Массы веществ при химической реакции. Закон сохранения массы
Закон сохранения массы веществ один из важнейших законов химии. Его открыл М. В. Ломоносов, а позже экспериментально подтвердил А. Лавуазье. Так в чем же состоит суть этого закона?
История
Закон сохранения массы веществ впервые сформулировал М. В. Ломоносов в 1748 году, а экспериментально подтвердил его на примере обжига металлов в запаянных сосудах в 1756 году. Закон сохранения массы веществ Ломоносов связывал с законом сохранения энергии (количества движения). Он рассматривал эти законы в единстве как всеобщий закон природы.
Рис. 1. М. В. Ломоносов.
Но еще до Ломоносова более 20 веков назад древнегреческий ученый Демокрит предполагал, что все живое и неживое состоит из незримых частиц. позже в XVII веке эти догадки подтвердил Р. Бойль. Он проводил эксперименты с металлом и древесиной и выяснил, что вес металла после нагревания увеличился, а вес золы по сравнению с деревом, наоборот, уменьшился.
Независимо от М. В. Ломоносова закон сохранения массы вещества был установлен в 1789 году французским химиком А. Лавуазье, который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ.
Взгляды Ломоносова и Лавуазье были подтверждены современной наукой. В 1905 году А. Эйнштейн показал, что между массой тела (m) и его энергией (E) существует связь, выражаемая уравнением:
где c – скорость света в вакууме.
Рис. 2. Альберт Эйнштейн.
Таким образом, закон сохранения массы дает материальную основу для составления уравнений химических реакций.
Суть закона сохранения массы вещества
Закон сохранения массы вещества заключается в следующем: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Рис. 3. Закон сохранения массы вещества.
При написании уравнений химических реакций надо следить за соблюдением этого закона. Число атомов элемента в левой и правой частях реакций должно быть одинаковым, так как атомные частицы в химических превращениях неделимы и никуда не исчезают, а лишь переходят из одного вещества в другое. Сущность химической реакции – разрыв одних связей и образование других связей. Поскольку эти процессы связаны с затратой и получением энергии, то знак равенства в реакциях можно ставить, если учтены энергетические факторы, условия реакции, агрегатные состояния веществ.
Очень часто знак равенства, особенно в неорганических реакциях, ставят и без учета необходимых факторов,производя упрощенную запись. При уравнивании коэффициентов вначале уравнивают число атомов металла, потом неметалла, затем водорода и в конце производят проверку по кислороду.
Что мы узнали?
Закон сохранения массы вещества изучают в школе по химии 8 класса, так как понимание его сути необходимо для правильного составления уравнений реакций. О том, что любая материя на земле состоит из невидимых частиц предположил еще древнегреческий ученый Демокрит, а его более современные последователи Ломоносов, Лавуазье, Эйнштейн доказали это экспериментально.
В 1748 г. М. В. Ломоносов (Россия) и в 1789 г. А. Лавуазье (Франция) независимо друг от друга открыли закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Этот закон формулируется так:
Масса всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
СН 4 + О 2 = СО 2 + Н 2 О
По закону сохранения массы:
m (СН 4) + m (О 2) = m (СО 2) + m (Н 2 О),
где m (СН 4) и m (О 2) - массы метана и кислорода, которые вступили в реакцию; m (СО 2) и m (Н 2 О) - массы углекислого газа и воды, образовавшиеся в результате реакции.
Сохранение массы веществ в химических реакциях объясняется тем, что число атомов каждого элемента до и после реакции не изменяется. В ходе химической реакции происходит только перегруппировка атомов. В реакции, например, в исходных веществ - СН 4 и О 2 - атом углерода соединяется с атомами водорода, а атомы кислорода- друг с другом; в молекулах продуктов реакции - СО 2 и Н 2 О - и атом углерода, и атомы водорода соединяются с атомами кислорода. Легко посчитать, что для сохранения числа атомов каждого элемента в данную реакцию должны вступать 1 молекула СН 4 и 2 молекулы О 2 , а в результате реакции должны образоваться 1 молекула СО 2 и 2 молекулы Н 2 О:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Данное выражение является уравнением химической реакции, или химическим уравнением .
Числа перед формулами веществ в уравнении реакции называются коэффициентами . В уравнении коэффициенты перед формулами О 2 и Н 2 О равны 2; коэффициенты перед формулами СН 4 и СО 2 равны 1 (их обычно не записывают).
Химическое уравнение - это выражение химической реакции, в котором записаны формулы исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции, а также коэффициенты, показывающие число молекул каждого вещества.
