"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Законы сохранения массы и энергии объясняют, что происходит с веществами и энергией во время химической реакции. Атомы исходных веществ не исчезают и не возникают, а лишь соединяются по-новому, поэтому в закрытой системе общая масса сохраняется. Энергия также не пропадает: она переходит между веществами и окружающей средой, например превращается в теплоту. Эти законы нужны для составления уравнений реакций и расчётов по ним.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Закон сохранения массы веществ утверждает: масса исходных веществ в химической реакции равна массе образовавшихся веществ. Это справедливо, если учтены все участники реакции и ничего не покинуло систему. Закон помогает находить неизвестную массу и проверять правильность расчётов.
Закон сохранения энергии означает, что энергия не возникает и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. При реакции она может выделяться в виде теплоты или поглощаться из окружающей среды. Поэтому изменение температуры не означает исчезновения энергии.
Система веществ — это вещества и тела, которые рассматривают вместе при наблюдении за процессом. Для проверки сохранения массы нужно учитывать твёрдые, жидкие и газообразные вещества, даже если газ невидим. Иначе масса части системы окажется за пределами измерения.
Химическая реакция — превращение исходных веществ в новые вещества с другими свойствами. Во время реакции атомы сохраняются, но соединяются в новом порядке. Поэтому изменяется состав веществ, а общее количество атомов каждого элемента остаётся прежним.
Например, при образовании воды атомы водорода и кислорода не исчезают: они объединяются в молекулы нового вещества. Из двух молекул водорода и одной молекулы кислорода образуются две молекулы воды: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Такое перераспределение объясняет, почему число атомов каждого элемента до и после реакции одинаково.
Уравнение реакции уравнивают коэффициентами перед формулами, потому что одна и та же частица не может содержать разное число атомов до и после превращения. В записи 2H₂ + O₂ → 2H₂O слева и справа по четыре атома водорода и по два атома кислорода. Равное число атомов связано с равенством масс: атомы имеют массу, а новые атомы при реакции не создаются.
Если реакцию проводят в закрытом сосуде, ни одно вещество не может выйти наружу или попасть внутрь. Взвешивают сосуд вместе с его содержимым до начала опыта и после завершения реакции. Показания будут одинаковыми, хотя внутри образуются новые вещества и могут измениться цвет, запах или агрегатное состояние.
В открытом сосуде измеренная масса содержимого иногда уменьшается, когда газ улетает в воздух, или увеличивается, когда вещество поглощает газ из воздуха. Это изменение относится только к выбранной части системы — содержимому сосуда. Если добавить к ней вышедший или поступивший газ, общий баланс масс восстановится.
Химическая реакция сопровождается энергетическими изменениями, потому что связи между атомами разрушаются и образуются заново. При одних реакциях теплота выделяется и окружающие тела нагреваются, при других теплота поглощается и они охлаждаются. В обоих случаях энергия не исчезает, а передаётся между веществами и окружающей средой.
| Что сравнивается | Закон сохранения массы | Закон сохранения энергии |
|---|---|---|
| Что сохраняется | Общая масса веществ в системе | Общее количество энергии |
| Как проявляется при химической реакции | Масса исходных веществ равна массе продуктов | Энергия выделяется или поглощается, переходя в другую форму |
| Какие условия важно учитывать | Нужно включить все вещества, особенно газы | Нужно учитывать вещества и окружающую среду, между которыми передаётся энергия |
| Пример превращения | Смешали вещества массой 24 г — после реакции система имеет массу 24 г | Теплота реакции передалась окружающей среде |
Сначала определите, что именно сохраняется и какую систему рассматривают. Затем проверьте, не вышел ли газ и не поступило ли вещество извне. В задачах на массу используйте равенство масс, а при объяснении теплового эффекта указывайте направление перехода энергии.
Задача 1. В закрытом сосуде смешали вещества общей массой 24 г. Нужно найти массу содержимого после реакции. Закрытый сосуд означает, что ни одно вещество не покинуло систему.
Ответ: масса содержимого после реакции равна 24 г. Состав веществ изменился, но их общая масса осталась прежней.
Задача 2. При реакции 12 г углерода с кислородом образовалось 44 г углекислого газа. Найдём массу израсходованного кислорода. В продукт вошли атомы и углерода, и кислорода, поэтому учитываем оба исходных вещества.
Ответ: израсходовано 32 г кислорода. Проверка: 12 г + 32 г = 44 г.
Задача 3. В открытом сосуде масса содержимого уменьшилась. Нужно понять, нарушен ли закон сохранения массы. Само по себе уменьшение показаний ещё ничего не доказывает, потому что часть вещества могла перейти в воздух.
Ответ: закон сохранения массы не нарушен. Изменились границы измеряемой системы, а выделение теплоты при реакции также означает переход энергии, а не её исчезновение.
Считать, что при выделении газа масса исчезает. Так думают, потому что газ невидим и больше не попадает на весы. Проверьте себя: добавьте к массе содержимого массу вышедшего газа и рассмотрите всю систему.
Учитывать только твёрдые вещества. Газ может выделиться или прийти из воздуха, поэтому сравнение одних твёрдых веществ даёт неполный результат. Проверьте, участвовали ли в реакции воздух, пары или другие газы.
Путать сохранение массы с неизменностью состава. Вещества превращаются в новые, хотя атомы сохраняются. Проверьте уравнение: число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать, а формулы веществ могут быть разными.
Считать выделение теплоты нарушением закона энергии. Нагрев показывает, что энергия перешла к окружающим телам, а не исчезла. Для проверки укажите, откуда энергия ушла и куда поступила.
Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из атомов, а химическая реакция приводит к образованию новых веществ. Без этого трудно объяснить перегруппировку атомов и сохранение их числа.
Тема связана с составлением и уравниванием химических уравнений. Коэффициенты перед формулами показывают такое соотношение частиц, при котором число атомов каждого элемента сохраняется.
Законы нужны при расчётах по уравнениям реакций и при изучении тепловых эффектов. По ним находят массы веществ и объясняют выделение или поглощение теплоты.
Почему при химической реакции масса веществ не меняется?
При реакции атомы не исчезают и не появляются, а только перегруппировываются. Поэтому в закрытой системе сохраняется общее число атомов каждого элемента и общая масса веществ.
Куда исчезает масса, если из сосуда выделился газ?
Она не исчезает, а выходит из сосуда и перестаёт входить в массу его содержимого. Если учитывать сосуд, все вещества и выделившийся газ, масса всей системы сохранится.
Почему уравнение химической реакции нужно уравнивать?
Коэффициенты перед формулами показывают, сколько частиц или молей веществ участвует в реакции. Их подбирают так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа было одинаковым.
Как закон сохранения энергии проявляется при химической реакции?
При реакции энергия может выделяться или поглощаться, например в виде теплоты. При этом она не возникает из ничего и не исчезает, а переходит от одних веществ к другим или в окружающую среду.
Может ли масса продуктов реакции оказаться больше массы одного исходного вещества?
Да, если в реакции участвует ещё одно вещество, например кислород из воздуха. Масса всех продуктов равна суммарной массе всех исходных веществ в рассматриваемой системе.
§ 18. Законы сохранения массы и энергии
