Закон сохранения массы реагирующих веществ. Закон сохранения массы веществ

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).

Цели урока:

1. Опытным путём доказать и сформулировать закон сохранения массы веществ.
2. Дать понятие о химическом уравнении как об условной записи химической реакции с помощью химических формул.

Тип урока: комбинированный

Оборудование: весы, химические стаканы, ступка с пестиком, фарфоровая чашка, спиртовка, спички, магнит.

Реактивы: парафин, растворы CuSO 4 , NaOH, HCl, фенолфталеин, порошки железа и серы.

Ход урока.

I. Организационный этап.

II. Постановка цели. Сообщение темы и цели урока.

III. Проверка домашнего задания.

Вопросы для повторения:

1. Чем отличаются физические явления от химических?

2. Какие области применения физических явлений вы знаете?

3. По каким признакам можно судить о том, что прошла химическая реакция?

4. Что такое экзо- и эндотермические реакции? Какие условия необходимы для их протекания?

5. Учащиеся сообщают результаты домашнего эксперимента (№ 1,2 после §26)

Задание. Найди соответствие

1 вариант - химические явления, 2 вариант – физические:

1. Плавление парафина
2. Гниение растительных остатков
3. Ковка металла
4. Горение спирта
5. Прокисание фруктового сока
6. Растворение сахара в воде
7. Почернение медной проволоки при прокаливании
8. Замерзание воды
9. Прокисание молока
10. Образование инея

IV. Введение знаний.

1. Закон сохранения массы веществ.

Проблемный вопрос: изменится ли масса реагирующих веществ по сравнению с массой продуктов реакции.

Демонстрационные опыты:

Учитель ставит на чашу весов два стаканчика:

а) один со свежеосаждённым Cu(OH) 2 , другой с раствором HCl; взвешивает их, сливает растворы в один стаканчик, другой ставит рядом, и ребята отмечают, что равновесие весов не нарушилось, хотя реакция прошла, о чём свидетельствует растворение осадка;

б) аналогично и проводится и реакция нейтрализации – к окрашенной фенолфталеином щёлочи приливается избыток кислоты из другого стаканчика.

Видеоэксперимент: Нагревание меди.

Описание эксперимента: В коническую колбу помесите 2 грамма измельченной меди. Плотно закройте колбу пробкой и взвесьте. Запомните массу колбы. Осторожно нагревайте колбу в течение 5 минут и наблюдайте за происходящими изменениями. Прекратите нагревание, и когда колба охладится, взвесьте её. Сравните массу колбы до нагревания с массой колбы после нагревания.

Вывод: Масса колбы после нагревания не изменилась.

Формулировка закона сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ (учащиеся записывают формулировку в тетрадь).

Закон сохранения массы был теоретически открыт в 1748 году и экспериментально подтверждён в 1756 году русским ученым М.В. Ломоносовым.

Французский учёный Антуан Лавуазье в 1789 году окончательно убедил учёный мир в универсальности этого закона. Как Ломоносов, так и Лавуазье пользовались в своих экспериментах очень точными весами. Они нагревали металлы (свинец, олово, и ртуть) в запаянных сосудах и взвешивали исходные вещества и продукты реакции.

2. Химические уравнения.

Демонстрационный эксперимент: Нагревание смеси железа и серы.

Описание эксперимента: В ступке приготовьте смесь из 3,5 граммов Fe и 2 граммов S. Перенесите эту смесь в фарфоровую чашку и сильно нагрейте на пламени горелки, наблюдая за происходящими изменениями. Поднесите магнит к образовавшемуся веществу.

Полученное вещество – сульфид железа (II) – отличное от исходной смеси. Ни железо, ни сера не могут быть визуально обнаружены в нем. Невозможно их разделить и с помощью магнита. Произошло химическое превращение.

Исходные вещества, принимающие участие в химических реакциях называются реагентами.

Новые вещества, образующиеся в результате химической реакции называются продуктами.

Запишем протекающую реакцию в виде схемы:

железо + сера → сульфид железа (II)

Химическое уравнение – это условная запись химической реакции посредством химических формул.

Запишем протекающую реакцию в виде химического уравнения:

Fe + S → FeS

Правила составления химических уравнений

(презентация на экране).

