטריים שיש לבצע.

- חישובים

שומות מים

כמה שומות מים ניתן לייצר במהלך בעירה של 5 שומן מתאן בעודף חמצן? הראה גם כי חוק שימור החומר מחזיק.

CH ₄ + 2 O ₂ => CO ₂ + 2 H ₂ O

בהסתכלות על המשוואה המאוזנת של התגובה, ניתן להסיק כי 1 מול מתאן מייצר 2 מול מים.

ניתן לפתור את הבעיה ישירות בגישה פשוטה, מכיוון שאין לנו 1 שומה אלא 5 שומות של CH ₄ :

שומות מים = 5 שומן של CH ₄ (2 שומות H ₂ O / 1 שומה של CH ₄ )

= 10

זה יהיה שווה ערך ל 180 גרם של H ₂ O. כן 5 mol או 220 גרם של CO _{2 נוצר} , אשר שווה מסה כוללת של 400 גרם של מוצרים.

לפיכך, על מנת ששימור שימור החומר יתממש, 400 גרם של ריאגנטים חייבים להגיב; לא יותר ולא פחות. מבין 400 גרם אלה, 80 גרם תואמים 5 mol של CH ₄ (כפול המסה המולקולרית שלה של 16 גרם / מול), ו- 320 גרם עד 10 mol של O ₂ (באותו אופן על ידי המסה המולקולרית שלו של 32 גרם / מול) ).

בעירה של סרט מגנזיום

סרט מגנזיום בגודל 1.50 גרם נשרף במיכל סגור שהכיל 0.80 גרם חמצן. לאחר הבעירה נותרו במכולה 0.25 גרם חמצן. א) איזו מסת חמצן הגיבה? ב) כמה נוצר תחמוצת מגנזיום?

מסת החמצן שהגיבה מתקבלת בהפרש פשוט.

מסת חמצן שנצרכה = (מסה ראשונית - מסה שיורית) חמצן

= 0.80 גרם - 0.25 גרם

= 0.55 גרם O ₂ (א)

על פי חוק שימור ההמונים,

מסה של תחמוצת מגנזיום = מסת מגנזיום + מסת חמצן

= 1.50 גרם + 0.55 גרם

= 2.05 גרם MgO (b)

חוק בעל פרופורציות מוגדרות

ג'וזף לואי פרוסט (1754-1826), כימאי צרפתי, הבין שבתגובה כימית היסודות הכימיים מגיבים תמיד בפרופורציות קבועות של המונים ליצירת תרכובת טהורה ספציפית; לפיכך, הרכבו קבוע, ללא קשר למקור או למקור, או לאופן בו הוא מסונתז.

פרוסט בשנת 1799 ביטא את חוק הפרופורציות המובהקות, הקובע כי: "כששני אלמנטים או יותר מתחברים ליצירת מתחם, הם עושים זאת ביחס מסה קבוע." אז קשר זה קבוע ואינו תלוי באסטרטגיה שננקטה להכנת המתחם.

חוק זה ידוע גם כחוק ההרכב הקבוע, הקובע כי: "כל תרכובת כימית במצב של טוהר מכילה תמיד את אותם יסודות, ביחס קבוע של המסה."

-חוק החוק

ברזל (Fe) מגיב עם גופרית (S) ליצירת גופרית ברזל (FeS), ניתן לציין שלושה מצבים (1, 2 ו- 3):

כדי למצוא את הפרופורציה שבה האלמנטים משתלבים, חלקו את המסה הגדולה יותר (Fe) במסה הפחותה (S). החישוב נותן יחס של 1.75: 1. ערך זה חוזר על עצמו בשלושת התנאים שניתנו (1, 2 ו- 3), כאשר מתקבלת אותה פרופורציה אם כי משתמשים בהמונים שונים.

כלומר, 1.75 גרם של Fe משולבים עם 1.0 גרם של S בכדי לתת 2.75 גרם של FeS.

יישומים

על ידי החלת חוק זה ניתן לדעת בדיוק את המוני היסודות שיש לשלב כדי להשיג מסה רצויה של תרכובת.

בדרך זו ניתן לקבל מידע על עודף המסה של חלק מהיסודות המעורבים בתגובה כימית, או האם יש תגובה מגבילה בתגובה.

בנוסף, הוא מיושם על מנת לדעת את ההרכב הצנטיסימלי של תרכובת, ועל סמך זה האחרון ניתן ליצור את הנוסחה של תרכובת.

הרכב Centesimal של תרכובת

פחמן דו חמצני (CO ₂ ) נוצר בתגובה הבאה:

C + O ₂ => CO ₂

12 גרם פחמן משלבים 32 גרם חמצן כדי לתת 44 גרם פחמן דו חמצני.

