§ 5. Основные законы химии. Закон постоянства состава вещества. Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы веществ

Закон сохранения массы веществ позволяет вычислять массы веществ, вступающих в реакцию или образующихся в результате её протекания.

Напомним, что процесс превращения одних веществ в другие без изменения общего числа и природы атомов, из которых эти вещества состоят, называют химической реакцией. Вступающие в химическую реакцию вещества — это реагенты, а образующиеся в результате химической реакции вещества — это продукты.

Протекание химических реакций подчиняется закону сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

Действие закона можно показать на следующем примере. Если закрытую колбу с небольшим количеством фосфора взвесить, а затем нагреть, то фосфор загорается ярким пламенем, а колба наполняется белым дымом. Повторное взвешивание показывает, что общая масса колбы с содержимым не изменилась (рис. 10).

Рис. 10. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы вещества
Рис. 10. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы вещества

С позиции атомно-молекулярного учения закон можно объяснить тем, что при химических реакциях атомы не исчезают и не возникают вновь, их общее число остаётся неизменным, а значит, и суммарные массы веществ до и после реакции одинаковы.

img

Большой вклад в экспериментальное доказательство закона сохранения массы веществ внесли опыты русского учёного М. В. Ломоносова и французского химика А. Лавуазье (2-я половина XVIII в.) по измерению массы исходных веществ и массы получаемых из них продуктов.

Покажем, как можно использовать закон сохранения массы веществ для количественных расчётов по уравнениям реакций на примере горения метана в кислороде с образованием воды и углекислого газа.

Схема этой реакции:

СН subscript 4 space plus space straight О subscript 2 space rightwards arrow space straight Н subscript 2 straight О space plus space СО subscript 2.

Перед формулами поставим коэффициенты, которые должны уравнять число атомов реагентов и продуктов:

СН subscript 4 space plus space 2 straight О subscript 2 space equals space 2 straight Н subscript 2 straight О space plus space СО subscript 2.

Это уравнение свидетельствует о том, что образование одной молекулы углекислого газа и двух молекул воды происходит, если одна молекула метана прореагирует с двумя молекулами кислорода. Коэффициенты показывают, в каком мольном соотношении реагируют вещества и образуются продукты. Так, из составленного уравнения реакции видно, что если в реакцию вступает 1 моль метана, то на его сжигание расходуется 2 моль кислорода, в результате образуются 2 моль воды и 1 моль углекислого газа.

С учётом этих количественных соотношений можно рассчитать массу (количество, объём) реагентов, необходимых для получения определённого количества продуктов, и наоборот — продуктов по исходным веществам.

Пример 2. Определите массу сульфата алюминия, образовавшегося при полном растворении алюминия массой 13,5 г в разбавленной серной кислоте.

Дано:

m(Аl) = 13,5 г

m(Al2(SО4)3) — ?

Решение

M(Al) = 27 г/моль; M(Al2(SO4)3) = 342 г/моль.

Количество алюминия, вступившего в химическую реакцию:

n left parenthesis Al right parenthesis equals fraction numerator m left parenthesis Al right parenthesis over denominator M left parenthesis Al right parenthesis end fraction equals fraction numerator 13 comma 5 space straight г over denominator 27 space straight г divided by моль end fraction equals 0 comma 5 space моль.

С учётом в уравнении реакции коэффициентов имеем:

stack 2 Al with 2 space моль below and 0 comma 5 space моль on top space plus space 3 straight H subscript 2 SО subscript 4 space equals space stack Al subscript 2 left parenthesis SO subscript 4 right parenthesis subscript 3 with 1 space моль below and x space моль on top space plus space 3 straight H subscript 2 upwards arrow comma

откуда

x equals fraction numerator 1 space times space 0 comma 5 over denominator 2 end fraction space equals space 0 comma 25, то есть n(Al2(SO4)3) = 0,25 моль. 

Масса соли:

m(Al2(SO4)3) = n(Al2(SO4)3) ∙ M(Al2(SO4)3) = 0,25 моль ∙ 342 г/моль = 85,5 г.

Ответ: m(Al2(SO4)3) = 85,5 г.

Пример 3. При горении магния массой 1,2 г образовался его оксид массой 2 г. Определите объём кислорода (н. у.), израсходованного на горение магния.

Решить такую задачу можно как с помощью уравнения реакции, так и без него. Рассмотрим второй способ.

Дано:

m(Mg) = 1,2 г

m(MgO) = 2 г

V(O2) — ?

Решение

Согласно закону сохранения массы веществ, масса образовавшихся веществ равна массе веществ, вступивших в химическую реакцию:

m left parenthesis Mg right parenthesis space plus space m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space m left parenthesis MgO right parenthesis.

Поэтому масса кислорода равна:

m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space m left parenthesis MgO right parenthesis space – space m left parenthesis Mg right parenthesis space equals space 2 space straight г space – space 1 comma 2 space straight г space equals space 0 comma 8 space straight г comma

а его количество составляет:

n left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space fraction numerator m left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis over denominator M left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis end fraction space equals space fraction numerator 0 comma 8 space straight г over denominator 32 space straight г divided by моль end fraction space equals space 0 comma 025 space моль.

Объём кислорода равен:

V left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space equals space n left parenthesis straight O subscript 2 right parenthesis space times space V subscript m italic space equals space 0 comma 025 space моль space times space 22 comma 4 space дм cubed divided by моль space equals space 0 comma 56 space дм cubed.

Ответ: V(O2) = 0,56 дм3.