Если известна схема реакции, то для составления химического уравнения нужно найти коэффициенты.
Составим, например, уравнение реакции, которая выражается следующей схемой:
Al + НСl = AlCl 3 + H 2
В левой части схемы атомы и входят в состав молекулы HCl в соотношении 1: 1; в правой части схемы содержатся 3 атома хлора в составе молекулы AlC1 3 и 2 атома водорода в составе молекулы Н 2 . Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6.
Напишем коэффициент «6» перед формулой HCl, коэффициент «2» - перед формулой AlC1 3 и коэффициент «3» - перед формулой Н;
Аl+ 6HCl = 2AlCl 3 + 3Н 2
Так как теперь в правой части содержится 2 атома , напишем коэффициент «2» перед формулой Al в левой части схемы:
2Al + 6НС1 = 2AlC1 3 + 3H 2
В результате мы получили уравнение данной реакции. Коэффициенты в химическом уравнении показывают не только число молекул, но и число молей исходных веществ и продуктов реакции. Например, это уравнение показывает, что в реакцию вступают 2 моля алюминия Аl и 6 молей , а в результате реакции образуются 2 моля хлорида алюминия AlC1 3 и 3 моля водорода Н 2).
В уроке 11 «» из курса «Химия для чайников » мы узнаем кем и когда был открыт закон сохранения массы веществ; познакомимся с химическими уравнениями и научимся правильно расставлять в них коэффициенты.
До сих пор при рассмотрении химических реакций мы обращали внимание на их качественную сторону, т. е. на то, как и при каких условиях исходные вещества превращаются в продукты реакций. Но в химических явлениях существует и другая сторона - количественная .
Изменяется ли масса веществ, вступивших в химическую реакцию? В поиске ответа на этот вопрос английский ученый Р. Бойль еще в XVII в. провел множество опытов по прокаливанию свинца в запаянных сосудах. После окончания опытов он вскрывал сосуды и взвешивал продукты реакции. В результате Бойль пришел к выводу, что масса вещества после реакции больше массы исходного металла. Он объяснил это присоединением к металлу некой «огненной материи».
Опыты Р. Бойля по прокаливанию металлов повторил русский ученый М. В. Ломоносов в 1748 г. Прокаливание железа он проводил в специальной колбе (реторте) (рис. 56), которая была герметически запаяна. В отличие от Бойля после реакции он оставлял реторту запаянной. Взвешивание реторты после реакции показало, что ее масса не изменилась. Это свидетельствовало о том, что, хотя между металлом и веществом, содержащемся в воздухе, произошла химическая реакция, сумма масс исходных веществ равна массе продукта реакции.
М. В. Ломоносов сделал вывод: «Все перемены, в натуре случающиеся, суть такого состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте
».
В 1789 г. французский химик А. Лавуазье доказал, что прокаливание металлов - это процесс их взаимодействия с одной из составных частей воздуха - кислородом. На основе работ М. В. Ломоносова и А. Лавуазье был сформулирован закон сохранения массы веществ в химических реакциях .
Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.
При химических реакциях атомы не исчезают бесследно и не возникают из ничего. Их число остается неизменным. А так как они имеют постоянную массу , то и масса образованных ими веществ также остается постоянной.
Закон сохранения массы веществ можно проверить экспериментально. Для этого используют прибор, показанный на рисунке 57, а, б. Главная его часть - двухколенная пробирка. В одно колено нальем известковую воду, во второе - раствор медного купороса. Уравновесим прибор на весах, а затем смешаем оба раствора в одном колене. При этом мы увидим, что выпадает голубой осадок нового вещества. Образование осадка подтверждает, что произошла химическая реакция. Масса прибора при этом остается прежней. Это означает, что в результате химической реакции масса веществ не изменяется.
Закон важен для правильного понимания всего совершающегося в природе: ничто не может исчезнуть бесследно и возникнуть из ничего .
Химические реакции можно изобразить, используя химический язык формул. Химические элементы обозначают химическими символами, состав веществ записывают при помощи химических формул, химические реакции выражают при помощи химических уравнений , т. е. так же, как из букв составляются слова, из слов - предложения.
Уравнение химической реакции (химическое уравнение) - это условная запись реакции при помощи химических формул и знаков «+» и «=».
