Закон сохранения массыи энергии
После доказательствасуществования атомов и молекул важнейшим открытием атомно-молекулярной теориистал закон сохранения массы, который был сформулирован в виде философскойконцепции 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 сжиганиювеществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль о том, что массавеществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртутьпревращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Массазолы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходноговещества.
Ломоносов провел простойопыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, аувеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Онпрокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосудане изменялась, хотя химическая реакция происходила. После того, как сосуд былвскрыт, туда устремлялся воздух, и масса сосуда увеличивалась. Таким образом,при аккуратном измерении массы всех участников реакции выясняется, что массавеществ при химической реакции сохраняется. Закон сохранения массы имелогромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомыявляются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы приреакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется,и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется.
Закон сохранения массыявляется частным случаем общего закона природы — закона сохранения энергии,который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия — этомера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах визолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она можеттолько переходить из одной формы в другую.
Одной из форм энергииявляется так называемая энергия покоя, которая связана с массой соотношениемЭйнштейна
Е0 = m0•с2,
где с — скорость света ввакууме (с = 3•108 м/с). Это соотношение показывает, что масса может переходитьв энергию и наоборот. Именно это и происходит во всех ядерных реакциях, ипоэтому закон сохранения массы в ядерных процессах нарушается. Однако, законсохранения энергии остается справедливым и в этом случае, если учитыватьэнергию покоя.
В химических реакцияхизменение массы, вызванное выделением или поглощением энергия, очень мало.Типичный тепловой эффект химической реакции по порядку величины равен 100кДж/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 NaIколичеством вещества 0,6 моль.
Дано: ν(NaI)= 0,6 моль.
Найти: m(NaI) =?
Решение. Молярная масса иодида натриясоставляет:
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 веществаатомного бора, содержащегося в тетраборате натрия Na2B4O7массой 40,4 г.
Дано: m(Na2B4O7)=40,4г.
Найти: ν(B)=?
Решение. Молярная масса тетрабората натриясоставляет 202 г/моль. Определяем количество вещества Na2B4O7:
ν(Na2B4O7)=m(Na2B4O7)/ М( Na2B4O7)= 40,4/202=0,2 моль.
Вспомним, что 1 мольмолекулы тетрабората натрия содержит 2 моль атомов натрия, 4 моль атомов бора и7 моль атомов кислорода (см. формулу тетрабората натрия). Тогда количествовещества атомного бора равно:
ν(B)= 4 • ν (Na2B4O7)=4• 0,2 = 0,8 моль.
Ответ: 0,8 моль
3.Какуюмассу 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 стехиометрическиекоэффициенты.
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. Какаямасса 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)=7,3г; m(NH3)=5,1 г.
Найти: m(NH4Cl) =? m(избытка) =?
Решение:записываем уравнение реакции.
HCl +NH3 = NH4Cl
Эта задача на «избыток» и «недостаток». Рассчитываемколичества вещества хлороводорода и аммиака и определяем, какой газ находится визбытке.
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 понедостатку, т.е. по хлороводороду. Из уравнения реакции следует, что ν(HCl)= ν(NH4Cl) = 0,2 моль. Определяем массухлорида аммония.
m(NH4Cl) = ν(NH4Cl) • М(NH4Cl) =0,2• 53,5 = 10,7 г.
Мы определили, что аммиак находится в избытке (поколичеству вещества избыток составляет 0,1 моль). Рассчитаем массу избыткааммиака.
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 в64г. Карбоната магния?
Дано: m(Mg Co3)=64
Найти: ν(Mg Co3)=?
Решение: Mr(Mg Co3)=24+12+16*3=36+48=84 г/моль
ν =m/M 64/84=0.76 моль
Ответ: 0.76 моль
7.Сколько молей в 420г. Fe O?
Дано: m(Fe O)=420г.
Найти: ν(Fe O)=?
Решение: Mr(Fe O)=56+16=72
ν =m/M 420/72=5,8 моль
Ответ: 5,8 моль
8.Какова масса поваренной соли в 2,5 моляхвещества?
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/M 250/81=3
Ответ:3 моля
10.Определите массу иодида натрия NaI?
Дано: ν(NaI)= 0,6 моль.
Найти: m(NaI) =?
Решение. Молярная масса иодида натриясоставляет:
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