אז אחוז הפחמן שווה

אחוז פחמן = (12 גרם / 44 גרם) 100%

= 27.3%

אחוז החמצן = (32 גרם / 44 גרם) 100%

אחוז חמצן = 72.7%

בעזרת ההצהרה של חוק ההרכב הקבוע ניתן לציין כי פחמן דו חמצני מורכב תמיד מ 27.3% פחמן ו 72.7% חמצן.

- חישובים

דו תחמוצת הגופרית

על ידי התגובה בכלי שיט שונים קיבלו 4 גרם ו -6 גרם של גופרית (S) עם חמצן (O), 10 גרם ו -15 גרם של גופרית דו תחמוצת (SO ₃ ) , בהתאמה .

מדוע הושגו כמויות כאלו של טריפוקסיד גופרית ולא אחרות?

חישבו גם את כמות הגופרית הנדרשת לשילוב עם 36 גרם חמצן והמסה של גופרית דו-חמצנית המתקבלת.

חלק א)

במיכל הראשון 4 מעורבבים גופרית עם X גרם חמצן בכדי להשיג 10 גר 'של דו תחמוצת. אם יוחל חוק שימור המסה, נוכל לפתור עבור מסת החמצן המשולבת עם הגופרית.

מסת חמצן = 10 גר 'חמצן דו חמצני - 4 גר' גופרית.

= 6 גרם

בכלי 2 מערבבים 6 גרם גופרית עם X גרם חמצן בכדי להשיג 15 של תחמוצת הגופרית.

מסת חמצן = 15 גרם של גופרית דו תחמוצתית - 6 גרם גופרית

= 9 גרם

לאחר מכן אנו ממשיכים לחשב את יחסי ה- O / S עבור כל מיכל:

יחס O / S במצב 1 = 6 גרם O / 4 גרם S

= 1.5 / 1

יחס O / S במצב 2 = 9 גרם O / 6 גרם S

= 1.5 / 1

וזה בהתאם לאמור בחוק הפרופורציות המוגדרות, מה שמלמד שהיסודות תמיד משתלבים באותה פרופורציה ליצירת תרכובת מסוימת.

לפיכך, הערכים שהושגו נכונים ואלה התואמים להחלת החוק.

חלק ב)

בסעיף הקודם, ערך 1.5 / 1 חושב עבור יחס ה- O / S.

גרם גופרית = 36 חמצן (1 גרם גופרית / 1.5 גרם חמצן)

= 24 גרם

גרם של גופרית דו תחמוצתית = 36 גרם חמצן + 24 גרם גופרית

= 60 גרם

כלור ומגנזיום

כלור ומגנזיום משולבים ביחס של 2.95 גרם כלור לכל גרם מגנזיום. א) קבע את המוני הכלור והמגנזיום הדרושים בכדי להשיג 25 גרם מגנזיום כלוריד. ב) מהו אחוז ההרכב של מגנזיום כלוריד?

חלק א)

על סמך הערך 2.95 ליחס Cl: Mg, ניתן לבצע את הגישה הבאה:

2.95 גרם Cl + 1 גרם Mg => 3.95 גרם MgCl ₂

לאחר מכן:

גרם של Cl = 25 גרם של MgCl ₂ · (2.95 גרם Cl / 3.95 גרם MgCl ₂ )

= 18.67

גרם של Mg = 25 גרם של MgCl ₂ · (1 גרם Mg / 3.95 גרם MgCl ₂ )

= 6.33

ואז משולבים 18.67 גרם כלור עם 6.33 גרם מגנזיום כדי לייצר 25 גרם מגנזיום כלוריד.

חלק ב)

תחשבו תחילה את המסה המולקולרית של מגנזיום כלוריד, MgCl ₂ :

משקל מולקולרי MgCl ₂ = 24.3 גרם / מול + (2 35.5 גר '/ מול)

= 95.3 גרם / מול

אחוז מגנזיום = (24.3 גרם / 95.3 גרם) x 100%

= 25.5%

אחוז כלור = (71 גרם / 95.3 גרם) x 100%

= 74.5%

חוק בעל פרופורציות מרובות או החוק של דלתון

החוק הועלה בשנת 1803 על ידי הכימאי והמטאורולוג הצרפתי ג'ון דלטון, בהתבסס על תצפיותיו ביחס לתגובות הגזים האטמוספריים.

החוק נאמר באופן הבא: "כשמשלבים אלמנטים כדי לתת יותר מתרכובת אחת, מסה משתנה של אחד מהם מצטרפת למסה קבועה של השנייה ולראשונה יש יחס של מספרים קאנוניים ובלתי מובחנים".

כמו כן: "כאשר משולבים שני יסודות שמקורם בתרכובות שונות, בהינתן כמות קבועה של אחד מהם, הכמויות השונות של האלמנט האחר שמשתלבות בכמות קבועה זו לייצור התרכובות, הן ביחס למספרים שלמים פשוטים."

