化学の重み則は何ですか？（例） - 化学 - 2024

化学のポンデラル法律が反応する物質の質量は、任意またはランダムな方法でそうしていないことを示したものです。しかし、整数またはその約数の一定の数学的比率を維持することにより、元素の原子は作成も破壊もされません。

過去にこれらの法律を制定するには、推論の並外れた努力が必要でした。なぜなら、今ではあまりに明白に思えるが、元素または化合物のそれぞれの原子および分子の質量は、以前は知られていなかったからである。

出典：米国テキサス州オースティンのJeff Keyzer

各元素の1モルの原子がどれだけ等しいかは正確にはわかっていなかったので、18世紀と19世紀の化学者は反応物質の質量に頼らざるを得ませんでした。したがって、基本的な分析天びん（上の画像）は、重量法則を確立するために必要な数百回の実験の間、切り離せない仲間でした。

このため、これらの化学の法則を研究するとき、あらゆる瞬間に質量測定に出くわします。このおかげで、実験結果を外挿すると、純粋な化合物が常に同じ構成要素の質量比率で形成されることが発見されました。

質量保存の法則

この法則によれば、化学反応では、反応物の総質量は生成物の総質量と同じです。考慮されているシステムが閉じていて、周囲との質量とエネルギーの交換がない限り。

化学反応では、物質は消えませんが、同じ質量の他の物質に変換されます。したがって、有名なフレーズは、「何も作成されず、何も破壊されず、すべてが変換されます」です。

歴史的に、化学反応における質量保存の法則は1756年にミハイルロモンソフによって最初に提案され、ミハイルロモンソフは彼の実験の結果をジャーナルに示しました。

1774年の後半、フランスの化学者アントワーヌレボワジエは、これを確立することを可能にした彼の実験の結果を発表しました。一部はラヴォワジエの法則とも呼ばれています。

-ラヴォイジエ実験

ラヴォイジエの時代（1743-1794）には、フロギストン理論があり、どの機関が火をつかんだり燃やしたりできるかによるとされていました。ラヴォイジエの実験により、この理論を破棄することが可能になりました。

Lavoisierは多数の金属燃焼実験を行いました。彼は密閉容器内での燃焼前後に材料を注意深く計量し、明らかに重量が増加したことを発見しました。

しかし、燃焼における酸素の役割についての彼の知識に基づいて、ラヴォイザーは、燃焼における重量増加は燃焼材料への酸素の取り込みに起因すると結論しました。金属酸化物の概念が生まれました。

したがって、燃焼にさらされた金属の質量と酸素の質量の合計は変化しませんでした。この結論により、ミサの保存法が確立されました。

-方程式のバランス

質量保存の法則により、化学方程式のバランスをとる必要性が確立され、化学反応に関与するすべての要素の数が、反応物としても生成物としても、まったく同じになることが保証されました。

これは、実行される化学量論的計算の正確さのために不可欠な要件です。

-計算

ほくろ

過剰酸素中で5モルのメタンを燃焼すると、何モルの水が生成されますか？また、物質保存の法則が適用されることを示します。

CH ₄ + 2 O ₂ => CO ₂ + 2 H ₂ O

反応の平衡方程式を観察すると、1モルのメタンは2モルの水を生成すると結論付けられます。

この問題は、1モルではなく5モルのCH _4を持っているため、簡単なアプローチで直接解決できます。

水のモル= 5モルのCH ₄（2モルのH ₂ O / 1モルのCH ₄）

= 10

これは、180 gのH ₂ Oに相当します。また、5 molまたは220 gのCO _{2が生成されました}。これは、400 gの製品の総質量に相当します。

したがって、物質保存の法則が満たされるためには、400 gの試薬が反応する必要があります。これ以上ないです。これらの400 gのうち、80 gは5モルのCH ₄（分子量16 g / molを掛けたもの）に対応し、320 gは10モルのO ₂（同じように分子量32 g / molを掛けたもの）に対応します。）。

マグネシウムリボンの燃焼

1.50 gのマグネシウムリボンを、0.80 gの酸素を含む密閉容器内で燃焼させました。燃焼後、0.25 gの酸素が容器内に残った。a）反応した酸素の質量は？b）酸化マグネシウムはどのくらい形成されましたか？

