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:

Е = mc²,

где с – скорость света в вакууме[1]. 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) = Н₂О_(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 СО₂. Масса 1 моль углекислого газа:

m(СО₂) = ν(СО₂) · M(СО₂); M(СО₂) = 44 г/моль; m(СО₂) = 1 · 44 = 44 (г).

Сумма масс продуктов реакции составит:

56 + 44 = 100 (г),

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

Поиск по сайту: