Закон сохранения массы и энергии

После доказательства существования атомов и молекул важнейшим открытием атомно-молекулярной теории стал закон сохранения массы, который был сформулирован в виде философской концепции великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765) в 1748 г. и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г. и независимо от него французским химиком А.Л.Лавуазье в 1789 г.

Масса всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль о том, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества.

Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция происходила. После того, как сосуд был вскрыт, туда устремлялся воздух, и масса сосуда увеличивалась. Таким образом, при аккуратном измерении массы всех участников реакции выясняется, что масса веществ при химической реакции сохраняется. Закон сохранения массы имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется, и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется.

Закон сохранения массы является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия - это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую.

Одной из форм энергии является так называемая энергия покоя, которая связана с массой соотношением Эйнштейна

Е0 = m0•с2,

где с - скорость света в вакууме (с = 3•108 м/с). Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот. Именно это и происходит во всех ядерных реакциях, и поэтому закон сохранения массы в ядерных процессах нарушается. Однако, закон сохранения энергии остается справедливым и в этом случае, если учитывать энергию покоя.

В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергия, очень мало. Типичный тепловой эффект химической реакции по порядку величины равен 100 кДж/моль. Посчитаем, как при этом изменяется масса:

∆m = ∆E/с2 = 105 / (3•108)2 ~ 10-12 кг/моль = 10-9г/моль.

Примеры решения задач

1.Определите массу иодида натрия NaI количеством вещества 0,6 моль.

Дано: ν(NaI)= 0,6 моль.

Найти: m(NaI) =?

Решение. Молярная масса иодида натрия составляет:

M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 г/моль

Определяем массу NaI:

m(NaI) = ν(NaI)•M(NaI) = 0,6 • 150 = 90 г.

Ответ: 90 г.

2.Определите количество вещества атомного бора, содержащегося в тетраборате натрия Na₂B₄O₇ массой 40,4 г.

Дано: m(Na₂B₄O₇)=40,4 г.

Найти: ν(B)=?

Решение. Молярная масса тетрабората натрия составляет 202 г/моль. Определяем количество вещества Na₂B₄O₇:

ν(Na₂B₄O₇)= m(Na₂B₄O₇)/ М( Na₂B₄O₇) = 40,4/202=0,2 моль.

Вспомним, что 1 моль молекулы тетрабората натрия содержит 2 моль атомов натрия, 4 моль атомов бора и 7 моль атомов кислорода (см. формулу тетрабората натрия). Тогда количество вещества атомного бора равно:

ν(B)= 4 • ν (Na₂B₄O₇)=4 • 0,2 = 0,8 моль.

Ответ: 0,8 моль

3.Какую массу фосфора надо сжечь для получения оксида фосфора (V) массой 7,1 г?

Дано: m(P₂O₅)=7,1 г.

Найти: m(Р) =?

Решение: записываем уравнение реакции горения фосфора и расставляем стехиометрические коэффициенты.

4P+ 5O₂ = 2P₂O₅

Определяем количество вещества P₂O₅, получившегося в реакции.

ν(P₂O₅) = m(P₂O₅)/ М(P₂O₅) = 7,1/142 = 0,05 моль.

Из уравнения реакции следует, что ν(P₂O₅)= 2•ν(P), следовательно, количество вещества фосфора, необходимого в реакции равно:

ν(P₂O₅)= 2•ν(P) = 2• 0,05= 0,1 моль.

Отсюда находим массу фосфора:

m(Р) = ν(Р) • М(Р) = 0,1• 31 = 3,1 г.

Ответ: 3,1 г.

4. Какая масса хлорида аммония образуется при взаимодействии хлороводорода массой 7,3 г с аммиаком массой 5,1 г? Какой газ останется в избытке? Определите массу избытка.

Дано: m(HCl)=7,3 г; m(NH₃)=5,1 г.

Найти: m(NH₄Cl) =? m(избытка) =?

Решение: записываем уравнение реакции.

HCl + NH₃ = NH₄Cl

Эта задача на «избыток» и «недостаток». Рассчитываем количества вещества хлороводорода и аммиака и определяем, какой газ находится в избытке.

масса химическая атом сохранение закон

ν(HCl) = m(HCl)/ М(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 моль;

ν(NH₃) = m(NH₃)/ М(NH₃) = 5,1/ 17 = 0,3 моль.

Аммиак находится в избытке, поэтому расчет ведем по недостатку, т.е. по хлороводороду. Из уравнения реакции следует, что ν(HCl) = ν(NH₄Cl) = 0,2 моль. Определяем массу хлорида аммония.

m(NH₄Cl) = ν(NH₄Cl) • М(NH₄Cl) = 0,2• 53,5 = 10,7 г.

Мы определили, что аммиак находится в избытке (по количеству вещества избыток составляет 0,1 моль). Рассчитаем массу избытка аммиака.

m(NH₃) = ν(NH₃) • М(NH₃) = 0,1• 17 = 1,7 г.

Ответ: 1,7 г.

5.Какая масса 12 моль нетрата алюминия?

Дано:ν(AL(NO3)3)= 12 моль

Найти: m (AL(NO3)3)=?

Решение:Mr(AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 г/моль

m=M* ν 213*12=2556г

Ответ: 2556г

6.сколько молей карбоната магния в 64г. Карбоната магния?

Дано:m(MgCo3)=64

Найти: ν(MgCo3)=?

Решение: Mr(MgCo3)=24+12+16*3=36+48=84 г/моль

ν =m/M64/84=0.76 моль

Ответ: 0.76 моль

7.Сколько молей в 420г. FeO?

Дано:m(FeO)=420г.

Найти: ν(FeO)=?

Решение: Mr(FeO)=56+16=72

ν =m/M420/72=5,8 моль

Ответ: 5,8 моль

8.Какова масса поваренной соли в 2,5 молях вещества?

Дано: ν(NaCl)=2,5 моль

Найти:m(NaCl)=?

Решение: Mr(NaCl)=23+35=58

m=M* ν 58*2,5=145г.

Ответ:145г.

9.Сколько молей в 250 г ZnO?

Дано:m(ZnO)=250г

Найти: ν(ZnO)=?

Решение: (ZnO)=65+16=81 г/моль

ν =m/M250/81=3

Ответ:3 моля

10.Определите массу иодида натрия NaI?