Закон збереження маси речовин застосування. Сутність хімічної реакції

В уроці 11 «» з курсу « Хімія для чайників» дамо визначення закону збереження маси та закону збереження енергії, познайомимося з відкриттям Ломоносова, а також повторимо деякі основи хімії з минулого розділу. Цим уроком ми відкриваємо наступний розділ курсу під назвою «Закон збереження маси та енергії». Тому, щоб у вас не виникало питань з уроків, обов'язково вивчіть уроки з першого розділу «Атоми, молекули та іони».

Думка у тому, що у світі складається з атомів, зародилася ще до нашої ери. Давньогрецький філософДемокріт вважав, що вся матерія складається з неподільних мікрочастинок — атомів, що кожен атом має індивідуальні властивості, що властивості речовин визначаються їх взаємним розташуваннямщодо один одного. Таким чином, його ідеї є примітивним варіантом того, що викладено в розділі 1 «Атоми, молекули та іони». Напрошується питання: чому ж тоді давні греки не скористалися гіпотезою Демокріта і навчилися отримувати атомну енергію? Чому минуло ще 2000 років, перш ніж наука досягла свого сучасного рівня? Одна з причин полягала в тому, що давні греки не мали поняття закони збереження речовини, і звичайно ж про закон збереження енергії.

Великий російський учений М.В. Ломоносов в 1748 став першим, хто усвідомив, що маса є фундаментальною властивістю, що зберігається в процесі хімічних реакцій. Він встановив закон, який свідчить, що сумарна маса всіх продуктів хімічного перетворення повинна точно збігатися з сумарною масою вихідних речовин. Крім сумарної маси речовин, в хімічних реакціях зберігається також число атомів кожного сорту незалежно від того, у складних перетвореннях вони беруть участь і як переходять з одних молекул в інші.

У хімічних реакціях має зберігатися й енергія. Хімічно важливий висновок з цього закону полягає в тому, що поглинання або виділення тепла (теплота реакції) у конкретній хімічної реакціїне залежить від того, яким шляхом здійснюється реакція – в одну чи кілька стадій. Наприклад, тепло, що виділяється безпосередньо при згорянні газоподібного водню і графіту (одна з форм вуглецю), повинна збігатися з теплом, що виділяється, коли водень і вуглець використовуються для отримання синтетичного бензину, а позику цей бензин використовується як паливо. Якби кількість тепла, що виділяється в одній із двох описаних вище варіантів реакції, була неоднаковою, можна було б скористатися цим і проводити більш ефективну реакцію в одному напрямку, а менш ефективну — у зворотному. В результаті вийшло б циклічне безпаливне джерело тепла, що безперервно дає дарову енергію. Але це лише мрії про вічний двигун, створення якого руйнується про непорушну стіну закону збереження маси та енергії.

: у процесі хімічної реакції не відбувається утворення або руйнування атомів

Закон збереження енергії: якщо сума двох реакцій є новою, третьою реакцією, то теплота третьої реакції дорівнює сумі теплот перших двох реакцій. Говорять, що теплові ефекти реакцій адитивні. Докладніше про закон збереження тепла ви дізнаєтеся в кінці цього розділу, де все стане просто і ясно.

До речі, в 1756 Ломоносов експериментально підтвердив хімічний закон збереження маси, шляхом випалу металів у запаяних судинах. Замість випалення металів можна в запаяній посудині спалити фтор, закон збереження маси все одно дотримується:

Повторюся, що не щільність чи об'єм, а саме маса є фундаментальною властивістю, що зберігається у процесі хімічних реакцій. І щойно хіміки це зрозуміли, вони одразу кинулися у пошуки правильної шкали атомних мас для кожного елемента. В уроці 3 «Будова молекула» ми зазначали, що молекулярна масамолекули обчислюється через суму всіх атомних мас атомів, що входять до її складу. А з уроку 5 «Міль та молярна маса» нам відомо, що мольбудь-якої речовини - це така його кількість, в якій число частинок цієї речовини дорівнює 6022 · 10 23 . Маса одного молячи речовини в грамах називається молярною масою. Міль та молярна маса є найважливішими поняттями, без яких неможливо проводити хімічний розрахунок.

