Закон сохранения массы веществ

Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе образовавшихся веществ с учетом изменения массы, соответствующего тепловому эффекту данной реакции.

В общем виде математическое выражение этого закона для химической реакции

aA + bB → cC + dD

имеет вид

[m(A) + m(B)] = [m(C) + m(D)] ,

где m – изменение массы за счет выделения или поглощения теплоты (энергии), происходящее в соответствии с уравнением А. Эйнштейна , где – изменение энергии (в данном случае – тепловой эффект реакции); – изменение массы; с – скорость света в вакууме, равная 3∙10⁸ м ∙ с^–1. Поскольку тепловые эффекты химических реакций ( ) чрезвычайно малы по сравнению с величиной с², то соответствующими значениями (10^–9–10^–11 г) можно пренебречь из-за невозможности их практического определения.

С точки зрения атомно-молекулярного учения в ходе реакции происходит лишь перераспределение атомов, но не изменяется их общее количество. Поэтому общая масса всех атомов также не изменяется.

Этот закон лежит в основе расчетов по уравнениям реакций.

Закон постоянства состава веществ

Любое сложное вещество молекулярного строения независимо от способов его получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

Обратите внимание: данный закон применим для веществ только молекулярного строения. Например, количественный состав воды, независимо от способов ее получения, всегда один и тот же: w(H) = 11,1899 %, w(O) = 88,8101 %. Поэтому молекулярная формула воды, выведенная на основе указанных значений массовых долей элементов, всегда одна и та же – Н_2,000О_1,000, или просто H₂O.

Экспериментально доказано, что количественный состав веществ немолекулярного строения зависит от способов их получения. Так, например, в образцах оксида меди(II), полученных разными способами, значения массовой доли меди могут изменяться от 74,6 % до 80,7 %. В соответствии с этим количественный состав оксида меди(II) выражается формулами от Cu_0,739O до СuO_1,053. Однако часто формулу этого вещества записывают упрощенно в виде CuO, округляя соответствующие индексы до целых чисел.

С точки зрения атомно-молекулярного учения в процессе образования молекулы обычно участвует небольшое число атомов, которые соединяются всегда в строго определенном количественном соотношении. Поэтому количественный состав образующихся молекул, а значит, и веществ молекулярного строения оказывается постоянным. В процессах же образования кристаллов немолекулярного (атомного или ионного) строения участвует очень большое число частиц, которые соединяются не всегда в строго определенном соотношении. Поэтому количественный состав образующихся атомных или ионных кристаллов может быть переменным в зависимости от способов их получения.

Количественный состав сложных веществ удобно выражать через массовые доли элементов.

Массовая доля элемента в веществе – число, показывающее, какую часть общей массы вещества составляет масса атомов данного элемента. Массовая доля обозначается символом «w» и выражается либо в долях единицы, либо в процентах (например, 0,35, или 35 %). Массовые доли элементов А и В в сложном веществе А_хВ_у рассчитываются по формулам:

При этом сумма значений массовых долей элементов, входящих в состав вещества, всегда равна 1, или 100 %.

Пример 1.1.1. Вычислите значения массовых долей элементов в азотистой кислоте.

Решение.

1) Рассчитаем значение M_r кислоты:

M_r(HNO₂) = A_r(H) + A_r(N) + 2A_r(O) = 1 + 14 + 32 = 47.

2) Рассчитаем значения массовых долей элементов:

.

Пример 1.1.2. Определите простейшую формулу одного из оксидов азота, в котором массовая доля кислорода равна 63,15 %.

Решение.

1) Пусть масса оксида N_xO_y равна 100 г. Рассчитаем массы атомов кислорода и азота в оксиде:

а) m(O) = m(N_xO_y) · w(O) = 100 г · 0,6315 = 63,15 г;

б) m(N) = m(N_xO_y) – m(O) = 100 г – 63,15 г = 36,85 г.

2) Найдем химические количества атомов азота и кислорода:

а) n(N) =

б) n(O) =

3) Найдем мольное соотношение атомов азота и кислорода в оксиде:

n(N) : n(O) = 2,632 моль : 3,947 моль = 2 моль : 3 моль.

Следовательно, искомая формула оксида – N₂О₃.

Пример 1.1.3. Неизвестное вещество массой 6 г сожгли в кислороде, в результате чего были получены углекислый газ массой 8,8 г и вода массой 3,6 г. Определите молекулярную формулу сгоревшего вещества, если относительная плотность его паров по воздуху равна 3,103.

Решение.

Поскольку в результате сгорания вещества образовались углекислый газ и вода, делаем вывод, что в его состав входят углерод, водород и, возможно, кислород.

1) Рассчитаем массу углерода в образовавшемся СО₂:

М(СО₂) = 12 г/моль + 2·16 г/моль = 44 г/моль;

в СО₂ массой 44 г содержится С массой 12 г

в СО₂ массой 8,8 г содержится С массой x г;

x = 2,4 г (С).

2) Рассчитаем массу водорода в образовавшейся воде:

М(Н₂О) = 2·1 г/моль + 16 г/моль = 18 г/моль;

в Н₂О массой 18 г содержится Н массой 2 г

в Н₂О массой 3,6 г содержится Н массой у г;

у = 0,4 г (Н).

3) Найдем сумму масс углерода и водорода, входивших в состав исходного вещества: m(C) + m(H) = 2,8 г.

4) Поскольку сумма масс С и Н (2,8 г) меньше массы сгоревшего вещества (6 г), делаем вывод, что в его состав входил также и кислород, масса которого m(О) = 6 – 2,8 = 3,2 г.

5) Определим простейшее мольное соотношение С, Н и О в исходном веществе, т. е. его простейшую формулу:

Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула вещества – СН₂О.

Следует отметить, что простейшая формула вещества отображает лишь простейшее (наименьшее) числовое соотношение атомов элементов в нем. Молекулярная же формула вещества отражает реальное число атомов каждого элемента в молекуле и получается умножением индексов в простейшей формуле в определенное число раз.

6) Рассчитаем значение молярной массы исходного вещества по его относительной плотности:

M₁(C_xH_yO_z) = 29 · D_(возд) = 29 · 3,103 = 90 г/моль.

7) Рассчитаем значение молярной массы исходного вещества по его простейшей формуле:

M₂(CH₂O) = 12 + 2 + 16 = 30 г/моль.

8) Поскольку значение М₁ больше значения М₂ в 3 раза, то для нахождения молекулярной формулы вещества все индексы в его простейшей формуле нужно увеличить в 3 раза. Таким образом, искомая формула – С₃Н₆О₃.