Закон сохранения массы в химии: формула, примеры и определение

Закон сохранения массы в химии гласит, что масса в изолированной системе не создается и не разрушается химическими реакциями или физическими превращениями. Согласно этому положению, масса продуктов в химической реакции должна равняться массе реагентов. Закон сохранения полезен для ряда вычислений, например, определения неизвестных масс, таких как количества газа, потребляемого или добываемого в ходе реакции.

Оглавление:

• Основные условия
• История создания
• Практические примеры
• Закон сохранения массы-энергии

Основные условия

Открытие закона сохранения веса помогло превратить химию в респектабельную науку, которой она является сегодня. Она берет свои основы в алхимии, в науке, которая в какой-то степени связана с магией и мистикой. С появлением закона химики отказались от загадочной части исследований и начали верить в предсказуемость и надежность.

Положения о массе крайне важны для изучения и производства химических реакций. Если ученые знают количество и идентичность реагентов для конкретной реакции, они могут предсказать количество продуктов, которые будут произведены. Производители химикатов могут повысить эффективность, применяя положения закона в своей лабораторной практике.

Среди основных условий и положений можно выделить следующие:

• Материя не может быть создана или уничтожена. Она просто существует.
• Продуктом называется химическое вещество, образовавшееся в результате соответствующей реакции.

История создания

Считается, что вывел закон сохранения вещества Ломоносов, однако данное утверждение неверно. Открытие было сделано в 1789 году французским ученым Антуаном Лавуазье. Другие предлагали эту идею раньше, но Лавуазье был первым, кто смог доказать ее. Открыть закон пытались не только химики, но и физики, однако впервые сформулировать его смог именно Лавуазье.

В то время большая часть атомной химии основывалась на учениях греков, и благодаря более поздним идеям считалось, что что-то в огне на самом деле является веществом. Это, рассуждали ученые, объясняло, почему куча пепла легче, чем все, что было сожжено, чтобы произвести пепел.

Лавуазье решил поставить опыт, который будет иметь практическое значение. Он нагрел окись ртути и отметил, что количество уменьшенного веса химического вещества равно весу газообразного кислорода, выделяющегося во время реакции.

До того, как химики смогли объяснить массу вещей, которые было трудно отследить, таких как водяной пар и следовые газы, они не могли адекватно проверить принципы сохранения материи, даже если подозревали, что такие законы и правда могут выполняться.

В любом случае это привело Лавуазье к утверждению, что вещество должно сохраняться в химических реакциях, а это означает, что общее количество вещества на каждой стороне химического уравнения одинаково. Таким образом, общее число атомов (но не обязательно общее количество молекул) в реагентах должно равняться количеству в продуктах независимо от характера химического изменения.

Масса продуктов в химических уравнениях равна массе реагентов — это основа стехиометрии, или процесса учета, с помощью которого химические реакции и уравнения математически сбалансированы с точки зрения как массы, так и числа атомов на каждой стороне.

Практические примеры

Изучение примеров закона полезно для визуализации и понимания этой важной научной концепции. Вот два примера, которые помогут проиллюстрировать, как работает принцип сохранения веса.

Одним из наиболее популярных примеров является изображение костра или открытого огня. Можно представить, что было собрано несколько палочек, которые впоследствии подожгли. После пары жареных маршмеллоу и песен становится ясным, что костер полностью сгорел. Все, что осталось, это небольшая кучка пепла и немного дыма.

Первоначальный инстинкт может заключаться в том, чтобы предположить, что часть изначального веса костра от палок как-то исчезла. Но это на самом деле это не так, ведь причина в том, что содержимое просто трансформировалось.

В этом сценарии, когда палочки горели, они объединялись с кислородом в воздухе, превращаясь не только в пепел, но и в углекислый газ и водяной пар. В результате, если измерить общий деревянных палочек и кислорода перед тем, как поджечь палочки, обнаружится, что эта масса равна весу золы, углекислого газа и водяного пара вместе взятых.

Аналогичным примером закона сохранения является горящая свеча. Для примера можно использовать обычную свечу с воском и фитилем. Когда она полностью сгорит, можно увидеть, что воска осталось намного меньше, чем было до того, как ее зажгли. Это означает, что часть воска превратилась в газы, а именно в водяной пар и углекислый газ.

Таким образом, закон сохранения массы веществ гласит, что в изолированной системе материя не может быть создана или уничтожена, а только изменена. Это означает, что общий вес всех веществ до химической реакции будет равна весу всех веществ после химической реакции.

Проще говоря, материя всегда сохраняется, даже если вещество меняет химическую или физическую форму.

Закон сохранения массы-энергии

Впоследствии этот закон был превращен Эйнштейном в закон сохранения энергии, который описывает следующие факты:

• общая масса и энергия в системе остаются постоянными;
• масса и энергия могут быть преобразованы одна в другую;
• энергия, произведенная или потребленная в типичной химической реакции, составляет незначительное количество веса.

Поэтому можно визуализировать проводимые реакции как перегруппировку атомов и связей, в то время как число атомов, участвующих в реакции, остается неизменным. Это предположение позволяет представить реакцию в виде сбалансированного уравнения, в котором число молей любого участвующего элемента одинаково с обеих сторон уравнения. Дополнительным полезным применением закона является определение массы газообразных реагентов и продуктов. Если суммы твердых или жидких реагентов и продуктов известны, любая оставшаяся масса может быть отнесена к газу.

Лавуазье, автор серии книг и ученый, вывел формулу, которая доказывала изменения атомной и молекулярной структуры вещества, однако неизменность его веса.

При разработке своей теории относительности физик и подумать не мог, что его формулировка массы и классов веществ будет перечить устоявшимся законам химии.