Моль — це засіб підраховувати атоми і молекули порціями по 6,022·10 23 . Якщо відомо, що дві молекули газоподібного водню H 2 реагують з однією молекулою газоподібного кисню O 2 з утворенням двох молекул води H 2 O, то можна передбачити, що 2 молячи H 2 , тобто. 4,032 р, реагуватимуть з 1 молем O 2 , тобто. з 31,999 р, з освітою 2 молей H 2 O, тобто 36,031 г). Контрольне підсумовування 4,032+31,999=36,031 підтверджують, що у цій реакції виконується хімічний закон збереження маси.

Урок 11 « Формулювання закону збереження маси та енергії» є повторенням вже пройденого матеріалу перед зануренням у серйозніший розділ хімії. Сподіваюся ви відкрили у цьому уроці для себе щось нове та цікаве. Якщо у вас виникли запитання, пишіть їх у коментарі.

Закон збереження маси речовин один із найважливіших законів хімії. Його відкрив М. В. Ломоносов, а пізніше експериментально підтвердив А. Лавуазьє. Тож у чому полягає суть цього закону?

Історія

Закон збереження маси речовин вперше сформулював М. В. Ломоносов у 1748 році, а експериментально підтвердив його на прикладі випалу металів у запаяних судинах у 1756 році. Закон збереження маси речовин Ломоносов пов'язував із законом збереження енергії (кількості руху). Він розглядав ці закони у єдності як загальний закон природи.

Рис. 1. М. В. Ломоносов.

Але ще до Ломоносова понад 20 століть тому давньогрецький вчений Демокріт припускав, що все живе та неживе складається з незримих частинок. Пізніше XVII столітті ці припущення підтвердив Р. Бойль. Він проводив експерименти з металом та деревиною та з'ясував, що вага металу після нагрівання збільшилася, а вага золи порівняно з деревом, навпаки, зменшилась.

Незалежно від М. В. Ломоносова закон збереження маси речовини був встановлений у 1789 французьким хіміком А. Лавуазьє, який показав, що при хімічних реакціях зберігається не тільки загальна маса речовин, а й маса кожного з елементів, що входять до складу взаємодіючих речовин.

Погляди Ломоносова та Лавуазьє були підтверджені сучасною наукою. У 1905 році А. Ейнштейн показав, що між масою тіла (m) та його енергією (E) існує зв'язок, що виражається рівнянням:

де c – швидкість світла у вакуумі.

Рис. 2. Альберт Ейнштейн.

Отже, закон збереження маси дає матеріальну основу складання рівнянь хімічних реакцій.

Суть закону збереження маси речовини

Закон збереження маси речовини полягає в наступному: маса речовин, що вступають у хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворюються в результаті реакції.

Рис. 3. Закон збереження маси речовини.

При написанні рівнянь хімічних реакцій слід стежити дотриманням цього закону. Число атомів елемента в лівій та правій частинахреакцій має бути однаковим, тому що атомні частинки в хімічних перетвореннях неподільні і нікуди не зникають, а лише переходять із однієї речовини в іншу. Сутність хімічної реакції - розрив одних зв'язків та утворення інших зв'язків. Оскільки ці процеси пов'язані з витратою та отриманням енергії, то знак рівності в реакціях можна ставити, якщо враховано енергетичні фактори, умови реакції, агрегатні станиречовин.

Дуже часто знак рівності, особливо в неорганічних реакціях, ставлять і без урахування необхідних факторів, спрощуючи запис. При зрівнюванні коефіцієнтів спочатку зрівнюють число атомів металу, потім неметалу, потім водню і в кінці проводять перевірку кисню.

