Legi fundamentale ale chimiei

Legi fundamentale ale chimiei

Legile care guverneaza procesele chimice pot fi impartite in:

legi ponderale - se refera la masele substantelor care participa la reactii chimice (legea conservarii masei, legea proportiilor definite sau constante, legea proportiilor multiple, legea proportiilor echivalente);

legi volumetrice - se refera la relatiile care se stabilesc intre volumele de gaze implicate in reactii chimice si diferite proprietati ale gazelor (legea Boyle-Mariotte, legea lui Charles, legea Gay-Lussac, legea lui Avogadro).

Legea conservarii masei

Legea generala a chimiei este legea conservarii masei, descoperita si formulata Lavoisier. Diferitele reactii studiate au condus la un enunt al legii care a capatat diferite formulari dintre care cea mai adecvata este: masa unui sistem chimic care evolueaza ramane constanta. Se poate spune prin urmare ca suma maselor reactantilor si produsilor dintr-o reactie chimica, intr-un sistem inchis, este constanta. Acest enunt al legii conservarii maselor este valabil pentru reactiile chimice obisnuite, in care variatia de masa are valori foarte mici. Exista reactii chimice (reactii nucleare) care se desfasoara cu micsorarea considerabila a masei reactantilor cand legea conservarii masei se poate enunta astfel: suma maselor reactantilor este egala cu suma maselor produsilor de reactie plus deficitul de masa dat de formula lui Einstein (dm = dE/c²).

Legea proportiilor definite

Dupa anul 1800, prin experimentele lor, chimistii au studiat reactiile chimice, in scopul de a determina compozitia diferitelor substante chimice. Proust a aratat ca un compus dat contine intotdeauna exact aceeasi proportie de elemente considerata in termeni de greutate. Principiul constantei compozitiei compusilor este cunoscut ca legea proportiilor definite sau constante.

Elementele si substantele chimice reactioneaza intre ele in raporturi de combinare bine definite, ceea ce inseamna ca, indiferent de calea pe care se obtine un compus, precum si de proportia reactantilor, compusul respectiv are intotdeauna aceeasi compozitie.

Legea proportiilor definite sau constante se aplica numai in cazul compusilor stoechiometrici (care au o compozitie constanta). Din aceasta lege deriva notiunea de echivalent chimic.

Echivalentul chimic reprezinta cantitatea dintr-un element sau dintr-o substanta compusa care se poate combina cu 1g de hidrogen sau cu 8g de oxigen sau care poate inlocui cantitatile mentionate din aceste elemente in oricare dintre compusii lor (Albu et al.).

Echivalentul gram sau valul reprezinta cantitatea dintr-un element chimic sau dintr-o substanta compusa, numeric egala cu echivalentul chimic respectiv, masurata in grame.

Pentru elemente, echivalentul chimic este raportul dintre masa atomica a elementului respectiv (A) si valenta sa (n):

pentru substante chimice echivalentul chimic se calculeaza in functie de natura substantei, pe de o parte, si de tipul reactiei la care participa aceasta, pe de alta parte.

In reactiile de neutralizare:

pentru acizi echivalentul chimic se calculeaza prin raportul dintre masa moleculara a acidului (M) si numarul de atomi de hidrogen ionizabili (protoni, H⁺):

pentru baze, echivalentul chimic se calculeaza prin raportul dintre masa moleculara a bazei (M) si numarul grupelor hidroxil ionizabile (OH^-):

In cazul sarurilor echivalentul chimic se calculeaza de la caz la caz, in functie de starea de oxidare:

cand substanta nu participa la reactii de oxido-reducere, caz in care nu se modifica starea de oxidare, echivalentul chimic se calculeaza prin raportul dintre masa moleculara a sarii (M) si numarul de echivalenti de metal din sare (care este egal cu produsul dintre numarul atomilor de metal si valenta metalului)

cand substanta participa la reactii de oxido-reducere echivalentul chimic se calculeaza prin raportul dintre masa moleculara a substantei (M) si diferenta dintre starile de oxidare ale elementului implicat, adica numarul de electroni cedati sau acceptati in reactiile de oxido-reducere considerate.

Echivalentii chimici sunt folositi in calculele stoechiometrice din analiza cantitativa.

Legea proportiilor multiple

Prin combinarea a doua elemente se pot obtine una sau mai multe substante compuse. Dalton a formulat legea proportiilor multiple aratand ca atunci cand, prin combinarea a doua elemente, rezulta o serie de compusi, raporturile de masa diferite corespund intotdeauna unor numere intregi si mici. Altfel spus, cand o cantitate constanta dintr-un element I se combina cu diferite cantitati notate x₁, x₂, x₃,....,x_n dintr-un alt element II, cantitatile x₂, x₃,....,x_n sunt multipli intregi ai cantitatii x₁.

Legea proportiilor echivalente

IRichter a formulat legea proportiilor echivalente sau reciproce care statuteaza ca proportiile in care masele a doua sau mai multe elemente diferite, care se combina fiecare in parte cu o greutate definita a unui alt element, vor trebui sa fie aceleasi sau multipli intregi ai proportiilor greutatilor elementelor diferite cand acestea se combina intre ele.

S-au efectuat comparatii ponderale intre substante simple care se combina intre ele, pe de o parte, si cu o aceeasi cantitate din alta substanta simpla, pe de alta parte. Daca se considera doua substante simple, ale caror mase se noteaza cu a si b, raportul lor de combinare este a:b. Daca aceleasi doua substante simple se combina in cantitati notate cu a' si b' cu o cantitate definita dintr-o a treia substanta simpla, rezulta ca raportul a:b/a':b' este un raport de numere intregi si mici.

Din consideratiile de mai sus se deduce legea echivalentilor, conform careia reactiile chimice au loc de la echivalent la echivalent. Substantele simple sau compuse reactioneaza intre ele in cantitati proportionale cu echivalentii lor chimici. Daca se considera 2 substante ai caror echivalenti sunt E₁ si E₂ si ale caror mase sunt m₁ si m₂, se poate scrie relatia care defineste legea echivalentilor:

E₁/E₂ = m₁/m₂

Legea lui Avogadro

Avogadro a emis o ipoteza in conformitate cu care volume egale de gaze ideale sau perfecte diferite, in aceleasi conditii de temperatura si presiune, contin acelasi numar de molecule. Prin urmare numarul de molecule dintr-un volum specific de gaz este independent de marimea sau masa moleculelor de gaz.

Cu ajutorul legii lui Avogadro s-a putut calcula volumul unui mol (molecula gram) de gaz. Volumul ocupat de un mol de gaz in conditii normale (0^oC si 1 atm=760 mm col. Hg) este de 22,41 l sau 22,41 dm³ (volum molar).

Numarul lui Avogadro este o constanta universala de cea mai mare insemnatate si reprezinta numarul de molecule continute in 22,41 l din orice gaz, in conditii normale de temperatura si presiune. Prin generalizare, numarul lui Avogadro reprezinta numarul de particule (atomi, ioni, molecule etc.) care se gasesc intr-o cantitate echivalenta (atom-gram, ion-gram, molecula-gram) de substanta, indiferent de starea de agregare si are valoarea aproximativa 6,023 x 10²³ particule/mol.