1. В левой части уравнения записать формулы веществ, вступающих в реакцию (реагентов). Затем поставить стрелку.

а) N 2 + H 2 →

Б) Al(OH) 3 →

В) Mg + HCl →

Г) СaO + HNO 3 →

2. В правой части (после стрелки) записать формулы веществ, образующихся в результате реакции (продуктов). Все формулы составляются в соответствии со степенью окисления.

а) N 2 + H 2 → NH 3

Б) Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + H 2 O

В) Mg + HCl → MgCl 2 + H 2

Г) СaO + HNO 3 → Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O

3. Уравнение реакции составляется на основе закона сохранения массы веществ, т. е. слева и справа должно быть одинаковое число атомов. Это достигается расстановкой коэффициентов перед формулами веществ.

Алгоритм расстановки коэффициентов в уравнении химической реакции.

2. Определить, у какого элемента количество атомов меняется, найти Н.О.К.

3. Разделить Н.О.К. на индексы – получить коэффициенты. Поставить коэффициенты перед формулами.

5. Начинать лучше с атомов О или любого другого неметалла (если только О не находится в составе нескольких веществ).

А) N 2 + 3H 2 → 2NH 3 б) 2Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3H 2 O

В) Mg + 2HCl → MgCl 2 + H 2 г) СaO + 2HNO 3 → Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O

V. Домашнее задание. § 27 (до типов реакций); № 1 после §27

VI. Итог урока. Учащиеся формулируют выводы по уроку.

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.

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Предварительный просмотр:

Тема урока: « Химические уравнения. Закон сохранения массы веществ»

Тип урока: Открытие новых знаний

Основные цели урока:

1) Познакомить учащихся с признаками и условиями протекания химических реакций

2) Опытным путем доказать и сформулировать закон сохранения массы вещества

3) Дать понятие о химическом уравнении как об условной записи химической реакции с помощью химических формул

4) Начать формирование навыков составления химических уравнений

Демонстрационный материал и оборудование: весы, химические стаканы, реактивы (растворы CuSO 4 , NaOH, HCl , СаСО 3 , фенолфталеин, Ва Сl 2 , Н 2 SO 4 ), компьютер, проектор,экран, презентация)

Ход урока

1. Самоопределение к учебной деятельности:

Цель:

Создать мотивацию к учебной деятельности посредством актуализации внутренних мотивов (могу и хочу)

Определить с учащимися содержательные рамки урока

Организация учебного процесса на этапе 1

1. Как нам уже известно, химия - это наука о веществах. Что мы уже знаем о веществах? Достаточно ли нам этих знаний, чтобы ответить на все интересующие нас вопросы? Можем ли мы ответить на вопрос как происходят превращения веществ? По каким законам протекают химические реакции? Подумайте, чему будет посвящен сегодняшний урок?
2. Верно! Сегодня мы отправимся с вами в удивительный мир химических превращений! А помогут нам в этом полученные ранее на уроках химии знания.

2. Актуализация знаний и фиксация индивидуального затруднения в пробном действии:

Цель:

Повторить материал, пройденный на прошлом уроке

Организовать самостоятельное выполнение пробного действия и зафиксировать возникшие затруднения

Организация учебного процесса на этапе 2

1. Ранее мы узнали с вами что все явления в природе можно разделить на две группы. Какие это группы? Давайте вспомним с вами чем одни явления отличаются от других и приведем примеры (слайд)

Один ученик у доски выполняет задание. Игра «Крестики - нолики». Следует указать выигрышный путь, который составляют только химические явления (слайд).

Как еще можно назвать химические явления? (Химические реакции)

А все ли мы знаем с вами о химических реакциях? (Нет)

1. Сегодня на уроке мы продолжим изучать химические реакции. Предлагаю начинать наше путешествие в мир химических превращений.
2. Как вы абсолютно верно заметили, отличительным признаком протекания химической реакции является образование нового вещества - продукта реакции - обладающего другими свойствами, которыми не обладали исходные вещества.
3. Чем всегда сопровождается образование нового вещества? (Признаками химической реакции)
4. Сейчас нам снова понадобятся полученные ранее знания. Давайте вспомним, какие признаки протекания химически реакций нам уже известны и попробуем их продемонстрировать.