Що ми дізналися?

Закон збереження маси речовини вивчають у школі з хімії 8 класу, оскільки розуміння його суті необхідне правильного складання рівнянь реакцій. Про те, що кожна матерія землі складається з невидимих ​​частинок припустив ще давньогрецький вчений Демокріт, яке сучасніші послідовники Ломоносов, Лавуазьє, Ейнштейн довели це експериментально.

З цього уроку ви дізнаєтеся, у чому полягає сутність хімічної реакції з позиції атомно-молекулярної теорії. Урок присвячений вивченню одного з найважливіших законів хімії – закону збереження маси речовин.

Тема: Початкові хімічні уявлення

Сутність хімічної реакції. Закон збереження маси речовин

Питання сутності хімічного перетворення тривалий час залишався загадкою для дослідників природи. Тільки з розвитком атомно-молекулярної теорії стало можливим припустити, як рівні атомів і молекул відбуваються хімічні реакції.

Відповідно до атомно-молекулярної теорії, речовини складаються з молекул, а молекули – з атомів. У ході хімічної реакції атоми, що входять до складу вихідних речовин, не зникають і нові атоми.

Тоді ми можемо припустити, що в результаті хімічної реакції продукти реакції утворюються з атомів, які раніше входили до складу вихідних речовин. Ось модель хімічної реакції:

Рис. 1. Модель хімічної реакції з позиції АМТ

Проаналізувавши цю модель, ми можемо висунути гіпотезу (науково обґрунтоване припущення):

Сумарна маса продуктів реакції повинна дорівнювати сумарній масі вихідних речовин.

Ще Леонардо да Вінчі сказав: «Знання, не перевірені досвідом, матір'ю будь-якої достовірності, безплідні та сповнені помилок». Отже, гіпотеза ніколи не стане законом, якщо її не підтвердити експериментально.

Експериментальний метод у хімії почав широко використовуватися після досліджень Р. Бойля у 17 ст. Англійський дослідник проколював метали в незапаяних судинах - ретортах і виявив, що після прожарювання маса металу ставала більше.

Ґрунтуючись на цих дослідах, він не враховував роль повітря і зробив неправильний висновок, що маса речовин у ході хімічних реакцій змінюється.

М.В. Ломоносов, на відміну Р. Бойля, прожарював метали не так. відкритому повітрі, а в запаяних ретортах і зважував їх до і після прожарювання. Він довів, що маса речовин до і після реакції залишається незмінною і що при прожарюванні до металу приєднується повітря (кисень на той час ще не був відкритий). Але Ломоносов не опублікував результатів своїх досліджень.

У 1774 р. досліди Р. Бойля повторив А. Лавуазьє з такими ж результатами, як і Ломоносов. Але він зробив нове, дуже важливе спостереження, а саме, що тільки частина повітря запаяної реторти з'єдналася з металом і що збільшення ваги металу, що перейшов в окалину, дорівнює зменшенню ваги повітря в реторті. Водночас частина металу залишилася у вільному вигляді.

Отже, незалежно друг від друга, М.В. Ломоносов та А. Лавуазьє підтвердили справедливість припущення про збереження маси речовин у результаті хімічної реакції.

Це стало законом лише після десятирічного дослідження німецького хіміка Г. Ландольта на початку 20 століття. Сьогодні закон збереження маси речовинформулюється так:

Маса речовин, що беруть участь у реакції, дорівнює масі продуктів реакції.

Підтвердити правильність закону збереження маси речовин можна за допомогою такого досвіду. У першій посудині Ландольта підготуємо розчини йодиду калію та нітрату свинцю. У другій посудині – пройде реакція хлориду заліза з роданідом калію. Щільно закриваємо пробки. Врівноважуємо чашки терезів. Чи збережеться рівновага після закінчення реакцій? У першому посудині випадає жовтий осад йодиду свинцю, у другому утворюється темно-червоний роданід тривалентного заліза. У судинах Ландольта відбулися хімічні реакції: утворились нові речовини. Але рівновага не порушилася (рис. 2). Маса вихідних речовин завжди дорівнює масі продуктів реакції.