Закон сохранения массы веществ в химических реакциях должен соблюдаться и при составлении уравнений химических реакций . Как и в математических уравнениях, в уравнениях химических реакций имеется левая часть (где записываются формулы исходных веществ) и правая часть (где записываются формулы продуктов реакции). Например (рис. 58):
При написании уравнений химических реакций знак «+» (плюс) соединяет формулы веществ в левой и правой частях уравнения. Так как масса веществ до реакции равна массе образовавшихся веществ, используется знак «=» (равно), который связывает левую и правую части уравнения. Для уравнивания числа атомов в левой и правой частях уравнения используются числа перед формулами веществ. Эти числа называются коэффициентами химических уравнений и показывают число молекул или формульных единиц. Поскольку 1 моль любого вещества состоит из одинакового числа структурных единиц (6,02*10 23), то коэффициенты показывают и химические количества каждого из веществ :
При написании химических уравнений применяют также и специальные знаки, например знак «↓», обозначающий, что вещество образует осадок.
Задание«Пирамида» Au MoMn CuCs Ag Mg Cr Md Al C Mt FFe ЗСМВ Ниже представлена пятиэтажная пирамида, «строительными камнями» которой являются химические элементы. Найдите такой путь от ее основания к вершине, чтобы он содержал только элементы с постоянной валентностью. Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносова
Закон сохранения массы веществ 2 Н 2 О 2Н 2 + О 2 4Н + 2О m1m1 m2m2 m3m3 m 1 = m 2 + m 3 Лавуазье (1789) Ломоносов Ломоносов (1756) Пишем уравнения ХР Решаем задачи по уравнениям ХР = =36
Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765) 1.Родился в 1711 году в России 2.Русский ученый – природо- вед 3.Основатель первого в Рос- сии Московского универси- тета 4.Развивал атомно-молекуляр- ные представления о строе- нии веществ 5.Открыл закон сохранения массы веществ
Формулировка закона сохранения массы веществ Масса веществ, получившихся в результате реакции Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносова М.В. Ломоносова Следствие закона Практическая реализация Число атомов каждого элемента должно быть одинаково до и после реакции Масса веществ, вступивших в реакцию
Алгоритм составления уравнений химических реакций 1. В левой части записываются формулы веществ, которые вступают в реакцию: KOH + CuCl В правой части (после стрелки) – формулы веществ, которые получаются в результате реакции: KOH + CuCl 2 Cu(OH) 2 + KCl. 3. Затем с помощью коэффициентов уравнивается число атомов одинаковых химических элементов в правой и левой частях уравнения: 2KOH + CuCl 2 = Cu(OH) 2 + 2KCl.
Основные правила расстановки коэффициентов Расстановку коэффициентов начинают с элемента, чьих атомов в реакции участвует больше. Количество атомов кислорода до и после реакции в большинстве случаев должно быть четным. Если в реакции (обмена) участвуют сложные вещества, то расстановку коэффициентов начинают с атомов металлов или с кислотных остатков.
Н 2 О Н 2 + О 2 Расстановка коэффициентов в уравнении химической реакции 4 4: : 1 22 Коэффициент
Что показывает химическое уравнение Какие вещества вступают в реакцию. Какие вещества образуются в результате реакции. Массу реагирующих веществ и веществ, образующихся в результате химической реакции. Отношение масс реагирующих веществ и веществ, образующихся в результате химической реакции.
Итоги урока Что сегодня мы повторили на уроке из того, что вы знали? Какие основные понятия мы вспомнили? Что вы сегодня узнали нового, чему научились на уроке? С какими новыми понятиями мы познакомились на сегодняшнем уроке? Как вы считаете, каков ваш уровень усвоения изученного учебного материала? Какие вопросы вызвали наибольшее затруднение?
Задания 1.Масса колбы, в которой сожгли серу, после реакции не изменилась. В какой колбе (открытой или закрытой) проводилась реакция? 2.На весах уравновесили огарок парафиновой свечи, затем зажгли его. Как измениться положение весов через некоторое время? 3.При взаимодействии цинка массой 65 г с серой образовался сульфид цинка (ZnS) массой 97 г. Какая масса серы вступила в реакцию? 4.В реакцию вступило 9 г алюминия и 127 г йода. Какая масса йодида алюминия (Al I 3) при этом образуется?
Формула воды – Н 2 О Кальций – метал Фосфор – металл Сложное вещество состоит из разных веществ Валентность водорода равна I Плавление сахара – химическое явление Горение свечи – химическая реакция Атом химически делим Сера имеет постоянную валентность Кислород – простое вещество Морская вода – чистое вещество Нефть – это чистое вещество Сложное вещество состоит из разных хим. элементов Снег – это тело Да Нет Соль – сложное вещество С УХР СТАРТ ФИНИШ Составление уравнений химических реакций
План-конспект урока по химии. Тема: «Закон сохранения массы веществ. Химические уравнения». 8 класс.
учитель химии Резцова Т. Н.
