§ 21. Закон збереження маси речовин під час хімічних реакцій

Видатний англійський хімік Р. Бойль, прожарюючи у відкритій реторті (мал. 76) різні метали та зважуючи їх до і після нагрівання, виявив, що маса металів збільшується. Беручи за основу ці досліди, він зробив неправильний висновок, що маса речовин у результаті хімічних реакцій змінюється.

Р. Бойль твердив: існує якась «вогняна матерія», яка під час нагрівання металу сполучається з іншим металом, збільшуючи його масу.

М.В. Ломоносов, на відміну від Р. Бойля, прожарював метали не на відкритому повітрі, а в запаяних ретортах і також зважував їх до та після прожарювання. Він довів, що маса речовин до і після реакції залишається без змін, і що під час прожарювання до металу приєднується якась частина повітря. (Кисень на той час ще не був відкритий).

БОЙЛЬ Роберт (1627-1691).

Англійський фізик і хімік, першим сформулював наукове визначення хімічного елемента; відкрив один із газових законів (закон Бойля-Маріотта)

Мал. 76. Реторта

У XVIII ст. на основі численних експериментів французький хімік Антуан Лоран Лавуазьє і незалежно від нього російський вчений Михайло Васильович Ломоносов встановили: під час хімічних перетворень маса речовин залишається незмінною — загальна маса усіх вихідних речовин дорівнює загальній масі усіх продуктів реакції.

ЛАВУАЗЬЕ Антуан Лоран (1743-1794).

Французький хімік. Експериментально довів склад повітря, запропонував назву «кисень», з’ясував роль кисню у процесах горіння і дихання

Це твердження має назву закону збереження маси речовин під час перебігу хімічних реакцій. Сьогодні воно здається очевидним. Дійсно, під час хімічних реакцій одні речовини перетворюються на інші, але при цьому атоми не зникають, не з’являються і не перетворюються з одного виду на інший.

Проте на той час, коли вчення про атоми і молекули ще не мало загального визнання, багато фактів, як здавалося, суперечили закону збереження маси речовин. Наприклад, коли свічка поступово згоряє, її маса зменшується. Як це пояснити? Горіння свічки — це хімічна реакція парафіну з киснем повітря, яка відбувається з утворенням вуглекислого газу і води. Продукти цієї реакції (вуглекислий газ та водяна пара) — газоподібні речовини, які вивітрюються. Тому нам і здається, що відбувається втрата маси.

Закон збереження маси речовин можна експериментально перевірити у шкільній лабораторії за допомогою двоколінної пробірки. В одне коліно пробірки потрібно налити прозорий безбарвний розчин барій нітрату Ba(NO₃)₂, а в друге — прозорий безбарвний розчин калій сульфату K₂SO₄ і пробірку зрівноважити на лабораторних терезах (мал. 77).

Якщо пробірку обережно нахилити і злити розчини, то спостерігатимемо появу білого осаду, що є ознакою хімічної реакції. Рівновага терезів після закінчення реакції не порушилася. А це означає, що загальна маса речовин до реакції дорівнює загальній масі речовин після реакції.

Мал. 77. Доведення закону збереження маси речовин під час хімічних реакцій

Хімічні реакції звичайно записують у вигляді рівнянь. У лівій частині рівняння хімічної реакції записують формули вихідних речовин (реагентів), а в правій — продуктів. Розглянемо на прикладі, як скласти таке рівняння. При прожарюванні на повітрі мідної пластинки на її поверхні утворюється чорний наліт оксиду Купруму(IV) CuO — сполуки Купруму і Оксиґену. Мідь Cu сполучається з киснем повітря (кисень складається з двоатомних молекул О₂), утворюючи оксид Купруму(II) CuO:

Цей запис читають так: Купрум плюс о-два утворюється купрум-о.

Це схема реакції. Щоб її перетворити на рівняння, потрібно урівняти число атомів кожного хімічного елемента в лівій і правій частинах (до і після стрілки). Для цього добирають коефіцієнти — цифри перед формулами речовин, які вказують на число частинок, що вступили у взаємодію. Легко помітити, що число атомів Оксиґену в лівій і правій частинах схеми різне: зліва два атоми Оксиґену, справа — один, а це суперечить закону збереження маси речовин. Тому перед формулою оксиду Купруму(II) CuO поставимо коефіцієнт 2:

Тепер зліва і справа від стрілки записано однакове число атомів Оксиґену. Проте, поставивши коефіцієнт 2 перед формулою CuO, ми одночасно збільшили і число атомів Купруму у правій частині схеми — їх стало два. Для того, щоб урівняти число атомів Купруму в обох частинах схеми, потрібно поставити іще один коефіцієнт, цього разу перед формулою міді Cu:

Тепер число атомів кожного хімічного елемента в лівій та правій частинах схеми однакові. Щоб зазначити, що коефіцієнти дібрано, стрілку між формулами реагентів та продуктів у рівнянні хімічної реакції заміняють знаком «дорівнює»:

Це хімічне рівняння читається так: два-купрум плюс о-два дорівнює два-купрум-о.