Рис. 2. Експеримент, що підтверджує правильність закону збереження маси речовин

Наведемо приклад ще одного досвіду, що доводить правильність закону збереження маси речовин у хімічних реакціях. Усередині колби при закритій пробці горітиме свічка. Врівноважимо ваги. Підпалимо свічку та опустимо її в колбу. Щільно закриємо колбу пробкою. Горіння свічки – це хімічний процес. Витративши кисень, що знаходиться в колбі, свічка гасне, хімічна реакція завершується. Але рівновага ваг не порушується: маса продуктів реакції залишається такою самою, якою була маса вихідних речовин (Рис. 3).

Рис. 3. Експеримент із свічкою, що горить, в колбі

Відкриття закону збереження маси речовин мало велике значення для подальшого розвиткухімії. З закону збереження маси речовин виробляють найважливіші розрахунки і становлять рівняння хімічних реакцій.

1. Збірник завдань та вправ з хімії: 8-й клас: до підручника П.А. Оржековського та ін. «Хімія, 8 клас»/П.А. Оржековський, Н.А. Тітов, Ф.Ф. Гегелі. - М.: АСТ: Астрель, 2006.

2. Ушакова О.В. Робочий зошит з хімії: 8 кл.: до підручника П.А. Оржековського та ін. «Хімія. 8 клас»/О.В. Ушакова, П.І. Беспалов, П.А. Оржеківський; під. ред. проф. П.А. Оржековського - М: АСТ: Астрель: Профіздат, 2006. (с.15-16)

3. Хімія: 8-й клас: навч. для загальнообр. установ/П.А. Оржековський, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (§ 6)

4. Хімія: неорг. хімія: навч. для 8 кл. загальнообр. установ/Г.Є. Рудзітіс, Фюґю Фельдман. - М.: Просвітництво, ВАТ «Московські підручники», 2009.

5. Енциклопедія для дітей. Том 17. Хімія/Голов. ред.В.А. Володін, вед. наук. ред. І. Леєнсон. - М.: Аванта +, 2003.

Додаткові веб-ресурси

1. Єдина колекція цифрових освітніх ресурсів ().

2. Електронна версія журналу "Хімія і життя" ().

Домашнє завдання

з . 16 №№ 3,5 з Робочого зошита з хімії: 8-й кл.: до підручника П.А. Оржековського та ін. «Хімія. 8 клас»/О.В. Ушакова, П.І. Беспалов, П.А. Оржеківський; під. ред. проф. П.А. Оржековського – М.: АСТ: Астрель: Профіздат, 2006.

1. Закон збереження маси та енергії.

Це є об'єднаний закон. До нього входять два закони.

I. Закон збереження маси : Маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі продуктів реакції.

Цей закон був відкритий М. В. Ломоносовим 1748 і доповнений А. Л. Лавуазьє в 1789 р.

У процесі реакції зберігається маса кожного 1 елемент.

Цей закон дозволяє складати рівняння хімічних реакцій та здійснювати розрахунки на їх основі. Він є абсолютним (див. нижче). Абсолютним є закон збереження енергії.

2.Закон збереження енергії: Енергія не виникає з нічого і не зникає, а лише переходить із одного виду в інший.

Цей закон – результат робіт А. Ейнштейна. Він встановив зв'язок між енергією та масою речовини (1905 р.):

Е = тс 2(6)

де з- швидкість світла у вакуумі, що дорівнює -300 000 км/с. Оскільки в результаті хімічної реакції виділяється або поглинається енергія, то відповідно до рівняння Ейнштейна змінюється і маса речовин. Однак це зміна настільки мало, що практично не враховується (так званий дефект маси).

Утворення одного молю хлороводню з простих речовин супроводжується тепловим ефектом 92,3 кДж/моль, що відповідає втраті маси речовини (дефект маси) близько 10 -9 г.

Наступні закони справедливі лише для сполук із постійним складом молекул- дальтонідів.Вони відрізняються від сполук, що мають змінний склад молекул - бертолідів.

У сплавах металів містяться сполуки типу М т М л,де ті n- Змінні.

2. Закон сталості складу (Ж. Л. Пруст, 1801).

Співвідношення між масами хімічних елементів, що входять до складу даної сполуки, є постійна величина, яка не залежить від способу його отримання.

3. Закон кратних відносин (Дж. Дальтон, 1803).

Якщо два елементи утворюють один з одним кілька хімічних сполук, то маси однієї з елементів, що припадають певну масу іншого, ставляться друг до друга як невеликі цілі числа.

В оксиді вуглецю (II) СО: М(С)/М(О) = 12/16 = 3/4, в оксиді вуглецю (IV) СО 2: М(С)/М(2О) = 12/32 = 3 /8. Отже, маси вуглецю, що припадають на певну масу кисню, у цих сполуках відносяться, як:

3 / 4: 3 / 8 =2:1

4. Закон простих об'ємних відносин (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808).

Обсяги газів, що вступили в реакцію, відносяться один до одного і до обсягів утворених газів як невеликі цілі числа.

У реакції утворення аміаку відповідно до стехіометричних коефіцієнтів у рівнянні реакції:

H 2 + 3N 2 = 2NH 3 отримуємо, що V(N 2) : V(Н 2) : V(NН 3) = 1:3:2.

5. Закон Авогадро (1811). У рівних обсягах різних газів за однакових умов (р і Т) міститься однакове число молекул.

Цей закон випливає з аналізу рівняння стану ідеального газу Менделєєва-Клапейрона:

рV = nRТ.

Це рівняння можна записати для двох газів: p 1 V 1= V 1 RТ 1 р 2 V 2= V 2 RТ 2 .

При рівності p 1 = р 2 , T 1 = Т 2і V i = V 2дорівнюватимуть і кількості речовин газів: n 1= n 2або, з урахуванням числа Авогадро:

n 1 · N А = n 2 · N A ,

т. е. дорівнюватиме і число молекул цих газів.

Закон Авогадро має слідства:

1. Однакове число молекул будь-якого газу за однакових умов займає той самий обсяг.

2. Маси газів, взятих у однакових обсягах за однакових умов (р, Т), відносяться один до одного як їх молярні маси:

т1/т2 = М1/М2.(7)

Це слідство випливає з рівності кількостей речовин цих газів (див. вище): ν 1 = ν 2 .

Підставляючи замість кількості речовини відношення його маси до молярної маси (рівняння 2) отримаємо:

т 1 /М 1 = т 2 /М 2

т1/т2 = М г/М2.

Друге слідство дозволяє вивести рівняння для визначення молярної маси невідомого газу за відомою величиною відносної густини цього газу з іншого відомого газу.

Після підстановки в чисельник і знаменник лівої частини рівняння 7 об'ємів першого та другого газів, які рівні, отримуємо:

т 1· V 2 / т 2 · V 1 = М1 / М2.

Відношення маси речовини до його обсягу замінюємо на густину (див. рівняння 5):

Р 1 / Р 2 = М 1 / М 2

і отримуємо рівняння для розрахунку молекулярної маси першого газу за другим:

М 1= (ρ 1 / ρ 2) · М 2 = D 1/2 М 2(8)

Або в загальному вигляді:

М = Dг Мг (9)

де D Г- Відносна щільність першого газу по другому.

Якщо відома щільність даного газу водню, то використовують рівняння:

М = 2DН2.(10)

Якщо відома щільність газу повітрям, то використовують рівняння:

М = 29D пов. (11)

СТЕХІОМЕТРИЧНІ ЗАКОНИ ХІМІЇ

Все визначається мірою, числом та вагою.

