Хімія належить до розряду точних наук, і поряд з математикою і фізикою, встановлює закономірності існування і розвитку матерії, що складається з атомів і молекул. Всі процеси, що протікають в живих організмах, так і серед об'єктів неживої природи, що мають у своїй основі явища перетворення маси і енергії. Закон сталості складу речовини, вивчення якого буде присвячена ця стаття, і лежить в основі протікання процесів у неорганічному і органічному світі.

Атомно-молекулярне вчення

Щоб зрозуміти суть законів, керуючих матеріальною дійсністю, потрібно мати уявлення про те, з чого вона складається. За словами великого російського вченого М. в. Ломоносова «У темряві повинні перебувати фізики і, особливо, хіміки, не знаючи внутрішнього частинок будови». Саме він у 1741 році, спочатку теоретично, а потім і підтвердивши дослідами, відкрив закони хімії, службовці основою для вивчення живої та неживої матерії, а саме: всі речовини складаються з атомів, здатних утворювати молекули. Ці частинки знаходяться в безперервному русі.

Відкриття і помилки Дж. Дальтона

Через 50 років ідеї Ломоносова почав розвивати англійський вчений Дж. Дальтон. Вчений виконав найважливіші розрахунки щодо визначення атомних мас хімічних елементів. Це послужило головним доказом таких припущень: масу молекули речовини можна обчислити, знаючи атомний вага часток, що входять до її складу. Як Ломоносов, так і Дальтон вважали, що, незалежно від способу отримання, молекула з'єднання завжди буде мати незмінний кількісний і якісний склад. Спочатку саме в такому вигляді був сформульований закон сталості складу речовини. Визнаючи великий внесок Дальтона у розвиток науки, не можна промовчати про прикрі помилки: запереченні молекулярної будови простих речовин, таких як кисень, азот, водень. Вчений вважав, що молекули є тільки у складних хімічних речовин. Враховуючи величезний авторитет в Дальтона наукових колах, його омани негативно вплинули на розвиток хімії.

Як зважують атоми і молекули

Відкриття такого хімічного постулату, як закон сталості складу речовини, стало можливим завдяки уявленню про збереження маси речовин, що вступили в реакцію і утворилися після неї. Крім Дальтона, вимірювання атомних мас проводив В. Берцеліус, склав таблицю атомних ваг хімічних елементів і запропонував сучасне їх позначення у вигляді латинських літер. В даний час масу атомів і молекул визначають з допомогою вуглецевої нанотрубки. Результати, отримані в цих дослідженнях, підтверджують існуючі закони хімії. Раніше вчені використовували такий прилад, як мас-спектрометр, але ускладнена методика зважування стала серйозним недоліком у спектрометрії.

Чому так важливий закон збереження маси речовин

Сформульований М. В. Ломоносовим вище названий хімічний постулат доводить той факт, що під час реакції атоми, що входять до складу реагентів і продуктів, нікуди не зникають і не з'являються з нічого. Їх кількість зберігається без зміни до і після хімічного процесу. Так як маса атомів константна, даний факт логічно призводить до закону збереження маси і енергії. Більш того, вчений декларував цю закономірність, як загальний принцип природи, що підтверджує взаимопревращение енергії і сталість складу речовини.

Ідеї Ж. Пруста як підтвердження атомно-молекулярної теорії

Звернемося до відкриття такого постулату, як закон сталості складу. Хімія кінця 18 – початку 19 століття - наука, в рамках якої велися наукові суперечки між двома французькими вченими Ж. Прустом і К. Бертолле. Перший стверджував, що склад речовин, що утворилися в результаті хімічної реакції, залежить головним чином від природи реагентів. Бертолле був упевнений, що на склад сполук – продуктів реакції впливає ще й відносна кількість взаємодіючих між собою речовин. Більшість хіміків початок досліджень підтримали ідеї Пруста, який сформулював їх наступним чином: склад складного з'єднання завжди постійний і не залежить від того, яким способом воно було отримано. Однак подальше дослідження рідких і твердих розчинів (сплавів) підтвердило думки К. Бертолле. До цих речовин закон сталості складу був непридатний. Більш того, він не діє для з'єднань з іонними кристалічними ґратами. Склад цих речовин залежить від методів, якими їх видобувають. Кожна хімічна речовина, незалежно від способу його отримання, має сталий якісний і кількісний склад. Ця формулювання характеризує закон сталості складу речовини, запропонований Ж. Прустом у 1808 році. В якості доказів він наводить такі образні приклади: малахіт Сибіру має такий же склад, як і мінерал, видобутий в Іспанії; у світі є тільки одна речовина кіновар, і не має значення, з якого родовища вона отримана. Таким чином Пруст підкреслював сталість складу речовини, незалежно від місця і способу його видобутку.

Не буває правил без винятків

Із закону сталості складу випливає, що при утворенні складного з'єднання хімічні елементи з'єднуються один з одним у певних вагових співвідношеннях. Незабаром в хімічній науці з'явилися відомості про існування речовин, що мають перемінний склад, який залежав від способу отримання. Російський вчений М. Курнаков запропонував назвати ці сполуки бертоллидами, наприклад оксид титану, важка вода, нітрид цирконію.
У цих речовин на 1 вагову частину одного елемента припадає різна кількість іншого елемента. Так, в бінарному з'єднанні вісмуту з галієм на одну вагову частину галію припадає від 124 до 182 частини вісмуту. Пізніше хіміки встановили, що, крім з'єднання металів один з одним, речовини, що не підкоряються закону сталості складу, є в такому клас неорганічних сполук, як оксиди. Бертоллиди характерні також для сульфідів, карбідів, нітридів і гідридів.

Роль ізотопів

Отримавши в своє розпорядження закон сталості речовини, хімія як точна наука змогла пов'язати вагову характеристику з'єднання з ізотопним вмістом елементів, що утворюють його. Згадаймо, що ізотопами вважають атоми одного хімічного елемента з однаковими протонними, але різними нуклонними числами. Враховуючи наявність ізотопів, зрозуміло, що ваговий склад з'єднання може бути змінним за умови сталості елементів, що входять в цю речовину. Якщо елемент збільшує вміст якого-небудь ізотопу, то і ваговий склад речовини теж змінюється. Наприклад, звичайна вода містить 11 % водню, а важка, утворена його ізотопом (дейтерієм), – 20 %.

Характеристика бертоллидов

Як ми вже з'ясували раніше, закони збереження в хімії підтверджують основні положення атомно-молекулярної теорії і є абсолютно вірними для речовин постійного складу – дальтонидов. А бертоллиди мають межі, в яких можлива зміна вагових частин елементів. Наприклад, в оксиді четирехвалентного титану на одну вагову частину металу припадає від 065 до 067 частини кисню. Речовини непостійного складу не мають молекулярної будови, їхні кристалічні решітки складаються з атомів. Тому хімічні формули сполук лише відображають межі їх складу. У різних речовин вони різні. Температура також може впливати на інтервали зміни вагового складу елементів. Якщо два хімічні елементи утворюють між собою кілька речовин – бертоллидов, то для них також застосовний і закон кратних відносин. З усіх вищенаведених прикладів зробимо висновок: теоретично в хімії присутні дві групи речовин: з постійним та змінним складом. Наявність у природі цих сполук служить прекрасним підтвердженням атомно-молекулярного вчення. А ось сам закон сталості складу вже не є домінуючим в хімічній науці. Зате він наочно ілюструє історію її розвитку.