Як ви вже помітили, коефіцієнт 1, аналогічно до індексу 1 у формулі речовини, не ставлять.

Розглянемо ще один приклад. Основна складова частина природного газу — метан СН₄. Напишемо рівняння реакції горіння метану, знаючи, що продуктами реакції є вуглекислий газ СО₂ і вода Н₂О (мал. 78).

Мал. 78. Рівняння реакції горіння метану і його зображення за допомогою моделей

Спочатку напишемо схему реакції:

Урівняємо число атомів кожного хімічного елемента зліва і справа від стрілки, тобто доберемо коефіцієнти. Розпочнемо з атомів Карбону — в обох частинах їх по одному. Потім підрахуємо число атомів Гідроґену: у лівій частині схеми їх чотири, а в правій — два. Урівняємо їхнє число, поставивши коефіцієнт 2 перед формулою Н₂О:

Залишилося урівняти число атомів Оксиґену. У лівій частині лише два атоми Оксиґену в молекулі О₂, а у правій — чотири (два атоми у складі молекули СО₂ і по одному у складі двох молекул Н₂О). Очевидно, що перед формулою О₂ у лівій частині потрібно поставити коефіцієнт 2:

Перерахуємо ще раз число атомів кожного хімічного елемента у лівій і правій частинах рівняння хімічної реакції та переконаємося, що коефіцієнти дібрано правильно.

Коефіцієнти у рівняннях хімічних реакцій іноді бувають досить великими числами. Наведемо приклад. Свічка складається з парафіну, який є сумішшю близьких за складом і будовою сполук Карбону і Гідроґену. Складемо рівняння реакції горіння одного з них — октадекану С₁₈Н₃₈, вважаючи, що весь Карбон, який входить до його складу, перетворюється на вуглекислий газ:

Спочатку урівняємо число атомів Карбону і Гідроґену, для цього перед формулою СО₂ поставимо коефіцієнт 18, а перед формулою Н₂О — 19:

Тепер залишилося урівняти число атомів Оксиґену. Зліва їх два, а справа — 18 • 2 + 19 = 55. У такому випадку число молекул О₂ у лівій частині рівняння є дробом —

Але що означає дробове число молекул кисню? Адже молекула — найдрібніша частинка речовини, і поняття «частина молекули» не має сенсу. Щоб усі коефіцієнти були цілими числами, збільшимо кожен з них у два рази:

За рівнянням реакції можна здійснювати різноманітні розрахунки. Але це ви навчитесь робити у восьмому класі.

• Маса речовин, які вступають у хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворюються унаслідок реакції.
• Хімічні реакції записують за допомогою хімічних рівнянь. У лівій і правій частинах хімічного рівняння число атомів кожного хімічного елемента має бути однаковим.

Початковий рівень

• 1. Сформулюйте закон збереження маси речовин.
• 2. Хто відкрив закон збереження маси речовин?
• 3. Чому під час горіння спиртівки маса спирту постійно зменшується? Чи не порушується при цьому закон збереження маси речовин?

Середній рівень

• 4. Як ви поясните збільшення маси залізної деталі при іржавінні?
• 5. Що означає індекс у формулі речовини і коефіцієнт у рівнянні реакції?
• 6. Що означає «дібрати коефіцієнти» у рівнянні хімічної реакції?

Достатній рівень

• 7. При згорянні вуглецю С утворюється вуглекислий газ. Напишіть рівняння цієї реакції.
• 8. При взаємодії двох газів — кисню і водню — утворюється вода. Напишіть рівняння цієї реакції.
• 9. Під час розкладу малахіту (CuOH)₂CO₃ утворюється оксид Купруму(II) CuO, вуглекислий газ і вода. Напишіть рівняння цієї реакції.

Високий рівень

§ 16. Рівняння хімічних реакцій. Закон збереження маси речовин у хімічних реакціях

Усі хімічні перетворення зручніше описувати за допомогою хімічних формул і рівнянь реакцій. Процес горіння вугілля можна описати такою схемою:

Цей схематичний запис називають рівнянням хімічної реакції. У лівій частині наведеного рівняння один атом Карбону й одна молекула кисню, що складається з двох атомів Оксигену. У правій частині рівняння одна молекула вуглекислого газу (карбон(ІV) оксиду), що складається з одного атома Карбону та двох атомів Оксигену.