Г. Кавендіш

Закон збереження маси речовин

Закон збереження маси вперше сформулював М. В. Ломоносов у 1748 р. Експериментально він підтвердив його на прикладі випалювання металів у запаяних судинах у 1756 р. Протікання хімічних реакцій шляхом зважування вихідних речовин та продуктів Ломоносів вивчав у створеній ним у 1748 р. хімічної лабораторіїу м. Санкт-Петербурзі.

М. У. Ломоносов у листі до Л. Ейлеру від 5 липня 1748 р. сформулював цей закон так: «Усі які у природі зміни відбуваються отже якщо до чогось щось додалося, це забирається в чогось іншого. Так, скільки матерії додається до якогось тіла, стільки ж втрачається в іншого, скільки годин я витрачаю на сон, стільки ж забираю від неспання і т. д. Так як це загальний закон природи, то він поширюється і на правила руху: тіло , Яке своїм поштовхом збуджує інше до руху, стільки ж втрачає від свого руху, скільки повідомляє іншому, ним двинутому ».

Дещо пізніше (1789 р.) закон збереження маси був незалежно від Ломоносова встановлений А. Л. Лавуазьє, який показав, що при хімічних реакціях зберігається не тільки загальна маса речовин, а й маса кожного з елементів, що входять до складу взаємодіючих речовин: «Ніщо не твориться ні в штучних процесах, ні в природних, і можна виставити становище, що в будь-якій операції є однакова кількість матерії до і після, що якість і кількість почав залишилися тими самими, відбулися лише переміщення, перегрупування. У цьому становищі засноване все мистецтво робити досліди у хімії». («Початковий курс хімії», 1789).

Сучасне формулювання закону:

Маса речовин, що вступають у хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворюються в результаті реакції.

У процесі хімічної реакції залишаються постійними ядра атомів. Однак атом – це не тільки ядро, але й електрони, що його оточують. У процесі хімічної взаємодії відбувається перебудова електронної структури (у разі, зовнішніх електронних верств), отже атом змінюється, і зовсім очевидно, що його маса залишається постійної. Але кількість електронів, як і ядер, зберігається.

Закон збереження маси, як і інші закони збереження, суворо виконується, але потребує деяких пояснень. У 1905 р. А. Ейнштейн показав, що між масою тіла (m) та його енергією (Е) існує зв'язок, що виражається співвідношенням:

де с – швидкість світла у вакуумі. Це рівняння Ейнштейна справедливе як макроскопічних тіл, так частинок мікросвіту (наприклад, електронів, протонів). У ході хімічних реакцій завжди виділяється чи поглинається енергія, тому змінюється і маса речовин, що у реакції.

Завдання для самостійної роботи.Визначте значення маси, що відповідає кількості теплоти, що виділяється під час реакції

Н 2(г) + 1/2О 2(г) = Н 2О (г) + 241,8 кДж.

Чи можна помітити таку зміну маси у хімічних процесах?

Для яких процесів зміна маси внаслідок виділення чи поглинання енергії стає помітною?

Як потрібно переформулювати закон збереження маси, щоб він дотримувався будь-яких процесів?

приклад 2.1.Прожарюванням 100 г карбонату кальцію отримано 56 г оксиду кальцію та 22,4 л оксиду вуглецю (IV) (н. у.). Чи суперечить це закону збереження маси речовин?

Рішення.За законом Авогадро при нормальних умовах 22,4 л газу відповідає 1 моль цієї речовини. Отже, у процесі реакції утворився 1 моль 2 . Маса 1 моль вуглекислого газу:

m(СО 2) = ν(СО 2) · M(СО 2); M(СО 2) = 44 г/моль; m(СО 2) = 1 · 44 = 44 (г).

Сума мас продуктів реакції становитиме:

56 + 44 = 100 (г),

що дорівнює масі вихідного карбонату кальцію. Отже, закон збереження маси виконується.