Химия Инфо

Закон сохранения массы веществ

При горении металл может стать тяжелее, а после реакции с выделением газа содержимое открытого сосуда — легче. Кажется, что масса то появляется, то исчезает. В действительности в первом случае к металлу присоединяется вещество из окружающей среды, а во втором часть вещества покидает взвешиваемую систему. Закон сохранения массы требует учитывать все участвующие вещества.

Формулировка закона

В обычной химической реакции суммарная масса израсходованных исходных веществ равна суммарной массе образовавшихся веществ. Именно это равенство используют в школьных химических расчётах.

Если реагенты A и B полностью превращаются в продукты C и D, массовый баланс можно записать так:

m(A) + m(B) = m(C) + m(D).

Нужно складывать массы всех реагентов и продуктов, включая газы. Если часть исходного вещества осталась непрореагировавшей, её нельзя считать образовавшимся продуктом. Однако при сравнении всей системы до и после реакции остаток тоже входит в общую массу.

Закон относится к массе, а не к объёму, числу молекул или числу разных веществ. Два реагента могут дать один продукт, объём газовой смеси может измениться, а суммарная масса при полном учёте веществ сохранится.

Как объясняют сохранение массы

В обычных химических реакциях атомные ядра не исчезают и не возникают заново. Сохраняется число атомов каждого элемента; меняются связи, электронные оболочки и организация частиц. Поэтому все атомы, входившие в израсходованные реагенты, должны быть учтены в продуктах.

Уравнение образования воды показывает это непосредственно:

2H2 + O2 → 2H2O.

Слева четыре атома H и два атома O, справа столько же. Молекул же слева три, справа две. При подборе коэффициентов уравнивают число атомов каждого элемента, а не число молекул. Состав вещества, заданный индексами, для этого менять нельзя.

Для точности обычных школьных химических расчётов массы считают сохраняющимися. Изменения массы, связанные с обменом энергией, при таких расчётах пренебрежимо малы; ядерные превращения требуют другого рассмотрения. Закон сохранения массы не следует объявлять просто арифметическим следствием закона сохранения энергии.

Закрытая и открытая системы

При проверке массового баланса сначала определяют границы системы. Закрытая система не обменивается веществом с окружающей средой; в открытой нужно учитывать поступление и удаление веществ.

Системой можно выбрать всё содержимое установки вместе с газом или только твёрдый остаток. Эти выборы приведут к разным показаниям массы, хотя сама реакция будет одной и той же. Закрытая по веществу система при этом может обмениваться теплотой с окружающей средой: «закрытая» и «теплоизолированная» — не синонимы.

НаблюдениеЧто нужно учестьВывод
Металл при окислении стал тяжелееПрисоединившийся кислородМасса оксида включает металл и кислород
После реакции масса открытого сосуда уменьшиласьВышедший газ и возможные другие потериУменьшение массы выбранной системы не означает исчезновения вещества
В закрытой системе появился газГаз остался внутри системыОбщая масса не уменьшается только из-за появления пузырьков
Образовался осадокЧастицы перешли из раствора в твёрдую фазуПоявление осадка само по себе не увеличивает общую массу

Для открытой системы в школьном приближении удобно записать:

m(после) = m(до) + m(поступило) − m(удалилось).

Взвешивание требует одинакового состава учитываемых частей: нельзя до реакции считать сосуд с содержимым, а после — один осадок. В реальном измерении учитывают также погрешность, перенос вещества и состояние посуды.

Три разобранных примера

1. Получение сульфида железа

В учебной модели чистые железо и сера при начальном нагревании полностью реагируют с образованием FeS. При школьных округлениях атомных масс Fe — 56, S — 32 их массовое отношение равно 7 : 4:

Fe + S → FeS (начальное нагревание).

7 кг Fe + 4 кг S → 11 кг FeS.

Чтобы теоретически получить 44 кг FeS, нужны в четыре раза большие массы обоих реагентов:

m(Fe) = 7 · 4 = 28 кг; m(S) = 4 · 4 = 16 кг.

Проверка: 28 кг + 16 кг = 44 кг.

Массовое соотношение необходимо знать дополнительно: один закон сохранения массы не говорит, какую долю 44 кг должны составлять железо и сера. Оно следует из состава FeS.

