Сохранение массы вещества химия. Сущность химической реакции. Закон сохранения массы веществ

СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ

Все определяется мерой, числом и весом.

Г. Кавендиш

Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы впервые сформулировал М. В. Ломоносов в 1748 г. Экспериментально он подтвердил его на примере обжигания металлов в запаянных сосудах в 1756 г. Протекание химических реакций путем взвешивания исходных веществ и продуктов Ломоносов изучал в созданной им в 1748 г. при Академии наук химической лаборатории в г. Санкт-Петербурге.

М. В. Ломоносов в письме к Л. Эйлеру от 5 июля 1748 г. сформулировал этот закон так: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Несколько позже (1789 г.) закон сохранения массы был независимо от Ломоносова установлен А. Л. Лавуазье, который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ: «Ничто не творится ни в искусственных процессах, ни в природных, и можно выставить положение, что во всякой операции имеется одинаковое количество материи до и после, что качество и количество начал остались теми же самыми, произошли лишь перемещения, перегруппировки. На этом положении основано все искусство делать опыты в химии». («Начальный курс химии», 1789 г.).

Современная формулировка закона:

Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции .

В процессе химической реакции остаются неизменными ядра атомов. Однако атом – это не только ядро, но и окружающие его электроны. В процессе химического взаимодействия происходит перестройка электронной структуры (во всяком случае, внешних электронных слоев), так что атом изменяется, и совсем не очевидно, что его масса остается постоянной. Но число электронов, как и ядер, сохраняется.

Закон сохранения массы, как и другие законы сохранения, строго выполняется, но нуждается в некоторых пояснениях. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что между массой тела (m) и его энергией (Е) существует связь, выражаемая соотношением:

где с – скорость света в вакууме. Это уравнение Эйнштейна справедливо как для макроскопических тел, так и для частиц микромира (например, электронов, протонов). В ходе химических реакций всегда выделяется или поглощается энергия, поэтому изменяется и масса веществ, участвующих в реакции.

Задание для самостоятельной работы. Определите значение массы, отвечающее количеству теплоты, выделяющейся в ходе реакции

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

Можно ли заметить такое изменение массы в химических процессах?

Для каких процессов изменение массы в результате выделения или поглощения энергии становится заметным?

Как нужно переформулировать закон сохранения массы, чтобы он соблюдался для любых процессов?

Пример 2.1. Прокаливанием 100 г карбоната кальция получено 56 г оксида кальция и 22,4 л оксида углерода (IV) (н. у.). Противоречит ли это закону сохранения массы веществ?

Решение. По закону Авогадро при нормальных условиях 22,4 л газа соответствует 1 моль этого вещества. Следовательно, в процессе реакции образовался 1 моль СО 2 . Масса 1 моль углекислого газа:

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

Сумма масс продуктов реакции составит:

56 + 44 = 100 (г),

что равняется массе исходного карбоната кальция. Следовательно, закон сохранения массы выполняется.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ М.В.ЛОМОНОСОВА

Я учусь в 8 классе и только начала изучать новый предмет – химию. На уроке химии мы проходили химические и физические явления. Учитель химии показала нам опыт с горящей свечой. Меня этот опыт заинтересовал. Я решила поглубже узнать об этом опыте и попробовать проделать его. Занимаясь дома, я узнала, что этот опыт проводил великий русский ученый М.В.Ломоносов. Я решила попробовать повторить его опыты и больше узнать о самом ученом и его работах.

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Проанализировать работы М.В.Ломоносова в области химических наук;

Изучить работы М.В.Ломоносова по созданию закона сохранения массы веществ;

Познакомиться с работами других ученых в области закона сохранения массы веществ;

Рассмотреть эксперименты, проводимые М.В.Ломоносовым и другими учеными по количественному доказательству закона сохранения массы веществ;

Провести эксперимент, доказывающий, что масса веществ, вступившая в химическую реакцию, равна массе, получившейся в результате реакции

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Изучить печатную литературу во исследуемому вопросу закон сохранения массы веществ;

Проанализировать сайты Интернета, посвященные 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова;

Провести эксперимент, подтверждающий выводы М.В.Ломоносова по доказательству закона сохранения массы веществ;

Подвести итоги и сделать выводы о проделанной работе.