Совместно с учениками учитель показывает опыты в пробирках. Ученики называют наблюдаемые признаки, которые одновременно появляются на слайде.

Образование осадка (CuSO 4 и NaOH)

Растворение осадка (Cu(OH) 2 и HCl)

Изменение окраски (NaOH и фенолфталеин)

Выделение газа (CaCO 3 и H 2 SO 4 )

Выделение тепла, света (реакция горения)

1. Какой вывод мы можем сделать из увиденного? (О протекании химической реакции можно судить по появлению внешних признаков).
2. Предлагаю вам отразить на листе бумаги одну из приведенных химических реакций. Опишите происходящее в пробирке с помощью химических формул и математических знаков.
3. Давайте посмотрим на ваши записи, рассмотрим полученные варианты. Почему получились разные варианты?

3. Выявление места и причины затруднения и постановка цели деятельности

Цель:

1. соотнести пробное действие с имеющимися знаниями, умениями и навыками учащихся
2. согласовать тему и индивидуальные цели урока

Организация учебного процесса на этапе 3

1. 1) Давайте разберемся, почему не всем удалось составить запись химической реакции? Чем это задание отличалось от тех, что вы выполняли ранее?
2. 2) Итак, Какие цели урока мы сегодня поставим?
3. А знаете ли вы как называется запись, отражающая суть химической реакции?
4. Как мы сформулируем тему сегодняшнего урока?

4. Построение проекта выхода из затруднения

Цель:

1. создать условия для осознанного выбора учениками нового способа получения знаний посредством проведения эксперимента

Организация учебного процесса на этапе 4

1. Итак, описать химическую реакцию с помощью химических формул и знаков мы сможем в том случае, если будем знать механизм превращения одних веществ в другие. Для решения данной задачи предлагаю совершить научное открытие! А для этого мы отправимся в далекий 18- й век, в лабораторию великого русского ученого М.В. Ломоносова (слайд), который как и мы с вами был озадачен тем же вопросом: « Как одни вещества превращаются в другие и что при этом происходит с массой веществ? Будет ли масса исходных веществ равна массе продуктов реакции?»
2. Скажите, как мы получали ранее новые знания?(Использовали учебник, таблицы, презентации и т.д.)
3. А можно ли провести эксперимент для получения новых знаний? (Да)

5. Реализация построенного проекта

Цель:

Провести эксперимент для открытия новых знаний

Обобщить наблюдения и сделать предварительные выводы

Организация учебного процесса на этапе 5

1. Предлагаю провести эксперимент: (учитель приглашает ученика к лабораторному столу)
2. На платформу весов поставим два стаканчика - один с раствором BaCl 2 , другой с раствором H 2 SO 4 . Отметим положение стрелки весов маркером. Сливаем растворы в один стаканчик, а пустой ставим рядом.
3. Прошла ли реакция при сливании двух растворов? (Да)
4. Что свидетельствует об этом? (Образование белого осадка)
5. Изменились ли показания стрелки прибора при этом? (Нет)
6. Какой вывод мы можем сделать? Отличается ли масса полученных продуктов реакции от массы исходных веществ? (Нет)
7. К такому выводу пришел и Ломоносов, который с 1748 по 1756 год проделал огромную работу и экспериментальным путем доказал что масса веществ до и после реакции остается неизменной. В основе его экспериментов лежала реакция взаимодействия металлов с кислородом из воздуха при прокаливании. Сейчас мы просмотрим видеоролик, иллюстрирующий подобный эксперимент. (слайд - ролик)

Ребята, какой вывод мы можем теперь сделать? (Масса веществ до реакции равна массе веществ после реакции)

Данное утверждение является законом сохранения массы веществ. (Формулировка на слайде). Теперь мы можем уточнить, как полностью будет звучать тема нашего сегодняшнего урока? (Химические уравнения. Закон сохранения массы веществ)

Обратимся к учебнику (с.139) и зачитаем формулировку закона сохранения массы веществ.

Что же происходит с веществами в ходе химической реакции? Образуются ли новые атомы химических элементов? (Нет, не образуются. Происходит лишь их перегруппировка!)

