"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Закон сохранения массы объясняет, почему общая масса веществ при химической реакции не меняется: атомы не исчезают, а переходят из одних веществ в другие. Уравнение реакции записывает этот процесс формулами и показывает соотношение частиц или молей реагентов и продуктов. Чтобы составить его правильно, нужно подсчитать атомы каждого элемента по обе стороны и подобрать коэффициенты, не меняя индексы в формулах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон сохранения массы веществ утверждает: в химической реакции суммарная масса исходных веществ равна суммарной массе продуктов. Исходные вещества называют реагентами, а вещества, которые образуются, — продуктами. Закон помогает понять, почему при составлении уравнения нужно учитывать все атомы, участвующие в реакции.
Уравнение химической реакции — это запись реакции с помощью химических формул и знака реакции →. Слева от стрелки записывают реагенты, справа — продукты. Такая запись нужна не только для обозначения превращения: правильно составленное уравнение показывает количественное соотношение веществ.
Коэффициент — число перед химической формулой. Оно показывает количество частиц или молей вещества и используется, чтобы уравнять число атомов элементов по обе стороны уравнения. Например, коэффициент 2 перед H₂O означает две частицы воды или два моля воды и относится ко всей формуле.
Индекс — маленькая цифра справа внизу от символа элемента; она показывает число атомов этого элемента в частице. В H₂O индекс 2 относится к водороду, а у кислорода индекс не написан, значит, его атом один. Коэффициент меняет количество частиц, а индекс задаёт состав каждой частицы, поэтому эти обозначения нельзя путать.
Во время реакции атомы не пропадают и не возникают заново: меняются связи между ними, и атомы объединяются в другие частицы. Поэтому атомов каждого элемента до и после превращения остаётся одинаковое число. Масса связана с количеством этих атомов, так что их сохранение объясняет сохранение общей массы вещества в реакции.
Чтобы сравнение масс было честным, нужно учитывать все вещества в системе. В закрытом сосуде ни реагенты, ни продукты не покидают его, поэтому суммарная масса до реакции равна суммарной массе после неё. Если реакция идёт в открытом сосуде и выделяется газ, газ может улететь: тогда весы покажут меньшую массу оставшегося содержимого, хотя масса всех продуктов, включая улетевший газ, не исчезла.
Сначала реакцию описывают словами: называют исходные вещества и то, что получилось. Затем слова заменяют химическими формулами и записывают реагенты слева от стрелки, продукты — справа; получается схема реакции. Чтобы схема стала уравнением, подсчитывают атомы каждого элемента с обеих сторон и добавляют коэффициенты, пока числа не совпадут. Формулы при этом должны правильно обозначать вещества, участвующие в превращении.
Для проверки удобно составить небольшой подсчёт по элементам. Число атомов в формуле умножают на коэффициент: если перед формулой коэффициента нет, считают, что он равен единице. Затем сравнивают результаты отдельно для каждого элемента слева и справа; если хотя бы одно число отличается, нужно продолжить подбор коэффициентов. После изменения коэффициента подсчёт проводят заново, потому что он влияет на все атомы формулы.
Таблица показывает, как проверить уже уравненное превращение водорода и кислорода в воду. Сначала считаем атомы в каждой формуле, затем умножаем их на стоящие перед формулами коэффициенты. Если число атомов каждого элемента совпало, уравнение удовлетворяет закону сохранения массы.
| Элемент | Число атомов слева | Число атомов справа |
|---|---|---|
| Водород | 4 | 4 |
| Кислород | 2 | 2 |
| Вывод | Уравнение составлено правильно: число атомов каждого элемента сохранено. | |
Задача 1. Расставить коэффициенты в схеме Mg + O₂ → MgO. Слева кислород входит в молекулу O₂ и его атомов два, а справа в каждой формуле MgO — один. Поэтому сначала ставим коэффициент 2 перед MgO, чтобы справа тоже было два атома кислорода. Теперь справа два атома магния, значит, перед Mg слева также нужен коэффициент 2.