反応した酸素の質量は、単純な差によって得られます。

消費された酸素の質量=（初期質量-残存質量）酸素

= 0.80 g-0.25 g

= 0.55 g O ₂（a）

質量保存の法則によると、

酸化マグネシウムの質量=マグネシウムの質量+酸素の質量

= 1.50 g + 0.55 g

= 2.05 g MgO（b）

明確な比率の法則

フランスの化学者であるジョセフルイスプルースト（1754-1826）は、化学反応では化学元素が常に一定の比率で反応して特定の純粋な化合物を形成することを認識しました。したがって、その組成は、ソースや起源、または合成方法に関係なく一定です。

1799年のプルーストは、一定の比率の法則を発表しました。したがって、この関係は固定されており、化合物の調製に使用される戦略に依存しません。

この法則は、一定の組成の法則としても知られています。「純度の状態にあるすべての化合物は、常に同じ元素を一定の質量比率で含んでいます。」

-法律の説明

鉄（Fe）は硫黄（S）と反応して硫化鉄（FeS）を形成します。3つの状況（1、2、3）に注意できます。

要素が結合する割合を見つけるには、大きい方の質量（Fe）を小さい方の質量（S）で割ります。計算により1.75の比率が得られます：1。この値は、指定された3つの条件（1、2、3）で繰り返されます。異なる質量が使用されても、同じ比率が得られます。

つまり、1.75 gのFeと1.0 gのSを組み合わせて2.75 gのFeSを生成します。

-アプリケーション

この法則を適用することにより、化合物の目的の質量を得るために組み合わせる必要がある元素の質量を正確に知ることができます。

このようにして、化学反応に関与する一部の元素の過剰質量に関する情報、または反応に制限試薬があるかどうかに関する情報を取得できます。

また、化合物の百分位組成を知るために適用され、後者に基づいて、化合物の式を確立することができます。

化合物の百分位組成

二酸化炭素（CO ₂）は次の反応で形成されます：

C + O ₂ => CO ₂

12 gの炭素は32 gの酸素と結合して44 gの二酸化炭素を生成します。

つまり、炭素の割合は

カーボンパーセンテージ=（12 g / 44 g）100％

= 27.3％

酸素の割合=（32 g / 44 g）100％

酸素の割合= 72.7％

一定組成の法則のステートメントを使用すると、二酸化炭素は常に27.3％の炭素と72.7％の酸素で構成されていることがわかります。

-計算

三酸化硫黄

異なる容器で4 gと6 gの硫黄（S）を酸素（O）と反応させると、それぞれ10 gと15 gの三酸化硫黄（SO ₃）が得られました。

なぜそのような量の三酸化硫黄が得られ、他の量は得られなかったのですか？

また、36 gの酸素と結合するのに必要な硫黄の量と、得られた三酸化硫黄の質量を計算します。

パートA）

第１の容器内で、硫黄の４をＸ ｇの酸素と混合して、１０ｇの三酸化物を得る。質量保存の法則を適用すると、硫黄と結合した酸素の質量を解くことができます。

酸素の質量= 10 gの三酸化酸素-4 gの硫黄。

= 6 g

容器２において、硫黄６ｇを酸素Ｘｇと混合して、三酸化硫黄１５を得る。

酸素の質量= 15 gの三酸化硫黄-6 gの硫黄

= 9 g

次に、各コンテナーのO / S比の計算に進みます。

シチュエーション1のO / S比= 6 g O / 4 g S

= 1.5 / 1

状況2のO / S比= 9 g O / 6 g S

= 1.5 / 1

これは、定義された比率の法則で述べられていることと一致しています。これは、要素が常に同じ比率で結合して特定の化合物を形成することを示しています。

したがって、取得された値は正確であり、法の適用に対応するものです。

パートb）

前のセクションでは、O / S比に対して1.5 / 1の値が計算されました。

硫黄1 g =酸素36 g（硫黄1 g /酸素1.5 g）

= 24 g

三酸化硫黄1 g =酸素36 g +硫黄24 g

= 60 g

塩素とマグネシウム

塩素とマグネシウムは、マグネシウム1 gあたり2.95 gの塩素の割合で混合されます。a）25 gの塩化マグネシウムを得るのに必要な塩素とマグネシウムの質量を決定します。b）塩化マグネシウムのパーセンテージはどのくらいですか？

