Закон сохранения массы и энергии

Фундаментальный закон естествознания - закон неуничтожимости материи и движения: невозможно исчезновение каких-либо форм материи без возникновения других ее форм, так же как исчезновение одних форм движения без возникновения других. Одним из его следствий является закон сохранения массы и энергии: в изолированной системе сумма масс и сумма энергий постоянны.

Закон сохранения массы веществ впервые был сформулирован в 1748 г М.В.Ломоносовым.: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Независимо от Ломоносова этот закон позднее был сформулирован А.Лавуазье. Он установил также, что в химических реакциях остается неизменной не только масса веществ, но и масса элементов, т.е. превращения элементов друг в друга не происходит.

Поскольку в химических реакциях не происходит превращений элементов, общее число атомов остается постоянным. А так как атомы имеют постоянную массу, то не меняется и масса веществ до и после реакции.

Однако точно этот закон выполняется только в изолированной системе (такой, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией). Если в результате обмена с окружающей средой система теряет или поглощает энергию, масса продуктов реакции не равна массе исходных веществ. Например, масса атома изотопа углерода ¹²С равна точно 12 а.е.м. (изотопы - разновидности атомов одного элемента, отличающиеся атомной массой). Образование этого изотопа можно представить процессом соединения 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов: и вычислить его массу по известным значениям масс этих элементарных частиц:

m (¹²C) = 6 m (p) + 6 m (n) + 6 m (e)

m (¹²C) = 6 ^. 1,0078 + 6^. 1,0087 + 6^. 0,00055 = 12,099 а.е.м.

12,099 - 12 = 0,099 а.е.м.

Разница в 0,099 а.е.м., так называемый "дефект массы", возникает из-за того, что в реакции выделяется ~ 10¹⁰ кДж/моль энергии. В реальных химических расчетах "дефект массы" не учитывают и используют закон сохранения массы для составления уравнений химических реакций (число атомов каждого вида должно быть одинаковым в левой и правой частях уравнения) и расчета материальных балансов.

Закон сохранения энергии был сформулирован Ломоносовым и век спустя экспериментально подтвержден Майером. Его современная формулировка: энергия изолированной системы постоянна, возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой. Закон дает основу для составления тепловых балансов химических систем.

Атомно-молекулярное учение

Представления о составе и строении веществ формировались на протяжении многих столетий, начиная с древнегреческих философских учений Левкиппа, Демокрита, Эпикура. Однако создание учения об атомно-молекулярном строении вещества стало возможным к середине ХIХ в. на основании экспериментально установленных стехиометрических законов. Основные его положения, принятые на первом Международном съезде химиков в 1860 г. в Германии, сводились к следующим:

1. Все вещества состоят из молекул.

2. Молекулы состоят из атомов.

3. Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.

4. Атомы - мельчайшие, неделимые составные части молекул.

В последующий век представления о строении вещества значительно изменились. В ХХ в. прямым экспериментом было доказано существование не только атомов и молекул, но также ионов и элементарных частиц.

Современные представления о строении вещества могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Вещества состоят из атомов, молекул или ионов.

Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Атом электронейтрален, состоит из положительно заряженного ядра и электронов

Химический элемент - определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Химические элементы обозначаются начальными буквами их латинских названий (эти символы введены в начале ХIХ в. Я.Берцелиусом), например: водород (Hydrogenium) - H, сера (Sulfur) - S, медь (Cuprum) - Cu. Они приведены в таблице химических элементов Д.И.Менделеева. В названиях соединений элементов используются их латинские корни, например: LiH - гидрид лития, Na₂SO₄ - сульфат натрия, FeS -сульфид железа.

Молекула - электронейтральная наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных химическими связями в определенную структуру. Число атомов в молекуле может быть от двух (например, в молекуле водорода Н₂) до миллионов ( в молекулах полимеров).

Физические свойства вещества (температуры кипения и плавления, плотность, тепло- и электропроводность и др.) для отдельной молекулы не имеют смысла.

Ион- заряженная частица, образующаяся при отдаче или приобретении электронов атомами или молекулами.

2. Все молекулы, атомы и ионы, входящие в состав вещества, находятся в непрерывном движении, обусловленном запасом тепловой энергии вещества. Элементарные частицы в атоме также находятся в движении. При химических превращениях молекулы разрушаются, но атомы сохраняются и перегруппировываются.

3. Вещества подразделяют на смеси и чистые вещества (условно чистые, так как абсолютно чистых веществ в природе не существует).

Смеси бывают гомогенные, или однородные (например, вода и сахар, вода и спирт) и гетерогенные, или неоднородные (например, сахар и соль).

Чистые вещества подразделяют на простые вещества (состоят из атомов одного элемента, например, углерод С, азот N₂ , цинк Zn) и сложные вещества, или химические соединения (состоят из атомов разных элементов, например, вода H₂O, азотная кислота HNO₃) .

Химическая формула вещества записывается символами элементов и показывает его качественный состав и количественное соотношение элементов в нем. (Формула воды - Н₂О - показывает, что в веществе "вода" на каждый атом кислорода приходится два атома водорода.).

Химических элементов в настоящее время известно 111, а простых веществ намного больше - около 400. Это связано с тем, что некоторые элементы образуют несколько простых веществ. Их называют аллотропными видоизменениями (аллотропными модификациями), а само явление - аллотропией. Аллотропные видоизменения - это либо молекулы с разным числом атомов (например, кислород О₂ и озон О₃), либо кристаллы разного строения (например, алмаз и графит - разные простые вещества, образованные одним элементом углеродом).

В зависимости от физических условий (температуры и давления) вещества могут существовать в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом (кристаллическом или аморфном), плазменном.

Все вещества подразделяют на вещества молекулярного и немолекулярного строения.

Молекулярные вещества состоят из молекул, например, в обычных условиях газы: кислород О₂, водород Н₂, азот N₂ ; жидкости: этиловый спирт С₂Н₅ОН, бензол С₆Н₆ ; твердые вещества: йод I₂, белый фосфор P₄.

Немолекулярные вещества состоят из атомов (например, газы: гелий Не, неон Nе, аргон Аr; твердый сульфид железа FeS - из атомов Fe S) или ионов (например, кристалл поваренной соли - из ионов Na⁺ и Cl^- ). Для этих веществ записывают формулу условной молекулы (формульной единицы), которая показывает соотношение атомов в веществе (NaCl).

Химическое превращение, или химическая реакция - процесс, при котором из одних веществ образуются другие вещества (из реагентов образуются продукты реакции). При этом не происходит превращений атомов одних химических элементов в другие (это происходит в ядерных реакциях). Химические реакции изображают в виде химических уравнений. При этом согласно закону сохранения массы число атомов каждого элемента, вступающих в реакцию, должно быть равно их числу, образующемуся в результате реакции. В уравнениях реакций это уравнивание числа атомов выполняется расстановкой стехиометрических коэффициентов.