ג'ון דלטון עשה את התיאור המודרני הראשון של האטום כמרכיב של יסודות כימיים, כאשר ציין כי היסודות מורכבים מחלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה הנקראים אטומים.

בנוסף, הוא הניח כי תרכובות נוצרות כאשר אטומים של אלמנטים שונים משתלבים זה עם זה ביחס פשוט של מספרים שלמים.

דלטון השלים את עבודות החקירה של פרוסט. הוא ציין את קיומם של שתי תחמוצות פח, עם אחוזים של 88.1% ו 78.7% מפח עם אחוזי החמצן המקבילים, 11.9% ו -21.3%, בהתאמה.

- חישובים

מים וחמצן מי חמצן

הראה שהתרכובות מים, H ₂ O, ומי חמצן, H ₂ O ₂ , עומדים בחוק הפרופורציות המרובות.

משקולות אטומיות של היסודות: H = 1 גרם / מול וחמצן = 16 גר '/ מול.

משקולות מולקולריות של התרכובות: H ₂ O = 18 גרם / מול ו- H ₂ O ₂ = 34 גרם / מול.

מימן הוא היסוד עם כמות קבועה ב- H ₂ O ו- H ₂ O ₂ , כך שנקבעו הפרופורציות בין O ל- H בשני התרכובות.

יחס O / H ביחס H ₂ O = (16 גרם / מול) / (2 גרם / מול)

= 8/1

יחס O / H ביחס H ₂ O ₂ = (32 גרם / מול) / (2 גרם / מול)

= 16/1

קשר בין שני הפרופורציות = (16/1) / (8/1)

= 2

אז יחס O / H של מי חמצן למים הוא 2, מספר שלם פשוט. לפיכך, הוכח ציות לחוק הפרופורציות המרובות.

תחמוצות חנקן

איזו מסה של חמצן משתלבת עם 3.0 גרם חנקן א) תחמוצת החנקן, NO ו- b) חנקן דו חמצני, NO ₂ . הראה כי NO ו- NO ₂ עומדים בחוק הפרופורציות המרובות.

מסת חנקן = 3 גרם

משקולות אטומיות: חנקן, 14 גרם למול, וחמצן, 16 גרם / מול.

חישובים

ב- NO, אטום N אחד משתלב עם אטום O, כך שניתן לחשב את מסת החמצן המשלב עם 3 גרם חנקן לפי הגישה הבאה:

גרם O = g חנקן · (PA. O / PA. N)

= 3 גרם (16 גרם / מול / 14 גרם / מול)

= 3.43 גרם O

ב- NO ₂ אטום N אחד משלב עם 2 אטומי O, כך שמסת החמצן המשולבת היא:

גרם חמצן = 3 גרם (32 גרם / מול / 14 גרם / מול)

= 6.86 גרם O

יחס O / N ב- NO = 3.43 גרם O / 3 גרם N

= 1,143

יחס O / N ב- NO ₂ = 6.86 גרם O / 3 גרם N

= 2,282

ערך הקשר בין פרופורציות O / N = 2,282 / 1,143

= 2

אז הערך של יחס O / N הוא 2, מספר שלם פשוט. לכן מתקיים חוק הפרופורציות המרובות.

חוק פרופורציות הדדיות

חוק זה שנוסח על ידי ריכטר וקרל פ 'וונזל בנפרד, קובע כי הפרופורציות המוניות של שני תרכובות עם יסוד משותף, מאפשרות לקבוע את החלק של המתחם השלישי בין שאר היסודות אם הם מגיבים.

לדוגמה, אם יש לך את שני התרכובות AB ו- CB, אתה יכול לראות שהיסוד המשותף הוא B.

החוק של ריכטר-וונזל או פרופורציות הדדיות אומר כי בידיעה כמה A מגיבה עם B כדי לתת ל- AB, וכמה מ- C מגיב עם B כדי לתת CB, אנו יכולים לחשב את המסה של A הדרושה כדי להגיב עם A המסה של C ליצירת AC.

והתוצאה היא שהיחס A: C או A / C חייב להיות ריבוי או תת-מרובה של A / B או C / B. עם זאת, לא תמיד מתקיים חוק זה, במיוחד כאשר היסודות מציגים מצבי חמצון שונים.

מבין כל חוקי ההרהור זה אולי "המופשט" או המסובך ביותר. אבל אם תנתח אותו מנקודת מבט מתמטית, נראה שהוא מורכב רק מגורמי המרה וביטולים.

דוגמאות

מתאן

אם ידוע כי 12 גרם פחמן מגיבים עם 32 גרם חמצן ליצירת פחמן דו חמצני; ושמנגד, 2 גרם מימן מגיבים עם 16 גרם חמצן ליצירת מים, ואז ניתן להעריך את פרופורציות המסה C / O ו- H / O עבור CO ₂ ו- H ₂ O בהתאמה.