Много славных имен вписал наш народ в историю мировой науки. Но имя Ломоносова связано с развитием сразу нескольких наук. Он величайший физик, химик, геолог и одновременно историк, исследователь языков и даже поэт. Открытия М.В.Ломоносова необыкновенно обогатили русскую науку. Он описал строение Земли, объяснил происхождение многих полезных ископаемых, оборудовал первую химическую лабораторию, написал первый учебник по российской грамматике на современном ему русском языке, разработал проект освоения Северного морского пути, провел опыты с электричеством, установил, что на планете Венера есть атмосфера. Благодаря этому ученому в России появился первый университет, который существует и в наши дни. Сын крестьянина северной окраины России стал величайшим русским ученым, признанным всей Европой.

В школе мы относимся к М.Ломоносову, как к чему-то среднему между историком и филологом. В нашем представлении это – человек, с поэтическим талантом, человек, пользующийся славой «первого русского ученого». О естественно - научных, взглядах Ломоносова в школе иногда совсем умалчивается. То, в чем он неизмеримо велик– отодвигается на второй план и остается в тени.

К каким наукам более всего лежало сердце Ломоносова, – нам судить трудно. Более близкий к его времени, величайший поэт наш Пушкин, выдвигает на первый план его естественнонаучные изыскания. Вот как он характеризует деятельность Ломоносова: «Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенною силою понятия, Ломоносов обнял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшею страстью этой души, исполненной страстей. Он все испытал и все проник... Первый углубляется в историю Отечества, утверждает правила общественного языка его, дает законы и образцы классического красноречия; предугадывает открытия Франклина, учреждает фабрику, сам сооружает машины, дарит художества мозаичными произведениями и, наконец, открывает нам истинные источники нашего поэтического языка».

Как химик-теоретик и как химик-исследователь М. В. Ломоносов стоял на голову выше своих современников. Одним из конкретных проявлений всеобщего закона природы был открытый и экспериментально подтвержденный Ломоносовым закон сохранения вещества при химических превращениях, установление которого долгое время совершенно несправедливо приписывалось французскому химику Антуану Лорану Лавуазье. Предложенный М.Ломоносовым всеобщий закон природы включает в себя и закон сохранения энергии, вошедший в науку лишь в середине XIX века: “Но как все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».

М. В. Ломоносов руководствовался законом сохранения вещества и движения не только при построении атомно-молекулярной теории, но и в экспериментальных исследованиях. Он придавал большое значение измерению массы исходных веществ и веществ, получающихся в результате химических операций, считая, что только путем количественных измерений можно проникнуть в тайны химических превращений.

Некоторыми из своих классических опытов Ломоносов надолго опередил некоторых европейских ученых. Так, накаливая свинец и олово в запаянных стеклянных трубках, Ломоносов убедился, что вес металлов при этом не меняется; отсюда он заключил, что обычное приращение в весе зависело вовсе не от мифического «флогистона», а от соприкосновения накаленных металлов с воздухом, который проникал в реторты вследствие недостаточной закупорки.

В 1673 г. вышла книга Р. Бойля «Новые эксперименты о том, как сделать огонь и пламя стойкими и весомыми», в которой английский химик описал опыты с прокаливанием металлов. Ученый помещал металл в реторту, запаивал ее, взвешивал, прокаливал до образования из металла «извести», после чего вскрывал реторту и вновь взвешивал, получая, естественно, прибавку в «весе». Несмотря на то, что Р. Бойль был хорошо знаком с работами Р. Гука и Д. Майова, он объяснил увеличение массы металлов при обжиге присоединением к ним тончайшей «огненной материи», проникающей сквозь поры стекла.

В 1756 г. М. В. Ломоносов повторил опыты Бойля с тем изменением, что он не вскрывал реторты с «известью» перед их взвешиванием. Результат получился именно такой, какого и ожидал ученый, исходя из своих теоретических представлений: «огненной материи» не существует. Краткая запись опытов была такова: «...между разными химическими опытами... деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов».

17 лет спустя, в 1773 г., опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и М.Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте.

Но увы! Эти опыты Ломоносова прошли незамеченными. И когда, восемнадцать лет спустя, их повторил Лавуазье, он пожал лавры, по справедливости принадлежавшие М.Ломоносову.