А если число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса тоже неизменна. Убедимся в справедливости данного заключения посмотрев видеоролик (слайд-анимация)

Теперь, зная закон сохранения массы веществ,мы с вами можем отражать суть химических реакций с помощью химических формул соединений.

Ребята, как принято называть условную запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков? (Химическим уравнением) (слайд)

Давайте попробуем описать просмотренный в видеоролике опыт с прокаливанием меди. (ученик у доски записывает уравнение реакции).

В левой части уравнения мы записываем исходные вещества (формулы веществ, вступивших в реакцию). Какие вещества вступали во взаимодействие? (Медь и кислород). Как мы помним союз «И» в математике заменяют знаком «плюс» (соединяем исходные вещества знаком «плюс») В правой части мы записываем продукты реакции. (Оксид меди II). Между частями ставим стрелку:

Cu + O 2 = СuO

Вот как просто и красиво. но... неуважительно по отношению к закону сохранения массы веществ. Соблюдается ли он в данном случае? (Нет!) Равны ли массы веществ до и после реакции? (Нет).

Сколько атомов кислорода в левой части? (2) , а в правой? (1). Поэтому перед формулой оксида меди мы должны поставить 2! - уравнять кислород.

Но.. Теперь нарушено равенство для меди. Очевидно, что перед формулой меди тоже надо поставить 2.

Мы уравняли число атомов каждого элемента в левой и правой частях? (Да!)

Получили равенство? (Да)

Как называют такую запись? (Химическим уравнением)

6. Первичное закрепление с проговариванием во внешней речи:

Цель:

Создать условия для фиксации изученного материала во внешней речи

- Давайте потренируемся составлять уравнения химической реакции и попробуем составить алгоритм действий. (ученик у доски составляет уравнение химической реакции)

1. Напишем реакцию образования аммиака из молекулы водорода и азота.

1. В левой части уравнения записываем формулы веществ, вступивших в реакцию (реагентов). Затем ставим стрелку:

Н 2 + N 2 →

1. В правой части (после стрелки) записываем формулы веществ, образующихся в результате реакции (продуктов).

Н 2 + N 2 → NH 3

1. Уравнение реакции составляем на основе закона сохранения масс.
2. Определяем, у какого элемента число атомов меняется? находим наименьшее общее кратное (НОК), делим НОК на индексы - получаем коэффициенты.
3. Проставляем коэффициенты перед формулами соединений.
4. Пересчитываем количество атомов, при необходимости действия повторяем.

3Н 2 + N 2 → 2NH 3

6. Самостоятельная работа с самопроверкой по эталону:

Цель:

Организовать самостоятельное выполнение учащимися задания на новый способ действий с самопроверкой.

Организовать самооценку детьми правильности выполнения задания (при необходимости - коррекцию возможных ошибок)

Организация учебного процесса на этапе 6

1. Готовы попробовать свои силы? Тогда составьте самостоятельно уравнение химической реакции образования воды, расставив в уравнении недостающие коэффициенты

(слайд-анимация) - пример образования воды.

(на экране отображены исходные вещества - молекула водорода и молекула кислорода, затем появляется продукт реакции - молекула воды)

Проверьте (на экране появляются недостающие коэффициенты в уравнении реакции)

У кого возникли затруднения? Что осталось непонятным?

7. Рефлексия учебной деятельности на уроке

Цель:

Зафиксировать в речи новые термины (химическая реакция, химическое уравнение) и формулировку закона сохранения масс

Зафиксировать неразрешенные на уроке затруднения как направление будущей учебной деятельности

Оценить собственную активность на уроке

Согласовать домашнее задание

Организация учебного процесса на этапе 7

Чему был посвящен сегодняшний урок? Как звучала тема урока? Какие цели были нами поставлены и удалось ли их достигнуть?

Где мы сможем применить полученные сегодня знания?

Какие возникали затруднения? Удалось ли их преодолеть?Что осталось непонятным?

Чью работу на уроке вы бы отметили? Как оцениваете свою работу?

Домашнее задание:

П. 27, упр. 1, 2. Упражнения на карточках (на следующем занятии ученики делают самопроверку по слайду-эталону на экране).

Закон сохранения массы.

Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон сохранения массы является частным случаем общего закона природы – закона сохранения материи и энергии. На основании этого закона химические реакции можно отобразить с помощью химических уравнений, используя химические формулы веществ и стехиометрические коэффициенты, отражающие относительные количества (число молей) участвующих в реакции веществ.

Например, реакция горения метана записывается следующим образом:

Закон сохранения массы веществ

(М.В.Ломоносов, 1748 г.; А.Лавуазье, 1789 г.)

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

Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим образом: в результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают, а происходит их перегруппировка (т.е. химическое превращение- это процесс разрыва одних связей между атомами и образование других, в результате чего из молекул исходных веществ получаются молекулы продуктов реакции). Поскольку число атомов до и после реакции остается неизменным, то их общая масса также изменяться не должна. Под массой понимали величину, характеризующую количество материи.

В начале 20 века формулировка закона сохранения массы подверглась пересмотру в связи с появлением теории относительности (А.Эйнштейн, 1905 г.), согласно которой масса тела зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Полученная телом энергия E связана с увеличением его массы mсоотношением E = m c 2 , где с - скорость света. Это соотношение не используется в химических реакциях, т.к. 1 кДж энергии соответствует изменению массы на ~10 -11 г и mпрактически не может быть измерено. В ядерных реакциях, где Е в ~10 6 раз больше, чем в химических реакциях, m следует учитывать.

Исходя из закона сохранения массы, можно составлять уравнения химических реакций и по ним производить расчеты. Он является основой количественного химического анализа.

Закон постоянства состава

Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст , 1801 -1808гг .) - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов , причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Это один из основных законов химии .

Закон постоянства состава не выполняется для бертоллидов (соединений переменного состава). Однако условно для простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный. Например, состав оксида железа(II) записывают в виде FeO (вместо более точной формулы Fe 1-x O).

Закон кратных отношений

Закон кратных отношений - один из стехиометрических законов химии : если два вещества (простых или сложных ) образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа , обычно небольшие.

Примеры

1) Состав оксидов азота (в процентах по массе) выражается следующими числами:

Разделив числа нижней строки на 0,57, видим, что они относятся как 1:2:3:4:5.

2) Хлористый кальций образует с водой 4 кристаллогидрата , состав которых выражается формулами: CaCl 2 ·H 2 O, CaCl 2 ·2H 2 O, CaCl 2 ·4H 2 O, CaCl 2 ·6H 2 O, т. е. во всех этих соединениях массы воды, приходящиеся на одну молекулу CaCl 2 , относятся как 1: 2: 4: 6.

Закон объемных отношений

(Гей-Люссак, 1808 г.)

"Объемы газов, вступающих в химические реакции, и объемы газов, образующихся в результате реакции, относятся между собой как небольшие целые числа".

Следствие. Стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций для молекул газообразных веществ показывают, в каких объемных отношениях реагируют или получаются газообразные вещества.

2CO + O 2  2CO 2

При окислении двух объемов оксида углерода (II) одним объемом кислорода образуется 2 объема углекислого газа, т.е. объем исходной реакционной смеси уменьшается на 1 объем.

b) При синтезе аммиака из элементов:

n 2 + 3h 2  2nh 3

Один объем азота реагирует с тремя объемами водорода; образуется при этом 2 объема аммиака - объем исходной газообразной реакционной массы уменьшится в 2 раза.

Уравнение Клайперона-Менделеева

Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клайперона-Менделеева:

где m - масса газа; M - молекулярная масса; p - давление; V - объем; T - абсолютная температура (°К); R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль К) или 0,082 л атм/(моль К)).

Для данной массы конкретного газа отношение m / M постоянно, поэтому из уравнения Клайперона-Менделеева получается объединенный газовый закон.

Какой объем займет при температуре 17°C и давлении 250 кПа оксид углерода (II) массой 84 г?

Количество моль CO равно:

 (CO) = m(CO) / M(CO) = 84 / 28 = 3 моль

Объем CO при н.у. составляет

3 22,4 л = 67,2 л

Из объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

(P V) / T = (P 0 V 0) / T 2

V (CO) = (P 0 T V 0) / (P T 0) = (101,3 (273 + 17) 67,2) / (250 273) = 28,93 л

Относительная плотность газов показывает, во сколько раз 1 моль одного газа тяжелее (или легче) 1 моля другого газа.

