Законы химических превращений и сохранения материи

Введение

Химические законы — это законы природы, применимые к химии. Наиболее фундаментальной концепцией в химии является закон сохранения массы, который утверждает, что в ходе обычной химической реакции не происходит обнаруживаемых изменений в количестве вещества. Современная физика показывает, что на самом деле сохраняется энергия, и что энергия и масса взаимосвязаны; эта концепция приобретает важное значение в ядерной химии. Сохранение энергии приводит к важным понятиям равновесия, термодинамики и кинетики. Законы стехиометрии, то есть массовые соотношения, в которых химические элементы участвуют в химических реакциях, конкретизируют закон сохранения массы. Закон определённого состава, сформулированный Жозефом Прустом, гласит, что чистые химические вещества состоят из элементов в определённом соотношении. Закон множественных пропорций, установленный Дальтоном, утверждает, что эти вещества будут присутствовать в пропорциях, выраженных небольшими целыми числами (например, 1:2 O:H в воде); хотя во многих системах (в частности, в биомакромолекулах и минералах) соотношения, как правило, требуют больших чисел и часто представляются в виде дроби. Такие соединения известны как нестехиометрические соединения. Третий стехиометрический закон — закон взаимных пропорций, который служит основой для установления эквивалентных весов каждого химического элемента. Элементарные эквивалентные веса затем могут быть использованы для определения атомных весов каждого элемента. Более современные законы химии определяют взаимосвязь между энергией и превращениями. В состоянии равновесия молекулы существуют в смеси, определяемой возможными превращениями в масштабе времени равновесия, и находятся в соотношении, определяемом внутренней энергией молекул — чем ниже внутренняя энергия, тем выше концентрация молекулы. Превращение одной структуры в другую требует затраты энергии для преодоления энергетического барьера; эта энергия может поступать от внутренней энергии самих молекул или от внешнего источника, который обычно ускоряет превращения. Чем выше энергетический барьер, тем медленнее происходит превращение. Существует переходное состояние (TS), соответствующее структуре в верхней точке энергетического барьера. Постулат Хаммонда-Леффлера утверждает, что это состояние наиболее похоже на продукт или исходное вещество, обладающее внутренней энергией, наиболее близкой к энергии барьера. Стабилизация этого переходного состояния посредством химического взаимодействия является одним из способов достижения катализа. Все химические процессы обратимы (закон микроскопической обратимости), хотя некоторые процессы имеют настолько значительный энергетический градиент, что практически необратимы.

Chemical laws are those laws of nature relevant to chemistry. The most fundamental concept in chemistry is the law of conservation of mass, which states that there is no detectable change in the quantity of matter during an ordinary chemical reaction. Modern physics shows that it is actually energy that is conserved, and that energy and mass are related; a concept which becomes important in nuclear chemistry. Conservation of energy leads to the important concepts of equilibrium, thermodynamics, and kinetics. The laws of stoichiometry, that is, the gravimetric proportions by which chemical elements participate in chemical reactions, elaborate on the law of conservation of mass. Joseph Proust's law of definite composition says that pure chemicals are composed of elements in a definite formulation. Dalton's law of multiple proportions says that these chemicals will present themselves in proportions that are small whole numbers (i. e. 1:2 O:H in water); although in many systems (notably biomacromolecules and minerals) the ratios tend to require large numbers, and are frequently represented as a fraction. Such compounds are known as non stoichiometric compounds. The third stoichiometric law is the law of reciprocal proportions, which provides the basis for establishing equivalent weights for each chemical element. Elemental equivalent weights can then be used to derive atomic weights for each element. More modern laws of chemistry define the relationship between energy and transformations. In equilibrium, molecules exist in mixture defined by the transformations possible on the timescale of the equilibrium, and are in a ratio defined by the intrinsic energy of the molecules—the lower the intrinsic energy, the more abundant the molecule. Transforming one structure to another requires the input of energy to cross an energy barrier; this can come from the intrinsic energy of the molecules themselves, or from an external source which will generally accelerate transformations. The higher the energy barrier, the slower the transformation occurs. There is a transition state (TS), that corresponds to the structure at the top of the energy barrier. The Hammond Leffler Postulate states that this state looks most similar to the product or starting material which has intrinsic energy closest to that of the energy barrier. Stabilizing this transition state through chemical interaction is one way to achieve catalysis. All chemical processes are reversible (law of microscopic reversibility) although some processes have such an energy bias, they are essentially irreversible.