パートA）

Cl：Mg比の値2.95に基づいて、次のアプローチを行うことができます。

2.95 gのCl + 1 gのMg => 3.95 gのMgCl ₂

次に：

Clのg = 25 gのMgCl ₂・（2.95 g Cl / 3.95 g MgCl ₂）

= 18.67

Mgのg = 25 gのMgCl ₂・（1 g Mg / 3.95 g MgCl ₂）

= 6.33

次に、18.67 gの塩素を6.33 gのマグネシウムと組み合わせて、25 gの塩化マグネシウムを生成します。

パートb）

まず、塩化マグネシウム、MgCl ₂の分子量を計算します。

分子量MgCl ₂ = 24.3 g / mol +（2 35.5 g / mol）

= 95.3 g / mol

マグネシウムの割合=（24.3 g / 95.3 g）x 100％

= 25.5％

塩素の割合=（71 g / 95.3 g）x 100％

= 74.5％

複数の比率の法則またはダルトンの法則

法律は、大気ガスの反応に関する彼の観察に基づいて、1803年にフランスの化学者で気象学者のジョンダルトンによって発表されました。

法則は次のように述べられています。「要素を組み合わせて複数の化合物を生成する場合、一方の可変質量が他方の固定質量に結合し、最初の要素は正準数と不明確な数の関係として存在します」。

また、「2つの要素を組み合わせて異なる化合物を生成する場合、そのうちの1つの固定量が与えられると、一定量と結合して化合物を生成する他の要素の異なる量は、単純な整数に関連します。」

ジョンダルトンは、元素が原子と呼ばれる分割できない粒子で構成されていることを指摘したとき、原子を化学元素の成分として最初に現代的に説明しました。

さらに、異なる元素の原子が単純な整数比で互いに結合すると化合物が形成されると仮定しました。

ダルトンはプルーストの調査作業を完了しました。彼は2つの酸化スズの存在を示し、スズの割合は88.1％と78.7％で、対応する酸素の割合はそれぞれ11.9％と21.3％でした。

-計算

水と過酸化水素

化合物水、H ₂ O、および過酸化水素、H ₂ O ₂が複数の比率の法則を満たすことを示します。

元素の原子量：H = 1 g / molおよび酸素= 16 g / mol。

化合物の分子量：H ₂ O = 18 g / molおよびH ₂ O ₂ = 34 g / mol。

水素はH ₂ OとH ₂ O ₂に一定量の元素であるため、両方の化合物のOとHの比率が確立されます。

H ₂ OのO / H比=（16 g / mol）/（2 g / mol）

= 8/1

H ₂ O _2の O / H比=（32 g / mol）/（2 g / mol）

= 16/1

両方の比率の関係=（16/1）/（8/1）

= 2

したがって、過酸化水素と水のO / H比は2で、単純な整数です。したがって、複数比率の法の遵守が示されます。

窒素酸化物

どの程度の酸素が、a）一酸化窒素、NOおよびb）二酸化窒素、NO ₂中の3.0 gの窒素と結合するか。NOおよびNO ₂が複数比率の法則に準拠していることを示します。

窒素の質量= 3 g

原子量：窒素、14 g / mol、および酸素、16 g / mol。

計算

NOでは、1つのN原子が1つのO原子と結合するため、3 gの窒素と結合する酸素の質量は、次のアプローチを使用して計算できます。

Oのg = g窒素・（PA。O / PA。N）

= 3 g（16 g / mol / 14 g / mol）

= 3.43 g O

NO ₂では、1つのN原子が2つのO原子と結合するため、結合される酸素の質量は次のようになります。

酸素のg = 3 g（32 g / mol / 14 g / mol）

= 6.86 g O

NOでのO / N比= 3.43 g O / 3 g N

= 1,143

NO _2の O / N比= 6.86 g O / 3 g N

= 2,282

O / N比率間の関係の値= 2,282 / 1,143

= 2

したがって、O / N比の値は2で、単純な整数です。したがって、複数比率の法則が満たされます。

相互比例の法則

リヒターとカールF.ウェンツェルが別々に制定したこの法則は、元素が共通する2つの化合物の質量比率により、他の元素が反応する場合、それらの間の3番目の化合物の比率を決定できることを確立します。

たとえば、2つの化合物ABとCBがある場合、共通の要素はBであることがわかります。

リヒターヴェンツェルの法則または逆比例では、AのどれだけがBと反応してABを与え、CのどれだけがBと反応してCBを与えるかを知っていれば、Aと反応するために必要なAの質量を計算できます。 ACを形成するCの質量。

その結果、比率A：CまたはA / Cは、A / BまたはC / Bの倍数または約数でなければなりません。ただし、特に元素がさまざまな酸化状態を示す場合は、この法則が常に満たされるとは限りません。

すべての連邦法の中で、これはおそらく最も「抽象的な」または複雑なものです。ただし、数学的な観点から分析すると、変換係数とキャンセルのみで構成されていることがわかります。

-例

メタン

12 gの炭素が32 gの酸素と反応して二酸化炭素を形成することが知られている場合、一方、2 gの水素は16 gの酸素と反応して水を形成し、CO ₂とH ₂ O の質量比率C / OとH / Oをそれぞれ見積もることができます。

私たちが持っているC / OとH / Oを計算します：

C / O = 12g C / 32g O

= 3/8

H / O = 2g H / 16g O

= 1/8

酸素は一般的な元素であり、炭素が水素と反応してメタンを生成する量を知りたいと考えています。つまり、C / H（またはH / C）を計算します。次に、以前の比率を除算して、相互関係が満たされているかどうかを示す必要があります。

C / H =（C / O）/（H / O）

この方法でOがキャンセルされ、C / Hが残ることに注意してください。

C / H =（3/8）/（1/8）

= 3

3は3/8の倍数（3/8 x 8）です。これは、3 gのCが1 gのHと反応してメタンを生成することを意味します。しかし、それをCO ₂と比較できるようにするには、C / Hに4を掛けます。これは12に相当します。これにより、12 gのCが得られ、4 gのHと反応してメタンが形成されます。これも当てはまります。

硫化マグネシウム

24 gのマグネシウムが2 gの水素と反応して水素化マグネシウムを形成することが知られている場合、さらに、32 gの硫黄が2 gの水素と反応して硫化水素を形成します。共通の元素は水素であり、Mg / HとH / SからMg / Sを計算します。

次に、Mg / HおよびH / Sを個別に計算します。

Mg / H = 24g Mg / 2g H

= 12

H / S = 2g H / 32g S

= 1/16

ただし、S / Hを使用してHをキャンセルすると便利です。したがって、S / Hは16になります。これが完了すると、Mg / Sの計算に進みます。

Mg / S =（Mg / H）/（S / H）

=（12/16）

= 3/4

また、3/4は12の約数です（3/4 x 16）。Mg / S比は、3 gのMgが4 gの硫黄と反応して硫化マグネシウムを形成することを示しています。ただし、Mg / Hと比較するには、Mg / Sを8倍する必要があります。従って、２４ｇのＭｇは３２ｇの硫黄と反応してこの金属硫化物を与える。

塩化アルミニウム

３５．５ｇのＣｌが１ｇのＨと反応してＨＣｌを形成することが知られている。また、27 gのAlは3 gのHと反応してAlH ₃を形成します。塩化アルミニウムの比率を調べ、その化合物がリヒターウェンツェルの法則に従っているかどうかを確認します。

ここでも、Cl / HとAl / Hを別々に計算します。

Cl / H = 35.5g Cl / 1g H

= 35.5

Al / H = 27g Al / 3g H

= 9

ここで、Al / Clが計算されます。

Al / Cl =（Al / H）/（Cl / H）

= 9 / 35.5

≈0.250または1/4（実際には0.253）

すなわち、０．２５０ｇのＡｌは１ｇのＣｌと反応して対応する塩を形成する。ただし、繰り返しになりますが、Al / Clには、（便宜上）Al / Hと比較できる数を掛ける必要があります。

計算の不正確さ

次にAl / Clに108を掛けると（27 / 0.250）、27 gのAlが得られ、108 gのClと反応します。これは厳密には当てはまりません。たとえば、Al / Clの0.253倍の値をとり、それに106.7（27 / 0.253）を掛けると、27 gのAlが106.7 gのClと反応することになります。これは現実に近いものです（AlCl ₃、ClのPAは35.5 g / mol）。

ここで、リヒターの法則が精度と小数の誤用をいかに妨げ始めるかがわかります。

参考文献

1. ウィッテン、デイビス、ペック、スタンリー。（2008）。化学。（第8版）。CENGAGEラーニング。
2. フローレス、J。キミカ（2002）。社説サンティジャーナ。
3. ホアキンサンフルトスフェルナンデス。（sf）。ポンド法と体積法。回復：encina.pntic.mec.es
4. Toppr。（sf）。化学結合の法則。回収元​​：toppr.com
5. 鮮やかさ。（2019）。化学結合の法則。回収元​​：brilliant.org
6. 化学LibreTexts。（2015年7月15日）。基本的な化学法。回収元​​：chem.libretexts.org
7. ヘルメンスティン、アンマリー、Ph.D。（2019年1月18日）。質量保存の法則。以下から回復：thoughtco.com