D A(B) = (B)  (A) = M (B) / M (A)

Средняя молекулярная масса смеси газов равна общей массе смеси, деленной на общее число молей:

M ср = (m 1 +.... + m n) / ( 1 +.... +  n) = (M 1 V 1 + .... M n V n) / ( 1 +.... +  n)

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ : в изолир. системе энергия системы остается постоянной, возможны лишь переходы одного вида энергии в другой. В термодинамике сохранения энергии закону соответствует первое начало термодинамики, к-рое выражается ур-нием Q = DU + W, где Q-кол-во сообщенной системе теплоты, DU-изменение внутр. энергии системы, W - совершенная системой работа. Частный случай сохранения энергии закона-Гесса закон.

Понятие энергии подверглось пересмотру в связи с появлением теории относительности (А. Эйнштейн, 1905): полная энергия E пропорциональна массе т и связана с ней соотношением Е = тс2, где с-скорость света. Поэтому массу можно выражать в единицах энергии и сформулировать более общий закон сохранения массы и энергии: в изо-лир. системе сумма масс и энергии постоянна и возможны лишь превращения в строго эквивалентных соотношениях одних форм энергии в другие и эквивалентно связанные друг с другом изменения массы и энергии.

Закон эквивалентов

вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных их эквивалентам. При решении некоторых задач удобнее пользоваться другой формулировкой этого закона: массы (объемы) реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентным массам (объемам).

эквивалентов: химические элементы соединяются друг с другом в строго определенных количествах, соответствующих их эквивалентам. Математическое выражение закона эквивалентов имеет следующий вид: где m1 и m2 - массы реагирующих или образующихся веществ, m экв(1) и m экв(2) - эквивалентные массы этих веществ.

Например: некоторое количество металла, эквивалентная масса которого равна 28г/моль, вытесняет из кислоты 0,7 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Определить массу металла. Решение: зная, что эквивалентный объем водорода равен 11,2 л/моль, составляет пропорцию: 28 г металла эквивалентны 11,2 л водорода х г металла эквивалентны 0,7 л водорода. Тогда х=0,7*28/11,2= 1,75 г.

Для определения эквивалента или эквивалентной массы необязательно исходить из его соединения с водородом. Их можно определить по составу соединения данного элемента с любым другим, эквивалент которого известен.

Например: при соединении 5,6 г железа с серой образовалось 8,8 г сульфида железа. Нужно найти эквивалентную массу железа и его эквивалент, если известно, что эквивалентная масса серы равна 16 г/моль. Решение: из условия задачи следует, что в сульфиде железа на 5,6 г железа приходится 8,8-5,6=3,2 г серы. Согласно закону эквивалентов, массы взаимодействующих веществ пропорциональны их эквивалентным массам, то есть 5,6 г железа эквивалентны 3,2 г серы mэкв (Fе) эквивалентна 16 г/моль серы. Отсюда следует, что m3KB(Fe) = 5,6*16/3,2=28 г/моль. Эквивалент железа равен: 3=mэкв(Fe)/M(Fe)=28 г/моль:56 г/моль=1/2. Следовательно, эквивалент железа равен 1/2 моля, то есть в 1 моле железа содержится 2 эквивалента.

Закон Авогадро

Следствия закона

Первое следствие из закона Авогадро: один мольлюбого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём .

В частности, при нормальных условиях, т. е. при 0 °C (273К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа, равен 22,4 л. Этот объём называют молярным объёмом газа V m . Пересчитать эту величину на другие температуру и давление можно с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:

.

Второе следствие из закона Авогадро: молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа по второму .

Положение это имело громадное значение для развития химии, так как оно дает возможность определять частичный вес тел, способных переходить в газообразное или парообразное состояние. Если через m мы обозначим частичный вес тела, и через d - удельный вес его в парообразном состоянии, то отношение m / d должно быть постоянным для всех тел. Опыт показал, что для всех изученных тел, переходящих в пар без разложения, эта постоянная равна 28,9, если при определении частичного веса исходить из удельного веса воздуха, принимаемого за единицу, но эта постоянная будет равняться 2, если принять за единицуудельный весводорода. Обозначив эту постоянную, или, что то же, общий всем парам и газам частичный объём черезС , мы из формулы имеем с другой стороны m = dC . Так как удельный вес параопределяется легко, то, подставляя значениеd в формулу, выводится и неизвестный частичный вес данного тела.