2. Почему твёрдый остаток легче исходного вещества?

Пусть 10,0 г чистого CaCO3 полностью разложились при сильном нагревании. Получены 5,6 г CaO, а единственный другой продукт — CO2 — покинул взвешиваемый сосуд:

CaCO3 → CaO + CO2↑ (нагревание).

m(CO2) = 10,0 г − 5,6 г = 4,4 г.

Масса не исчезла: 4,4 г находятся в выделившемся газе. При сравнении только двух твёрдых веществ эта часть баланса не видна.

3. Откуда появилась добавочная масса оксида?

При полном сгорании 2,4 г магния в кислороде получены 4,0 г MgO. В принятой модели образуется только этот оксид:

2Mg + O2 → 2MgO.

m(O2, израсходовано) = 4,0 г − 2,4 г = 1,6 г.

Кислород является реагентом, хотя до реакции мог находиться вне взвешиваемой порции металла. Сравнивать 2,4 и 4,0 г как полные массы всех веществ до и после реакции неправильно.

Исторический контекст

М. В. Ломоносов сформулировал общий принцип сохранения материи в письме Л. Эйлеру от 5 июля 1748 года. Знакомая русская формулировка встречается в более позднем труде «Рассуждение о твёрдости и жидкости тел», опубликованном в 1760 году:

«…сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому…»

Это краткий фрагмент авторского текста Ломоносова; источник — Полное собрание сочинений, том 3, с. 383. Его исторический общий принцип не следует подменять современной формулировкой закона сохранения энергии. Письмо 1748 года также нельзя описывать как результат опытов, проведённых позже.

Важную роль в развитии количественной химии сыграли работы А. Лавуазье. В «Начальном курсе химии» 1789 года он рассматривал равенство количества материи и элементного состава до и после превращения как основу анализа. Современное учебное объяснение опирается на атомное строение и полный учёт реагентов и продуктов.

Частые ошибки

  • Забывать газ, который поступил из воздуха или ушёл из сосуда.
  • Сравнивать массу одного реагента с массой всех продуктов.
  • Считать, что все первоначально взятые вещества обязательно израсходовались.
  • Требовать сохранения объёма или числа молекул вместо массы.
  • По одному лишь массовому балансу пытаться установить неизвестную формулу продукта.

Проверьте себя

  1. Полностью прореагировали 5,6 г Fe и 3,2 г S. Получился только FeS. Какова его масса?
  2. Закрытая по веществу система с сосудом имела массу 152,6 г. Внутри прошла реакция с выделением газа, утечки нет. Какова общая масса после реакции в школьном приближении?
  3. Масса открытой системы уменьшилась со 100,0 до 97,8 г. Поступления веществ не было; единственным покинувшим её веществом был CO2. Какова масса газа?
  4. 6,4 г меди полностью превратились в 8,0 г CuO при взаимодействии с кислородом. Сколько кислорода израсходовалось?
  5. В уравнении образования воды три молекулы реагентов превращаются в две молекулы продукта. Нарушает ли это закон сохранения массы?

Ответы и объяснения

  1. Все реагенты вошли в единственный продукт:

    m(FeS) = 5,6 г + 3,2 г = 8,8 г.

  2. 152,6 г. Газ остался частью взвешиваемой системы; изменение агрегатного состояния или образование газа не делает его невесомым.
  3. Потеря массы равна массе вышедшего газа, поскольку других поступлений и потерь нет:

    m(CO2) = 100,0 г − 97,8 г = 2,2 г.

  4. Разность масс оксида и металла равна массе присоединившегося кислорода:

    m(O2) = 8,0 г − 6,4 г = 1,6 г.

  5. Нет. Сохранились четыре атома водорода и два атома кислорода. Число молекул не обязано сохраняться.

Связанные темы

Повторите атомно-молекулярную теорию. Далее изучите химические уравнения и расчёты по уравнениям.

Источники

Современная учебная трактовка: OpenStax о сохранении массы и атомной теории и ACS о сохранении атомов при реакции. Исторические первоисточники: письмо Ломоносова Эйлеру, 1748 и Elements of Chemistry Лавуазье, английский перевод 1790 года, часть I, глава XIII.