Число атомів кожного хімічного елемента в обох частинах рівняння однакове. Для того щоб підкреслити однакову кількість атомів усіх елементів, у наведеному записі стрілку можна замінити на знак рівності:

Рівняння хімічної реакції є відображенням закону збереження маси речовин у хімічних реакціях.

Маса речовин, що вступили в хімічну реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися в результаті реакції.

Цей закон був відкритий М. В. Ломоносовим у 1748 році та, незалежно від нього, А. Лавуазьє у 1789 році, тому цей закон називають також законом Ломоносова-Лавуазьє.

У результаті хімічних реакцій одні речовини перетворюються на інші: атоми, з яких складаються початкові речовини, не зникають, не з’являються і не перетворюються з одного виду на інший, а тільки перегруповуються, утворюючи молекули нових речовин. Сьогодні це твердження здається очевидним, проте в XVII столітті спостереження деяких учених суперечили йому. Наприклад, спирт під час горіння поступово втрачає масу і, врешті-решт, зникає. Якщо залізна пластинка лежить на повітрі, вона поступово іржавіє і її маса за таких умов збільшується. Як це пояснити? Пояснення цим фактам отримали тільки після проведення експериментів із ретельним зважуванням початкових речовин та продуктів реакцій.

Доведемо, що під час горіння закон збереження маси виконується. Горіння свічки — це хімічна реакція, що відбувається з утворенням вуглекислого газу та води (у вигляді водяної пари). Продукти реакції (вуглекислий газ і водяна пара) — це газуваті речовини, які випаровуються, і тому здається, що речовина зникає. Якщо реакцію проводити в закритій посудині, то продуктам реакції нема куди зникати.

На одну шальку терезів помістимо свічку в посудині, заповненій киснем, що герметично закривається (мал. 86). Урівноважимо терези й підпалимо свічку. Свічка певний час горить, а потім, коли витратиться кисень, горіння припиняється. Під час горіння свічки рівновага терезів зберігається. Отже, маса колби з початковими речовинами дорівнює масі колби з продуктами реакції.

Мал. 86. Дослід, що ілюструє закон збереження маси в хімічних реакціях: при горінні свічки в закритій посудині рівновага на терезах не змінюється

У разі іржавіння заліза атоми Феруму реагують з киснем і водою з навколишнього повітря. У цьому випадку утворюється іржа, маса якої більша, ніж маса початкового заліза, тому здається, що речовина виникає нізвідки.

Проведемо подібний дослід у герметичній колбі (мал. 87а). Помістимо зразок металу в колбу і закриємо її корком із запаяною газовідвідною трубкою та нагріємо. Після прожарювання метал змінює свій колір, оскільки перетворився на оксид (мал. 87б). Щоб довести, що частина повітря витратилася на реакцію з металом, опустимо газовідвідну трубку в посудину з водою і зламаємо кінець трубки. Оскільки частина повітря сполучилася з металом, то в колбі виник вільний простір, який через трубку заповнює вода (мал. 87в).

Мал. 87. Прожарювання металу в закритій колбі. Після закінчення реакції місце повітря, що витратилося на реакцію, займає вода

Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765)

Видатний російський учений. Навчався у Слов’яно-греко-латинській академії, в Києво-Могилянській академії, Петербурзькому університеті, в університеті Гамбурга. Ломоносов був одним із найосвіченіших людей Росії того часу. Заслуговують на увагу та пошану його роботи не тільки в галузі хімії, але й у мінералогії, географії, металургії, фізиці, історії, поезії, образотворчому мистецтві. Відкрив закон збереження маси, створив першу в Росії хімічну лабораторію. За результатами спостережень сонячного затемнення встановив існування атмосфери на Венері. За його ініціативою був відкритий Московський університет, який донині носить його ім’я.

Складання рівнянь хімічних реакцій

Рівняння хімічних реакцій складаються з урахуванням закону збереження маси. Розглянемо, як складаються рівняння реакцій утворення бінарних сполук із простих речовин.

Приклад 1. Складемо рівняння реакції утворення метану СН₄ — основного компоненту природного газу. Метан складається з атомів Карбону та Гідрогену. Отже, для його добування необхідні прості речовини, одна з яких складається з атомів Карбону (вугілля С), а інша — з атомів Гідрогену (водень Н₂).