Термохимия

Тепловой эффект химической реакции

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции - отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий:

Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Q v (изохорный процесс), либо при постоянном давлении Q p (изобарный процесс ).

В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения.

Если реакцию проводят при стандартных условиях при Т = 298,15 К = 25 ˚С и Р = 1 атм = 101325 Па, тепловой эффект называют стандартным тепловым эффектом реакции или стандартной энтальпией реакции ΔH r O . В термохимии стандартный тепловой эффект реакции рассчитывают с помощью стандартных энтальпий образования.

Стандартная энтальпия образования (стандартная теплота образования)

Под стандартной теплотой образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивыхстандартных состояниях .

Например, стандартная энтальпия образования 1 моль метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции:

С(тв) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 76 кДж/моль.

Стандартная энтальпия образования обозначается ΔH f O . Здесь индекс f означает formation (образование), а перечеркнутый кружок, напоминающий диск Плимсоля - то, что величина относится к стандартному состоянию вещества. В литературе часто встречается другое обозначение стандартной энтальпии - ΔH 298,15 0 , где 0 указывает на равенство давления одной атмосфере (или, несколько более точно, на стандартные условия ), а 298,15 - температура. Иногда индекс 0 используют для величин, относящихся к чистому веществу , оговаривая, что обозначать им стандартные термодинамические величины можно только тогда, когда в качестве стандартного состояния выбрано именно чистое вещество . Стандартным также может быть принято, например, состояние вещества в предельно разбавленном растворе. «Диск Плимсоля» в таком случае означает собственно стандартное состояние вещества, независимо от его выбора.

Энтальпия образования простых веществ принимается равной нулю, причем нулевое значение энтальпии образования относится к агрегатному состоянию, устойчивому при T = 298 K. Например, для йода в кристаллическом состоянии ΔH I2(тв) 0 = 0 кДж/моль, а для жидкого йода ΔH I2(ж) 0 = 22 кДж/моль. Энтальпии образования простых веществ при стандартных условиях являются их основными энергетическими характеристиками.

Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции (следствиезакона Гесса ):

ΔH реакции O = ΣΔH f O (продукты) - ΣΔH f O (реагенты)

Термохимические эффекты можно включать в химические реакции. Химические уравнения в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями. Реакции, сопровождающиеcя выделением тепла в окружающую среду имеют отрицательный тепловой эффект и называются экзотермическими . Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла имеют положительный тепловой эффект и называются эндотермическими . Тепловой эффект обычно относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества, стехиометрический коэффициент которого максимален.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Чтобы рассчитать температурную зависимость энтальпии реакции, необходимо знать мольные теплоемкости веществ, участвующих в реакции. Изменение энтальпии реакции при увеличении температуры от Т 1 до Т 2 рассчитывают по закону Кирхгофа (предполагается, что в данном интервале температур мольные теплоемкости не зависят от температуры и нет фазовых превращений ):

Если в данном интервале температур происходят фазовые превращения, то при расчёте необходимо учесть теплоты соответствующих превращений, а также изменение температурной зависимости теплоемкости веществ, претерпевших такие превращения:

где ΔC p (T 1 ,T f) - изменение теплоемкости в интервале температур от Т 1 до температуры фазового перехода; ΔC p (T f ,T 2) - изменение теплоемкости в интервале температур от температуры фазового перехода до конечной температуры, и T f - температура фазового перехода.

Стандартная энтальпия сгорания

Стандартная энтальпия сгорания - ΔH гор о, тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

Стандартная энтальпия растворения

Стандартная энтальпия растворения - ΔH раств о, тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя. Складывается из теплоты разрушения кристаллической решетки и теплоты гидратации (или теплоты сольватации для неводных растворов), выделяющейся в результате взаимодействия молекул растворителя с молекулами или ионами растворяемого вещества с образованием соединений переменного состава - гидратов (сольватов). Разрушение кристаллической решетки, как правило, эндотермический процесс - ΔH реш > 0, а гидратация ионов - экзотермический, ΔH гидр < 0. В зависимости от соотношения значений ΔH реш и ΔH гидр энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH раствKOH о = ΔH реш о + ΔH гидрК +о + ΔH гидрOH −о = −59 КДж/моль

Под энтальпией гидратации - ΔH гидр, понимается теплота, которая выделяется при переходе 1 моля ионов из вакуума в раствор.