Я под руководством учителя химии проделала опыты, подтверждающие выводы М.В.Ломоносова. Для этого я взяла сосуды Ландольта, в одном из которых находилась соляная кислота и цинк, а в другом - гидроксид натрия и сульфат меди (фото 1 ). Весы уравновесила. После сливания растворов (фото 2 ) произошла химическая реакция. Я увидела, что в одном сосуде выпал осадок голубого цвета, а в другом сосуде выделяется газ (фото 3 ). Стрелка весов после химической реакции осталась на прежнем уровне. Таким образом, я убедилась, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию равна массе веществ, образовавшихся после реакции.

2

3

Для проведения второго опыта мне понадобилась герметично закрытая колба, внутрь которой мы поместили горящую свечу. Весы уравновесили (фото 4 ). Свечу зажгли и опустили её в колбу, плотно прикрыв пробкой (фото 5 ). Свеча при горении, израсходовав весь кислород из колбы, погасла. Произошло химическое явление. Весы после реакции остались уравновешенными. Из этого следует, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, осталась неизменной после её окончания.

4

5

Вывод : итак, задачи, которые я ставила перед собой, выполнены. Много нового я узнала о великом русском ученом М.В.Ломоносове, о его достижениях в разных областях наук. Один из его законов – закон сохранения массы веществ, подтвердила экспериментально.

Такова всеобъемлющая деятельность русского гения, сумевшего – не только в своих научных откровениях, но даже и в неизбежных ошибках – оставить неизгладимые следы великой, неустанной мысли и работы на пользу науки, о расцвете которой в родной стране он так горячо и так бескорыстно ратовал.

Продукты любой химической реакции состоят из тех же самых атомов, из которых состояли исходные вещества. При химических реакциях атомы сохраняются, значит должна сохраняться и масса всех атомов. В таком случае продукты любой химической реакции должны иметь такую же массу, как и исходные вещества.

После проведения некоторых опытов, может показаться, что утверждение о массе веществ неверно. Например, при прокаливании металлы превращаются в хрупкие окалины, масса которых всегда больше массы металлов до опыта. Но почему? Может быть, какие-либо частицы из воздуха присоединяются к металлу? М.В.Ломоносов нашёл ответ на этот вопрос: он прокаливал металлы в закрытых сосудах. Металл превращался в окалину, и масса сосуда с окалиной оставалась такой же, как и масса сосуда с металлом. Получается, масса, которая содержится в сосуде воздуха, уменьшилась на столько, на сколько увеличилась масса металла.

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, всегда равна массе образовавшихся веществ.

Этот один из основных законов химии называется законом сохранения массы вещества. Впервые этот закон был сформулирован М.В. Ломоносовым так:

«Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».

Из закона сохранения массы вещества следует, что вещества не могут возникать из ниоткуда и из ничего или превращаться в ничто. Даже, если нам кажется, что при химической реакции получается лишнее количество вещества или же масса вещества после химической реакции стала меньше, то это значит, что мы не учли всех участвующих в реакции или получающихся веществ.

Например, когда горит древесина нам кажется, что вещества, из которых она образована исчезают без следа. Но при тщательном изучении реакции можно увидеть, что это не так: масса веществ, затраченных при сгорании древесины (древесина + кислород), равна массе воды, золы и углекислого газа, которые получились при горении.

Пользуясь законом сохранения массы можно вычислить массу или одного вступившего в реакцию вещества или одного из полученных веществ, если известны массы всех остальных. Так, если необходимо узнать массу кислорода, получившегося при разложении определённого количества оксида ртути, то для этого нам не нужно собирать кислород для взвешивания. Достаточно определить массу участвующего в реакции оксида ртути и массу ртути, которая выделилась в результате реакции. Согласно закону сохранения массы сумма масс ртути и кислорода равняется массе разложившегося оксида ртути. Следовательно, вычитая из массы оксида ртути массу полученной ртути, мы получим массу выделившегося кислорода.

Например, решим такую задачу: мы взяли 2,56 г. оксида ртути, а после реакции получили 1,95 г. ртути. Какова масса образовавшегося в результате реакции кислорода?

Оксид ртути = ртуть + кислород

2, 56 = 1,95 + х

х = 2,56 – 1,95

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Урок №14. Закон сохранения массы вещества. Химические уравнения

Закон сохранения массы веществ

Проблемный вопрос: изменится ли масса реагирующих веществ по сравнению с массой продуктов реакции?

Чтобы ответить на данный вопрос пронаблюдайте за следующим экспериментом

Видео-эксперимент: .