У лівій частині записуємо формули початкових речовин (реагентів) С і Н₂, а в правій — продукту реакції СН₄:

Але цей запис ще не є рівнянням реакції — це схема реакції. Для того щоб вона перетворилася на рівняння, необхідно зрівняти число атомів кожного елемента в лівій і правій частинах. Для цього необхідно дібрати коефіцієнти — цифри перед хімічними формулами, які вказують число молекул (атомів або формульних одиниць). Як видно, у лівій і правій частинах схеми по одному атому Карбону, але в лівій частині два атоми Гідрогену (одна молекула водню), а в правій — чотири атоми (у складі однієї молекули метану). Це суперечить закону збереження маси. Щоб це виправити, перед формулою водню в лівій частині рівняння необхідно поставити коефіцієнт 2:

Тепер в обох частинах рівняння число атомів Гідрогену та Карбону однакове. Щоб підкреслити, що коефіцієнти дібрані, стрілку між реагентами і продуктами в рівнянні можна замінити знаком рівності:

Приклад 2. Розглянемо реакцію горіння метану. Горіння — це взаємодія з киснем O₂. Під час горіння метану утворюються вуглекислий газ СO₂ і вода Н₂O.

Тепер треба зрівняти число атомів кожного хімічного елемента, тобто дібрати коефіцієнти. Почнемо з атомів Карбону: в обох частинах рівняння їх по одному. Потім підрахуємо атоми Гідрогену: у лівій частині чотири атоми, а в правій — два. Щоб зрівняти їх число, треба перед формулою води поставити коефіцієнт 2:

Залишилося зрівняти число атомів Оксигену (зазвичай Оксиген зрівнюють останнім). У лівій частині рівняння два атоми Оксигену в молекулі O₂, а в правій — чотири (два атоми у складі молекули вуглекислого газу СO₂ і два атоми у складі двох молекул води Н₂O). Отже, в лівій частині рівняння перед формулою кисню треба поставити коефіцієнт 2:

Тепер число атомів усіх елементів однакове, отже, коефіцієнти дібрано правильно.

Добираючи коефіцієнти в рівнянні реакції, слід пам’ятати такі правила:

• коефіцієнт показує число молекул, окремих атомів або формульних одиниць у рівнянні реакції;

• коефіцієнт ставиться тільки перед хімічною формулою;

• коефіцієнт стосується всіх атомів, з яких складається молекула, перед якою він стоїть, наприклад:

запис 2Н₂O означає дві молекули води, у яких міститься 4 атоми Гідрогену (по два в кожній молекулі) і 2 атоми Оксигену (по одному в кожній молекулі);

• коефіцієнт 1, як і індекс 1, не записується;

• індекс показує число атомів елемента (або груп атомів) у складі молекули, а коефіцієнт — число молекул, наприклад:

Н₂ — одна молекула водню, що складається з двох атомів Гідрогену;

2Н₂ — дві молекули водню, кожна з яких складається з двох атомів Гідрогену.

Записи 4Н і 2Н₂ нерівнозначні. Хоча в них записане однакове число атомів Гідрогену, проте перший запис означає чотири окремі атоми Гідрогену, а другий — дві молекули водню.

У рівняннях реакцій також часто вказують умови перебігу реакцій або виділення газу й осаду. Так, якщо з розчину виділяється газувата речовина, то поряд з її формулою ставлять стрілку, спрямовану вгору: ↑. Якщо з газів або рідин утворюється нерозчинна речовина, то поряд з її формулою ставлять стрілку, спрямовану вниз: ↓.

1. Маси речовин, що вступають у реакцію, дорівнюють масі утворених речовин, що підтверджує закон збереження маси в хімічних реакціях. Цей закон ґрунтується на тому, що атоми в хімічних реакціях не зникають, а просто переходять з одних речовин до складу інших. За допомогою хімічних символів і знаків закон збереження маси відображають рівнянням хімічної реакції.

2. При складанні рівнянь хімічних реакцій необхідно дотримуватися вимоги, щоб число атомів усіх елементів у лівій і правій частинах рівняння було однаковим. Для цього перед хімічними формулами пишуть коефіцієнти, які означають число молекул, окремих атомів або формульних одиниць.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте закон збереження маси речовин і обґрунтуйте його з позиції понять про атоми та молекули.

2. Чому при горінні свічки її маса поступово зменшується? Чи не суперечить це закону збереження маси?

3. Який запис називають рівнянням хімічної реакції?

4. Яке значення має коефіцієнт у рівнянні реакції та індекс у хімічній формулі? У чому полягає відмінність між коефіцієнтом та індексом?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Поясніть, що означають записи:

2. Розгляньте схематичне зображення хімічної реакції утворення амоніаку. Запишіть для неї рівняння, якщо синіми кульками позначені атоми Нітрогену, а червоними — Гідрогену.

3. Доберіть коефіцієнти. У разі потреби позначте виділення газу або нерозчинної речовини відповідними символами.