Эпиграф: «Доводы, до которых человек додумался сам, обычно убеждают его больше, нежели те, которые пришли в голову другим».
Цели урока:
Образовательные –
Рассмотреть закон сохранения массы веществ.
Раскрыть роль ученых-химиков (Р. Бойль, М.В. Ломоносов, А. Лавуазье) в открытии этого закона.
Объяснить значение закона сохранения массы веществ в химии как одной из форм научных знаний о природе.
Ввести понятие «химическое уравнение», как подтверждение закона сохранения массы веществ.
Начать формировать умения составлять уравнения химических реакций.
Развивающие –
Развивать навыки работы с лабораторным оборудованием и реактивами, соблюдая правила техники безопасности.
Способствовать развитию умений наблюдать, логически рассуждать, делать выводы.
Создавать условия для развития познавательного интереса.
Воспитательные –
Воспитывать культуру общения в коллективе, умение работать в паре и в группе.
Воспитывать наблюдательность, аккуратность, организованность
Тип урока – урок формирования знаний, умений, навыков с элементами проблемного обучения.
Форма организации учебной деятельности – сочетание фронтальной, индивидуальной и работы в группе.
Оборудование и средства обучения:
Компьютер;
Экран;
Мультимедийный проектор;
Презентация;
Рудзитис Г. Е. Химия. Неорганическая химия. 8 класс.
На столах у детей – номера групп, рабочие листы, карточка-консультант, задания для групповой работы.
Ход урока
I. Организация деятельности учащихся.
Подготовка учащихся к работе на уроке.
При входе в кабинет, ребята получают карточку с номером группы и занимают место в своей группе. Учитель приветствует детей.
II. Актуализация опорных знаний учащихся
Активизировать ранее изученные понятия «физические и химические явления, химическая реакция», разграничить эти понятия, чтобы подготовить учащихся к восприятию нового материала. Определить цели и задачи урока.
Совсем недавно вы начали открывать для себя новую науку – химию. Давайте вспомним вместе, что такое химия? (Химия – наука о веществах и их превращении). Вокруг нас постоянно происходят превращения, изменения, которые мы называем явлениями. На прошлых уроках вы изучали физические и химические явления. Что такое физическое явление? (Физическое явление, это явление, которое сопровождается изменением формы или агрегатного состояния вещества). Что такое химическое явление? (Химическое явление – превращение одних веществ в другие).
Предлагаю вам прочесть этюд. Обратите внимание на то, какие физические и химические явления упоминаются в этюде?
Зима На улице стужа. Воет ветер, словно голодный зверь. Мороз-художник изобразил на оконном стекле причудливые узоры. А в избе тепло! Жарко горят поленья дров в печи. Вскипел самовар. Пора за стол. А на столе и соленья, и варенья: квашеная капуста, моченые яблочки, из вчерашнего молока поспела простокваша.
Назовите физические и химические явления, которые упоминаются в этюде. Аргументируйте свой ответ. Как мы называем химические явления?
Практические задачи (групповая работа).
Сейчас я предлагаю вам, ребята решить практическую задачу. Но прежде, вспомним правила техники безопасности.
(Учащиеся проговаривают правила Т.Б)
У каждой группы – свое задание. Ваша задача, проделав опыт ответить на вопрос – С каким явлением вы столкнулись? И объяснить, почему вы так считаете?
1 группа.
Истолочь в керамической ступке кусочек мела.
Наблюдения ________________
В стакан с содой добавить раствор столового уксуса
Наблюдения _____________
Вывод ________________________ (какое явление и почему?)
2 группа
Медную проволоку изогните в виде спирали.
Наблюдения _________________
Вывод ________________________ (какое явление и почему?)
В стакан с раствором питьевой соды опустить полоску индикаторной бумаги
Наблюдения _____________
Вывод ________________________ (какое явление и почему?)
По окончании решения практической задачи представитель от каждой группы озвучивает задание, наблюдение и вывод
III. Изучение нового материала.
Определить цели и задачи урока, познакомить учащихся с открытием закона сохранения массы, его формулировкой и значением.
Все явления, происходящие вокруг нас, все объекты живой и неживой природы существуют по законам, которые вам предстоит узнать и постичь. Мир и природа едины, поэтому существуют законы, общие для всех наук. Одним из таких законов является закон сохранения массы веществ.
Я предлагаю Вам следующий план изучения нашей темы:
Нам предстоит:
Познакомится с трудами великих ученых Роберта Бойля, Михайло Васильевича Ломоносова, Антуана Лорана Лавуазье.
Совершить научное открытие!
Посетить виртуальную «Экспериментальную мастерскую».
