§ 12. Закон сохранения массы веществ. Уравнения химических реакций

Определения и обозначения

Закон сохранения массы веществ утверждает: в химической реакции масса исходных веществ равна массе образовавшихся веществ, если система закрыта. Закрытой называют систему, из которой вещества не выходят и в которую не попадают извне. Этот закон позволяет проверять результаты опытов и решать задачи на массу веществ.

Химическое уравнение — запись реакции с помощью формул веществ и стрелки →. Слева записывают исходные вещества, а справа — те, которые образовались. Уравнение нужно, чтобы кратко показать ход реакции и соотношение частиц веществ.

Коэффициент — число перед формулой вещества, показывающее количество его частиц в уравнении. Например, 2H₂ означает две молекулы водорода, причём коэффициент относится ко всей формуле. Коэффициенты подбирают при уравнивании реакции, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

Индекс — маленькое число в формуле, показывающее, сколько атомов данного элемента входит в частицу вещества. В H₂ указано два атома водорода в одной молекуле. Индекс нельзя менять при уравнивании: он является частью формулы и задаёт состав вещества.

Как это устроено

Во время химической реакции одни вещества превращаются в другие, но атомы, из которых они состоят, сохраняются. Связи между атомами могут разрушаться и образовываться заново, поэтому меняется их сочетание, а не сами атомы. Значит, до и после реакции должно быть одинаковое число атомов каждого элемента. Это правило лежит в основе составления химических уравнений.

Масса реагентов равна массе продуктов потому, что в продуктах оказываются те же атомы, что были в исходных веществах. Общая масса этих атомов не меняется при их перегруппировке. Для проверки нужно учитывать всю систему: если газ улетучился из открытого сосуда, его масса не исчезла, а оказалась за пределами сосуда. Если учитывать только содержимое сосуда, измеренная масса может стать меньше.

Чтобы превратить описание реакции в схему, сначала определяют формулы всех участвующих веществ. Формулы реагентов записывают слева, а формулы продуктов — справа от стрелки, которая обозначает превращение. Например, если водород реагирует с кислородом с образованием воды, схема будет H₂ + O₂ → H₂O. Пока это только схема: число атомов кислорода слева и справа в ней не совпадает.

Схему уравнивают, подсчитывая атомы каждого элемента отдельно слева и справа. Затем перед формулами ставят коэффициенты, чтобы выровнять число атомов, не меняя сами формулы. Сначала удобно уравнять элемент, который встречается в меньшем числе формул, а потом проверить остальные. Индексы не трогают, потому что изменение индекса означало бы замену одного вещества другим.

Коэффициент умножает число всех атомов в формуле, перед которой он стоит. Поэтому в записи 2H₂O содержатся четыре атома водорода и два атома кислорода: коэффициент 2 умножает и индекс водорода, и подразумеваемое число 1 у кислорода. После расстановки коэффициентов нужно заново пересчитать атомы каждого элемента по обе стороны. Если количества совпали, уравнение уравнено.

Как читать уравнение химической реакции

Читай уравнение слева направо: сначала найди реагенты, затем стрелку и продукты. После этого проверь коэффициенты и индексы: первые относятся к количеству частиц, вторые задают состав вещества. Такая проверка помогает не перепутать число молекул с числом атомов в одной молекуле.

Разбор задач

Задача 1. Расставьте коэффициенты в схеме H₂ + O₂ → H₂O.

1. Считаем атомы кислорода: слева их два, а справа в одной молекуле воды — один. Ставим перед H₂O коэффициент 2, чтобы справа стало два атома кислорода.
2. Теперь справа четыре атома водорода, поэтому перед H₂ ставим коэффициент 2. Получаем равное число атомов водорода и кислорода с обеих сторон.
3. Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Задача 2. В закрытом сосуде прореагировали 12 г углерода и 32 г кислорода. Какова масса образовавшегося углекислого газа?

1. Сосуд закрыт, поэтому продукты реакции не покидают систему. По закону сохранения массы масса продукта равна суммарной массе реагентов.
2. Складываем массы исходных веществ: 12 г + 32 г = 44 г. Предполагается, что углерод и кислород полностью прореагировали и образовался только углекислый газ.
3. Ответ: масса углекислого газа равна 44 г.

Задача 3. Составьте и уравняйте уравнение реакции алюминия с кислородом с образованием оксида алюминия.

1. Записываем формулы веществ: алюминий — Al, кислород — O₂, оксид алюминия — Al₂O₃. Получаем схему Al + O₂ → Al₂O₃.
2. В оксиде алюминия три атома кислорода, а кислород слева входит в пары. Подбираем коэффициенты, чтобы общее число атомов кислорода с обеих сторон стало равным: 3O₂ даёт шесть атомов, а 2Al₂O₃ — тоже шесть.
3. В двух формулах Al₂O₃ содержится четыре атома алюминия, значит, слева ставим 4 перед Al. Ответ: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃; с обеих сторон по четыре атома Al и по шесть атомов O.

Типичные ошибки

Менять индексы в формулах. Так пытаются быстро сделать число атомов одинаковым, но вместо количества частиц меняют состав вещества. Ошибку допускают, если не различают индекс и коэффициент. Проверь себя: формулы исходных веществ и продуктов должны оставаться прежними, а менять можно только числа перед ними.

Считать, что коэффициент относится только к ближайшему элементу. Например, 2H₂O содержит не четыре атома водорода и один кислорода, а четыре атома водорода и два кислорода. Путаница возникает, когда коэффициент принимают за индекс. Для проверки умножь коэффициентом число каждого атома, указанное во всей формуле.

Не учитывать газ, вышедший из открытого сосуда. Тогда кажется, что масса нарушилась, хотя измеряли лишь то, что осталось внутри. Причина — в границах системы: часть вещества оказалась вне сосуда. Проверь рассуждение, включив в учёт и выделившийся газ, или используй закрытый сосуд.

Не проверять уравнение после расстановки коэффициентов. Даже если подбор кажется очевидным, один коэффициент может изменить число сразу нескольких элементов. Ошибку допускают, когда прекращают считать после выравнивания первого элемента. Пересчитай атомы каждого элемента слева и справа: все пары чисел должны совпасть.

Связь с другими темами

Для чтения уравнений нужны знания о химических элементах и формулах веществ: важно понимать, какой элемент обозначает символ и сколько атомов указано индексом. Навык подсчёта атомов помогает проверить коэффициенты и увидеть смысл закона сохранения массы. Позже уравнения понадобятся при изучении типов химических реакций и расчётов по уравнениям. Эти расчёты опираются на коэффициенты, показывающие соотношение частиц реагентов и продуктов.

Что запомнить

• Масса реагентов равна массе продуктов реакции в закрытой системе.
• В реакции атомы перегруппировываются, но не исчезают и не возникают.
• В уравнении реагенты записывают слева от стрелки, продукты — справа.
• Уравнение должно сохранять число атомов каждого элемента.
• Для уравнивания изменяют коэффициенты, а не индексы.
• Коэффициент перед формулой относится ко всем атомам в ней.