Описание эксперимента: В коническую колбу помесите 2 грамма измельченной меди. Плотно закройте колбу пробкой и взвесьте. Запомните массу колбы. Осторожно нагревайте колбу в течение 5 минут и наблюдайте за происходящими изменениями. Прекратите нагревание, и когда колба охладится, взвесьте её. Сравните массу колбы до нагревания с массой колбы после нагревания.

Вывод: Масса колбы после нагревания не изменилась.

Пронаблюдаем за другими видео-экспериментами:

Вывод: Масса веществ до и после реакции не изменилась.

Формулировка закона сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

С точки зрения атомно-молекулярного учения этот закон объясняется тем, что при химических реакциях общее количество атомов не изменяется, а происходит лишь их перегруппировка.

Закон сохранения массы веществ является основным законом химии, все расчеты по химическим реакциям производятся на его основе. Именно с открытием этого закона связывают возникновение современной химии как точной науки.

Закон сохранения массы был теоретически открыт в 1748 году и экспериментально подтверждён в 1756 году русским ученым М.В. Ломоносовым.

Французский учёный Антуан Лавуазье в 1789 году окончательно убедил учёный мир в универсальности этого закона. Как Ломоносов, так и Лавуазье пользовались в своих экспериментах очень точными весами. Они нагревали металлы (свинец, олово, и ртуть) в запаянных сосудах и взвешивали исходные вещества и продукты реакции.

Химические уравнения

Закон сохранения массы веществ применяется при составлении уравнений химических реакций.

Химическое уравнение – это условная запись химической реакции посредством химических формул и коэффициентов.

Посмотрим видео - эксперимент : .

В результате химического взаимодействия серы и железа получено вещество – сульфид железа (II ) – оно отличается от исходной смеси. Ни железо, ни сера не могут быть визуально обнаружены в нем. Невозможно их разделить и с помощью магнита. Произошло химическое превращение.

Исходные вещества, принимающие участие в химических реакциях называются реагентами.

Новые вещества, образующиеся в результате химической реакции называются продуктами.

Запишем протекающую реакцию в виде уравнения химической реакции:

Fe + S = FeS

Алгоритм составления уравнения химической реакции

Составим уравнение химической реакции взаимодействия фосфора и кислорода

1. В левой части уравнения записываем химические формулы реагентов (веществ, вступающих в реакцию). Помните! Молекулы большинства простых газообразных веществ двухатомны – H 2 ; N 2 ; O 2 ; F 2 ; Cl 2 ; Br 2 ; I 2 . Между реагентами ставим знак «+», а затем стрелку:

P + O 2 →

2. В правой части (после стрелки) пишем химическую формулу продукта (вещества, образующегося при взаимодействии). Помните! Химические формулы необходимо составлять, используя валентности атомов химических элементов:

P + O 2 → P 2 O 5

3. Согласно закону сохранения массы веществ число атомов до и после реакции должно быть одинаковым. Это достигается путём расстановки коэффициентов перед химическими формулами реагентов и продуктов химической реакции.

Вначале уравнивают число атомов, которых в реагирующих веществах (продуктах) содержится больше.

В данном случае это атомы кислорода.

Находим наименьшее общее кратное чисел атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Наименьшее кратное для атомов натрия –10:

Находим коэффициенты путём деления наименьшего кратного на число атомов данного вида, полученные цифры ставим в уравнение реакции:

Закон сохранения массы вещества не выполнен, так как число атомов фосфора в реагентах и продуктах реакции не равно, поступаем аналогично ситуации с кислородом:

Получаем окончательный вид уравнения химической реакции. Стрелку заменяем на знак равенства. Закон сохранения массы вещества выполнен:

4 P + 5O 2 = 2P 2 O 5

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1.

Преобразуйте следующие схемы в уравнения химических реакций расставив необходимые коэффициенты и заменив стрелки на знак равенства:

Zn + O 2 → ZnO

Fe + Cl 2 → FeCl 3

Mg + HCl → MgCl 2 + H 2

Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + H 2 O

HNO 3 → H 2 O+NO 2 +O 2

CaO+H 2 O→ Ca(OH) 2

H 2 +Cl 2 → HCl

KClO 3 → KClO 4 +KCl

Fe(OH) 2 +H 2 O+O 2 → Fe(OH) 3

KBr + Cl 2 → KCl + Br 2

№2.

Используя алгоритм составления уравнений химических реакций, составьте уравнения реакций взаимодействия между следующими парами веществ:
1) Na и O 2
2) Na и Cl 2
3) Al и S