לחישוב C / O ו- H / O יש לנו:

C / O = 12 גרם C / 32 גרם O

= 3/8

H / O = 2g H / 16g O

= 1/8

חמצן הוא היסוד הנפוץ, ואתה רוצה לדעת כמה פחמן מגיב עם מימן לייצור מתאן; כלומר, אתה רוצה לחשב C / H (או H / C). אז, יש צורך לחלק את הפרופורציות הקודמות כדי להראות אם ההדדיות מתקיימת או לא:

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

שימו לב שבדרך זו מבטלים את O ונותרים C / H:

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

= 3

ו- 3 הוא מכפיל של 3/8 (3/8 x 8). המשמעות היא ש -3 גרם C מגיב עם 1 גרם H לתת מתאן. אבל, בכדי להיות מסוגלים להשוות את זה עם CO ₂ , הכפל את C / H ב -4, השווה ל 12; זה נותן 12 גרם C המגיב עם 4 גרם H ליצירת מתאן, וזה גם נכון.

מגנזיום סולפיד

אם ידוע כי 24 גרם מגנזיום מגיב עם 2 גרם מימן ליצירת מגנזיום הידריד; יתר על כן, 32 גר 'גופרית מגיבה עם 2 גרם מימן ליצירת מימן גופרתי, היסוד המשותף הוא מימן ואנחנו רוצים לחשב Mg / S מ- Mg / H ו- H / S.

ואז חישוב Mg / H ו- H / S בנפרד, יש לנו:

מג / H = 24 גרם מג / 2 גרם H

= 12

H / S = 2 גרם H / 32 גרם S

= 1/16

עם זאת, נוח להשתמש ב- S / H לביטול ה- H. לכן, S / H שווה ל 16. לאחר מכן, אנו ממשיכים בחישוב Mg / S:

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

= (12/16)

= 3/4

ו- 3/4 הוא תת-מרובה של 12 (3/4 x 16). יחס Mg / S מציין ש -3 גרם Mg מגיבים עם 4 גרם גופרית ליצירת מגנזיום סולפיד. עם זאת, עליכם להכפיל את Mg / S ב -8 כדי להיות מסוגלים להשוות את זה עם Mg / H. לפיכך, 24 גר 'מג' מגיב עם 32 גר 'גופרית כדי לתת גופרית מתכתית זו.

אלומיניום כלוריד

ידוע כי 35.5 גרם של Cl מגיב עם 1 גרם H ליצירת HCl. כמו כן, 27 גרם של Al מגיב עם 3 גרם של H ליצירת AlH ₃ . מצא את החלק של האלומיניום כלוריד וספר אם תרכובת זו מצייתת לחוק ריכטר-וונזל.

שוב, אנו ממשיכים לחשב Cl / H ו- Al / H בנפרד:

Cl / H = 35.5 גרם Cl / 1g H

= 35.5

Al / H = 27 גרם Al / 3g H

= 9

עכשיו, Al / Cl מחושב:

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

= 9 / 35.5

≈ 0.250 או 1/4 (למעשה 0.253)

כלומר, 0.250 גרם של Al מגיב עם 1 גרם של Cl ליצירת המלח המתאים. אבל, שוב, יש להכפיל את ה- Al / Cl במספר המאפשר להשוות אותו (מטעמי נוחות) עם Al / H.

אי דיוקים בחישוב

לאחר מכן מכפילים את ה- Al / Cl ב -108 (27 / 0.250), נותנים 27 גרם של Al המגיב עם 108 גרם של Cl. זה לא בדיוק המקרה. אם ניקח לדוגמא את הערך 0.253 פעמים Al / Cl ונכפיל אותו ב- 106.7 (27 / 0.253), יהיה לנו ש- 27 גרם של Al יגיב עם 106.7 גרם של Cl; שהוא קרוב יותר למציאות (AlCl ₃ , עם PA של 35.5 גר 'מולקולה עבור Cl).

כאן אנו רואים כיצד החוק של ריכטר יכול להתחיל לקשקש בגלל הדיוק והשימוש לרעה של עשרונים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. פלורס, ג'יי קווימיקה (2002). סנטילנה העריכה.
3. חואקין סן פרוטוס פרננדס. (sf). החוקים הנחשבים והנפחיים. התאושש מ: encina.pntic.mec.es
4. Toppr. (sf). חוקי שילוב כימי. התאושש מ: toppr.com
5. מַברִיק. (2019). חוקי שילוב כימי. התאושש מ: brilliant.org
6. כימיה LibreTexts. (2015, 15 ביולי). חוקים כימיים בסיסיים. התאושש מ: chem.libretexts.org
7. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (18 בינואר, 2019). חוק שימור המסה. התאושש מ-: hugsco.com