§ 19. Закон сохранения массы веществ

Определения и обозначения

Закон сохранения массы веществ — при химической реакции масса веществ не изменяется: масса исходных веществ равна массе продуктов реакции. Иначе говоря, нельзя получить вещества с общей массой больше или меньше той, с которой начали реакцию. Закон нужен для проверки записей реакций и решения задач на массу.

Исходные вещества — вещества, вступающие в химическую реакцию; их формулы записывают в левой части уравнения. Их также называют реагентами. По ним определяют, какие частицы участвуют в превращении и какая масса была до начала реакции.

Продукты реакции — вещества, образующиеся в ходе химической реакции; их формулы записывают в правой части уравнения. Они могут отличаться от исходных веществ по составу и свойствам. Учитывать нужно все продукты, даже если среди них есть газ или осадок.

Химическое уравнение — условная запись реакции с помощью формул веществ и коэффициентов, показывающих их количественное соотношение. Коэффициент ставят перед формулой, а индекс внутри формулы обозначает число атомов элемента в частице. Уравнение помогает кратко показать превращение и проверить сохранение числа атомов.

Как это устроено

Опыты показывают сохранение массы, если реакция проходит в закрытом сосуде. Сначала взвешивают сосуд с исходными веществами, затем проводят реакцию и взвешивают его снова, не открывая. Сосуд закрыт, поэтому ни один газообразный продукт не может покинуть систему, а внешние вещества не могут попасть внутрь. Одинаковые показания означают, что общая масса до и после реакции не изменилась.

Причина сохранения массы связана со строением вещества: оно состоит из атомов. Во время химической реакции атомы не превращаются в ничто и не появляются из ничего, а меняют порядок соединения. Например, атомы исходных веществ могут образовать частицы новых веществ. Поскольку состав атомов остаётся тем же, сохраняется и их общая масса.

Отсюда следует правило составления уравнений: атомов каждого химического элемента слева должно быть столько же, сколько справа. Если числа не совпадают, запись пока не отражает реакцию с сохранением всех атомов. Например, в записи H₂ + O₂ → H₂O слева два атома водорода и два кислорода, а справа — два водорода и один кислород. Значит, уравнение ещё не уравнено.

Чтобы уравнять реакцию, подбирают числа перед формулами — коэффициенты. В записи 2H₂ + O₂ → 2H₂O слева и справа по четыре атома водорода и по два атома кислорода. Индексы при этом оставляют прежними, потому что они задают состав вещества: изменение индекса в H₂O означало бы уже другую формулу. Коэффициент же показывает, сколько частиц данного вещества участвует в реакции.

В открытом сосуде измеряемая масса содержимого может уменьшиться, если образовался и улетел газ. Весы показывают только то, что осталось в сосуде, поэтому часть продуктов реакции не попадает в измерение. Если собрать и учесть вышедший газ, суммарная масса всех веществ до и после реакции окажется одинаковой. Значит, уменьшение показаний весов объясняется границами измерения, а не нарушением закона.

Как закон сохранения массы отражается в химическом уравнении

Сначала сравните элементы, которые есть в исходных веществах и продуктах, затем посчитайте атомы каждого элемента по формулам с учётом коэффициентов. Если числа совпали, уравнение согласуется с законом сохранения массы. При сравнении масс учитывайте все вещества, участвующие в реакции.

Разбор задач

Задача 1. В закрытом сосуде смешали 12 г вещества A и 8 г вещества B. Какова общая масса веществ после реакции? Сосуд закрыт, поэтому все вещества остаются внутри и могут быть учтены. Нужно найти суммарную массу исходных веществ.

1. Запишем массы веществ: m(A) = 12 г, m(B) = 8 г.
2. Сложим их: 12 г + 8 г = 20 г.
3. По закону сохранения массы общая масса продуктов равна массе исходных веществ.

Ответ: 20 г.

Задача 2. Уравняйте реакцию H₂ + O₂ → H₂O и укажите число атомов каждого элемента по обе стороны. Сначала посчитаем атомы: в левой части два атома H и два атома O, в правой — два атома H и один атом O. Кислорода не хватает, поэтому нужно изменить количество частиц воды и затем проверить водород.

1. Поставим коэффициент 2 перед H₂O: H₂ + O₂ → 2H₂O. Справа теперь четыре атома H и два атома O.
2. Чтобы получить четыре атома H слева, поставим коэффициент 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Проверим: слева четыре атома H и два атома O; справа тоже четыре атома H и два атома O. Индексы в формулах не менялись.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; по обе стороны находятся 4 атома водорода и 2 атома кислорода.

Задача 3. При реакции в открытом сосуде масса содержимого уменьшилась с 25 г до 21 г. Объясните изменение и определите массу выделившегося газа. Предположим, что газ вышел из сосуда и является единственным продуктом, который не остался на весах. Разность показаний показывает его массу.

1. Найдём разность: 25 г − 21 г = 4 г.
2. Эти 4 г не исчезли: столько вещества покинуло сосуд в виде газа.
3. С учётом газа общая масса продуктов равна 21 г + 4 г = 25 г, как и масса веществ до реакции.

Ответ: масса выделившегося газа — 4 г; закон сохранения массы соблюдается.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что сохраняется масса каждого отдельного вещества. При реакции исходные вещества превращаются в другие, поэтому сравнивают не отдельные вещества, а суммарную массу исходных веществ и продуктов. Проверка: сложите массы всех веществ до реакции и всех продуктов после неё.

• Ошибка — менять индексы, чтобы уравнять реакцию. Так изменяется состав формулы и получается другое вещество, хотя задача состоит в изменении количества частиц. Проверка: при уравнивании меняйте только коэффициенты перед формулами и пересчитывайте атомы.

• Ошибка — считать уменьшение массы в открытом сосуде нарушением закона. Часто забывают, что газ мог выйти и перестать учитываться весами. Проверьте, не образовался ли газ, и прибавьте его массу к массе содержимого сосуда.

• Ошибка — сравнивать массы, не учитывая все продукты, например газ или осадок. Из-за неполного учёта сумма может показаться меньше исходной. Проверьте, перечислены ли все образовавшиеся вещества и входят ли они в измеряемую массу.

Связь с другими темами

Чтобы понять закон, нужно знать, что вещества состоят из атомов, а химические реакции приводят к образованию новых веществ. Представление об атомах объясняет, почему в уравнении считают их число и не меняют индексы. Закон сохранения массы используют при составлении и проверке химических уравнений. Позже он поможет рассчитывать по уравнениям, сколько реагентов нужно и сколько продуктов получится.

Что запомнить

• Масса исходных веществ равна массе продуктов реакции.
• В химической реакции атомы перегруппировываются, но не исчезают и не возникают.
• Число атомов каждого элемента в уравнении реакции должно быть одинаковым слева и справа.
• Уравнения уравнивают коэффициентами, а не изменением индексов.
• Для проверки сохранения массы нужно учитывать все вещества реакции.
• Выход газа из открытого сосуда объясняет уменьшение измеренной массы его содержимого.