§ 13. Закон М.В. Ломоносова

Определения и обозначения

Закон сохранения массы веществ утверждает: в химической реакции общая масса реагирующих веществ равна общей массе образовавшихся веществ. Иначе говоря, сумма масс до превращения совпадает с суммой масс после него. Закон нужен, чтобы проверять расчёты и находить неизвестную массу.

Химическая реакция — превращение одних веществ в другие. Исходные вещества меняют состав и строение, а вместо них образуются новые вещества. Закон относится не к одному выбранному веществу, а к суммарной массе всех участников превращения.

Реагенты — вещества, которые вступают в химическую реакцию. Их массы учитывают до начала превращения, включая вещества, которые могут быть газами или жидкостями. Это помогает не пропустить часть общей массы.

Продукты реакции — вещества, которые образуются в результате химической реакции. Их суммарную массу сравнивают с общей массой реагентов. Если продуктов несколько, нужно учесть каждый из них, а не только самый заметный.

Как это устроено

М. В. Ломоносов проводил опыты, в которых нагревал вещества в запаянных стеклянных сосудах, а затем сравнивал массу сосуда с содержимым до и после нагревания. Сосуд при этом оставался закрытым, поэтому ничто не могло незаметно улететь или попасть внутрь. Масса всей системы не менялась, хотя внутри происходило превращение веществ. Такие наблюдения позволили учёному сделать вывод о постоянстве общей массы при химических превращениях.

Чтобы проверить закон, нужно сравнивать всю массу до реакции со всей массой после неё. Если взвесить только один реагент и один продукт, остальные вещества останутся за пределами сравнения и результат будет неполным. Например, при реакции металл соединяется с кислородом из воздуха: масса полученного соединения больше массы исходного металла, потому что к нему добавилась масса кислорода. Это не противоречит закону — надо учесть оба реагента.

При реакции вещества не исчезают бесследно: их частицы участвуют в образовании новых веществ. Меняется то, как частицы соединены и как устроены продукты, поэтому меняются свойства и внешний вид. Однако масса всех веществ в системе сохраняется. Так объясняется, почему превращение исходных веществ в новые не означает потери массы.

Закрытый сосуд нужен, чтобы границы системы оставались неизменными во время опыта. В открытом сосуде газ может выйти в воздух, а газ из воздуха, наоборот, может вступить в реакцию. Тогда весы покажут массу только того, что осталось внутри или на чаше, а сравнение будет учитывать не все вещества. Закрытая система позволяет измерить массу участников реакции вместе.

Если для реакции взяли 12 г магния и 8 г кислорода, общая масса реагентов составляет 20 г. По закону масса продукта тоже равна 20 г, если учтены все вещества. В задачах это равенство позволяет сложить массы реагентов или вычесть известные массы продуктов из общей. При работе с уравнением реакции закон также помогает правильно соотнести количество частиц и веществ.

Сравнение массы веществ до и после химической реакции

Пользуйся таблицей как памяткой: сначала установи, какие вещества входят в систему, затем перечисли их до и после реакции. Отдельно проверь, не образовался ли газ и не остался ли он вне учёта. Сравнивать нужно суммы, а не массы отдельных веществ.

Разбор задач

Задача 1. При реакции 12 г магния с кислородом образовалось соединение магния. Масса израсходованного кислорода — 8 г. Найдите массу продукта реакции. Продукт один, поэтому его масса должна быть равна суммарной массе обоих реагентов.

1. Запишем массы реагентов: магния — 12 г, кислорода — 8 г. Обе массы участвуют в образовании продукта, поэтому ни одну нельзя пропустить.
2. Сложим массы: 12 г + 8 г = 20 г. Это общая масса реагентов.
3. По закону сохранения массы масса продукта равна 20 г. Ответ: 20 г.

Задача 2. При разложении вещества массой 25 г образовались два продукта. Масса одного продукта — 9 г. Найдите массу второго. Исходное вещество полностью превратилось в продукты, поэтому общая масса продуктов равна 25 г.

1. Обозначим неизвестную массу второго продукта, но для вычисления достаточно знать общую массу продуктов и массу первого.
2. Вычтем массу известного продукта из общей: 25 г − 9 г = 16 г. Разность приходится на второй продукт.
3. Проверим сложением: 9 г + 16 г = 25 г. Ответ: масса второго продукта — 16 г.

Задача 3. В закрытом сосуде общая масса веществ до реакции равна 150 г. После реакции обнаружили твёрдый продукт массой 92 г и газообразный продукт массой 41 г. Найдите массу оставшегося продукта. Поскольку сосуд закрыт, общую массу всех продуктов можно сопоставить с массой до реакции.

1. Общая масса продуктов должна составлять 150 г. Уже известны две части: 92 г твёрдого продукта и 41 г газа.
2. Сложим известные массы: 92 г + 41 г = 133 г. Вычтем их из общей массы: 150 г − 133 г = 17 г.
3. Проверим: 92 г + 41 г + 17 г = 150 г. Ответ: масса оставшегося продукта — 17 г.

Типичные ошибки

Ошибка — сравнивать только один реагент и один продукт. Так поступают, когда сосредотачиваются на главном веществе и забывают об остальных участниках реакции. Закон относится к сумме масс, поэтому нужно выписать все реагенты и все продукты. Проверь себя: перечень веществ до реакции и после неё должен быть полным.

Ошибка — считать, что масса уменьшилась, если из открытого сосуда вышел газ. Газ покинул систему измерения, поэтому весы его больше не учитывают. Само вещество не исчезло, а оказалось за пределами сосуда. Для проверки уточни, закрыт ли сосуд и где находится газ после реакции.

Ошибка — принимать изменение внешнего вида или агрегатного состояния за изменение общей массы. Иногда вещество меняет цвет, становится газом или образует осадок, и это кажется потерей или прибавлением вещества. Но внешний вид не показывает, изменилась ли сумма масс. Проверь, учтены ли все вещества до и после превращения.

Ошибка — не учитывать газообразные вещества. Газы часто невидимы, поэтому их легко не включить в расчёт. Однако невидимость не означает отсутствия массы. Спроси себя, есть ли среди реагентов или продуктов газ, и обязательно включи его массу в сумму.

Связь с другими темами

Перед изучением закона нужно понимать, что такое химическая реакция, реагенты и продукты реакции. Эти понятия помогают определить, какие именно вещества надо сравнивать до и после превращения. Если перепутать исходные вещества с образовавшимися, расчёт по закону будет построен неправильно.

Закон сохранения массы связан с составлением уравнений химических реакций и расстановкой коэффициентов. Число частиц каждого элемента слева и справа должно соответствовать превращению без потери вещества. Поэтому закон помогает проверять, правильно ли уравнена реакция.

На основе закона решают расчётные задачи по химическим уравнениям. Если известны массы одних веществ, по равенству общей массы можно найти неизвестную массу другого вещества. Главное условие — учитывать все реагенты и продукты, в том числе газы.

Что запомнить

• При химической реакции общая масса веществ сохраняется.
• Суммарная масса реагентов равна суммарной массе продуктов.
• Сравнивать нужно все вещества до реакции и все вещества после неё.
• Газы обладают массой и должны учитываться в опытах и расчётах.
• В закрытой системе вещества не покидают границы наблюдения.
• Кажущееся изменение массы в открытом сосуде может быть связано с выходом или поступлением газа.