Стандартная энтальпия нейтрализации

Стандартная энтальпия нейтрализации - ΔH нейтр о энтальпия реакции взаимодействия сильных кислот и оснований с образованием 1 моля воды при стандартных условиях:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

H + + OH − = H 2 O, ΔH нейтр ° = −55,9 кДж/моль

Стандартная энтальпия нейтрализации для концентрированных растворов сильных электролитов зависит от концентрации ионов, вследствие изменения значения ΔH гидратации ° ионов при разбавлении.

Энтальпия

Энтальпия - это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия - это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия - это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.Единицы энтальпии - британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Количество энтальпии

Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура - это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды - это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.

Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения коэффициента полезного действия процесса.

Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества , так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту. H = U + pV

Внутренняя энергия

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) - это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.

Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:

Подведённая к телу теплота , измеренная в джоулях

- работа , совершаемая телом против внешних сил, измеренная в джоулях

Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики

Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:

-температура , измеренная в кельвинах

-энтропия , измеренная в джоулях/кельвин

-давление , измеренное в паскалях

-химический потенциал

Количество частиц в системе

Идеальные газы

Согласно закону Джоуля, выведенному эмпирически, внутренняя энергия идеального газа не зависит от давления или объёма. Исходя из этого факта, можно получить выражение для изменения внутренней энергии идеального газа. По определению молярной теплоёмкости при постоянном объёме, . Так как внутренняя энергия идеального газа является функцией только от температуры, то

.

Эта же формула верна и для вычисления изменения внутренней энергии любого тела, но только в процессах при постоянном объёме (изохорных процессах ); в общем случае C V (T ,V ) является функцией и температуры, и объёма.

Если пренебречь изменением молярной теплоёмкости при изменении температуры, получим:

ΔU = νC V ΔT ,

где ν - количество вещества, ΔT - изменение температуры.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ВЕЩЕСТВА, ТЕЛА, СИСТЕМЫ

(Греч.: ένέργια - деятельность , энергия ). Внутренняя энергия - это часть полной энергии тела (системы тел ): E = E k + E p + U , где E k - кинетическая энергия макроскопического движения системы, E p - потенциальная энергия , обусловленная наличием внешних силовых полей (гравитационного, электрического и т.д.), U - внутренняя энергия. Внутренняя энергия вещества , тела, системы тел - функция состояния , определяемая как полный запас энергии внутреннего состояния вещества, тела, системы, изменяющийся (высвобождающийся) в процессе химической реакции , теплообмена и выполнения работы . Составляющие внутренней энергии: (а) кинетическая энергия теплового вероятностного движения частиц (атомов, молекул, ионов и др.), составляющих вещество (тело, систему); (б) потенциальная энергия частиц, обусловленная их межмолекулярным взаимодействием ; (в) энергия электронов в электронных оболочках, атомов и ионов; (г) внутриядерная энергия. Внутренняя энергия не связана с процессом изменения состояния системы. При любых изменениях системы внутренняя энергия системы вместе с ее окружением остается постоянной. То есть внутренняя энергия не утрачивается и не приобретается. Вместе с тем, энергия может переходить от одной части системы к другой или превращаться из одной формы в другую. Это одна из формулировок закона сохранения энергии - первый закон термодинамики. Часть внутренней энергии, может превращаться в работу. Эту часть внутренней энергии называют свободной энергией - G . (В химических соединениях ее называют химическим потенциалом ). Остальную часть внутренней энергии, которая не может превращаться в работу, называют связанной энергией - W b .

Энтропия

Энтропи́я (от греч. ἐντροπία - поворот, превращение) в естественных науках - мера беспорядка системы , состоящей из многих элементов . В частности, в статистической физике - мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации - мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации ; в исторической науке , для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).