Прикоснуться к искусству тайнописи химических реакций!!!
Сегодня мы совершим научное открытие, а для этого перенесемся в 18-й век в лабораторию великого русского ученого М.В. Ломоносова. Ученый занят. М.В. пытается понять, что происходит с массой веществ, вступающих в химические реакции. В течение тысячелетий люди верили в то, что вещество может бесследно исчезать, а также возникать из ничего. О природе материи задумывались философы древней Греции: Эмпедокл, Демокрит, Аристотель, Эпикур, более современные ученые, такие как Роберт Бойль. Бойль проделал множество опытов по прокаливанию металлов, и всякий раз масса окалины оказывалась больше массы прокаливаемого металла. Вот что записал учёный после одного из своих опытов в 1673 году:
«После двух часов нагревания был открыт запаянный кончик реторты, причём в неё ворвался с шумом наружный воздух. По нашему наблюдению при этой операции была значительная прибыль в весе …»
Ломоносов внимательно изучил труды ученого Роберта Бойля, который считал, что масса веществ в результате химических реакций изменяется.
Но ученые, на то и ученые, что они ничего не принимают на веру, все подвергают сомнению и проверке. С 1748 по 1756 гг. Ломоносов проделал огромную работу. Он, в отличии от Р. Бойля, прокаливал металлы не на открытом воздухе, а в запаянных ретортах, взвешивая их до и после реакции. Ломоносов доказал, что масса веществ до и после реакции остается неизменной. Результаты своих опытов в 1748 году Ломоносов сформулировал в виде закона:
«Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому».
Я вижу, вам не совсем понятна такая формулировка. На современный лад закон звучит так:
«Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ».
Проверим данное утверждение:
Видеофрагмент. Посмотрим видеофрагмент, подтверждающий закон сохранения массы.
IV. Этап проверки понимания учащимися новых знаний.
Установить усвоили или нет учащиеся знания .
Работа в группах. А сейчас я предлагаю Вам небольшие задачи. Обсудите их в группах и через минуту докажите справедливость закона сохранения массы.
1 группа
Масса золы, полученной при сжигании дров гораздо меньше массы исходных веществ. Объясните, не противоречит ли этот факт закону сохранения массы веществ?
При сжигании дров органические вещества, входящие в состав дерева превращаются в водяной пар и углекислый газ.
2 группа
Горящая свеча тает, оставляя лишь маленькую лужицу парафина. Объясните, не противоречит ли это закону сохранения массы веществ.
Дополнительная информация!
При горении парафина образуются летучие водяные пары и углекислый газ.
(Ребята работают в группах, затем зачитывают и комментируют задания)
При каких условиях выполняется закон сохранения массы?
(Учащиеся делают вывод, что закон выполняется только в условиях замкнутой системы).
Все химические процессы, происходящие в природе, подчиняются закону сохранения массы веществ, поэтому он является единым законом природы. В результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка. Так как число атомов до и после реакции остается неизменным, то общая масса тоже не изменяется.
Видеофрагмент. Анимация.
Для записи химической реакции применяют химическое уравнение.
Где вы встречались с уравнениями? В чем заключается смысл математического уравнения? - Равенство двух выражений, содержащее переменную. (Учащиеся говорят о том, что в уравнении правая часть равна левой части, но в математике части уравнения можно менять местами, а в химии нет).
Химическое уравнение – условная запись химической реакции с помощью химических формул и коэффициентов.
Видеофрагмент. Я предлагаю Вам посмотреть реакцию горения магния. А теперь запишем данную реакцию в виде уравнения:
Реагенты - Продукты
2Mg + O 2 = 2MgO
Выпишем относительные молекулярные массы веществ:
24 + 32 = 40
Закон сохранения массы не выполняется. Почему? В чем загадка? Как решить эту проблему? Как превратить данную запись в уравнение (т.е. сделать так, чтобы справа и слева было одинаковое число атомов) - Эту проблему попытайтесь решить дома. А поможет вам в этом учебник
V. Домашнее задание.
§14,15, стр. 47, №1- 4 (письменно)
VI. Рефлексия.
Дать возможность детям оценить свои ощущения к концу урока.
Пословицы и поговорки:
Терпение и труд всё перетрут.
Тяжело в учении – легко в бою.
Плох тот солдат, который не мечтает стать генералом.
Человек должен верить, что непонятное можно понять: иначе он не стал бы размышлять о нём.
Единственный путь, ведущий к знанию, – это деятельность.
Какое выражение соответствует вашему эмоциональному состоянию в конце урока?
VII. Итог урока – выставление оценок.