Задача 2. Расставить коэффициенты в схеме Al + O₂ → Al₂O₃ и проверить результат. В O₂ кислорода два атома, а в Al₂O₃ — три. Чтобы сравнять их, удобно получить по шесть атомов кислорода: поставить 3 перед O₂ и 2 перед Al₂O₃. Теперь справа 4 атома алюминия, поэтому ставим 4 перед Al.
Задача 3. Расставить коэффициенты в схеме C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O. Удобно идти по порядку: сначала углерод, потом водород, а кислород оставить напоследок. Три атома углерода требуют 3CO₂, а восемь атомов водорода — 4H₂O. В продуктах теперь десять атомов кислорода, значит, нужны 5 молекул O₂.
Меняют индекс вместо коэффициента. Так поступают, когда пытаются быстро получить нужное число атомов, но изменение индекса задаёт другое вещество. Чтобы проверить себя, убедитесь, что формулы реагентов и продуктов не изменились: для уравнивания добавляют числа только перед ними.
Учитывают коэффициент только для первого элемента в формуле. Например, в 2H₂O коэффициент умножает и число атомов водорода, и число атомов кислорода. Ошибка возникает, если коэффициент мысленно относят лишь к символу H; проверка проста: умножайте на него число атомов каждого элемента во всей формуле.
Проверяют только один элемент. Совпадение числа атомов кислорода не гарантирует, что совпало число атомов водорода или металла. Такая ошибка появляется, когда проверку прекращают после первого удачного подсчёта. Перечислите все элементы уравнения и сравните их по очереди слева и справа.
Считают, что при выделении газа масса продуктов обязательно меньше. Так кажется, если взвешивают только содержимое открытого сосуда и не учитывают улетевший газ. Сначала выясните, закрыта ли система и входят ли в измерение все продукты реакции. В закрытом сосуде газ остаётся внутри, поэтому общая масса не меняется.
Чтобы составлять и проверять уравнения, нужно уметь читать химические формулы: находить символы элементов и считать атомы с учётом индексов. Это связывает тему с изучением состава веществ и химических формул. Закон сохранения массы служит основой для расчётов по уравнениям реакций: коэффициенты задают соотношение частиц и молей веществ. Позже это поможет определять, сколько вещества нужно для реакции и сколько продукта может образоваться.
Почему масса веществ сохраняется, если во время реакции выделяется газ?
Если газ выходит из открытого сосуда, его масса уже не входит в массу того, что осталось в сосуде, поэтому измеренная масса может уменьшиться. В замкнутой системе газ остаётся внутри, и общая масса всех веществ сохраняется.
Чем уравнение химической реакции отличается от схемы реакции?
Схема показывает формулы реагентов и продуктов, но число атомов по сторонам может не совпадать. В уравнении расставлены коэффициенты, поэтому оно соблюдает закон сохранения массы и передаёт количественное соотношение веществ.
Почему нельзя менять индексы в формулах при уравнивании?
Индекс задаёт состав частицы, поэтому его изменение превращает формулу в формулу другого вещества. При уравнивании нужно менять количество частиц вещества, а это делают коэффициентом перед формулой.
Как учитывать индекс, если перед формулой стоит коэффициент?
Коэффициент умножает число атомов каждого элемента в формуле. Например, в 2H₂O содержатся 4 атома водорода и 2 атома кислорода: коэффициент 2 умножает и индекс H, и подразумеваемое число атомов O, равное 1.
С какого элемента лучше начинать расстановку коэффициентов?
Часто начинают с элемента, который входит в состав одного вещества слева и одного справа. В реакциях горения обычно сначала уравнивают углерод и водород, а кислород — последним, поскольку он может входить сразу в несколько веществ.
§ 12. Закон сохранения массы веществ. Уравнения химических реакций
