1.1.2 Закон сохранения массы.

Исключительное значение для химии имело установление закона сохранения массы, являющегося следствием всеобщего естественного закона сохранения материи и движения, сформулированного М.В.Ломоносовым в виде философской концепции в 1748 г. в письме к Д.Эйлеру: "Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, ежели, где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое, столько же он у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает". Справедливости ради необходимо отметить, что мысль о том, что вещество не может исчезать или твориться, что количество его во вселенной остается постоянным, высказана давно и принималась философами XVII, XVIII вв. как самоочевидное положение, не требующее каких-либо доказательств. Но по мере развития количественных методов исследования в химии крепло понимание того, что соотношение масс взаимодействующих друг с другом веществ, соотношение масс продуктов, а также соотношение масс реагентов и продуктов реакций имеет фундаментальный характер.

В 1756 г. на конференции Академии наук и искусств России М.В.Ломоносов сообщил о результатах экспериментов, подтверждавших справедливость сохранения масс веществ в процессе реакции обжига металлов. Повторив опыты Р.Бойля по прокаливанию металлов в запаянных стеклянных ретортах⁵, он установил, что если сосуд, содержащий металл, взвесить до и после прокаливания, не вскрывая, то масса остается без изменений. При вскрытии реторт, как и в опытах Бойля, наблюдалось всасывание воздуха⁶, что, по мнению Ломоносова, свидетельствовало о расходовании части газа в процессе прокаливания. Однако факт взаимодействия металлов с компонентами воздуха Ломоносову строго и убедительно обосновать не удалось. Этому есть несколько объяснений. Во-первых, состав воздуха еще не был известен⁷, а, во-вторых, в эти годы общепризнанной в химии и естествознании вообще была теория флогистона, поэтому результаты этих экспериментов М.В.Ломоносова не получили должного резонанса.

Примерно через 20 лет (в период 1772‒1777гг.) в экспериментах Д.Резерфорда, К.В.Шееле, Д.Пристли, А.Л.Лавуазье были получены в чистом виде и идентифицированы (открыты) азот и кислород, был доказан сложный состав воздуха. Это позволило Лавуазье доказать, что горение веществ на воздухе есть результат взаимодействия с кислородом. В ходе этих экспериментов он, в частности, показывает, что при сгорании серы и фосфора с последующим поглощением продуктов сгорания в воде масса раствора увеличивается на такую же величину, на которую уменьшается масса воздуха. Чуть позднее, контролируя массу ртути и кислорода в опытах горения и последующего разложения оксида, он доказал, что в химических реакциях остается неизменной не только общая масса веществ, но и отдельных элементов ("начал"): "Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми".

Принимая во внимание вклад А.Л.Лавуазье в выявление массовых соотношений, а также тот факт, как он блестяще использовал полученные им и рядом других химиков результаты для аргументированной критики теории флогистона, для выработки новой (кислородной) теории горения, именно Лавуазье приписывают приоритет открытия закона сохранения масс веществ. Но в учебниках и руководствах химии данный закон стал упоминаться лишь с 1860-х годов, после того, как он получил тщательную проверку на опыте в работах Ж. Стаса. В начале ХХ-го столетия в опытах Г.Ландольта такая проверка была сделана снова: закон сохранения веса оказывается вполне точным в пределах точности взвешиваний.

• Исходя из современных положений теории строения веществ справедливость закона выглядит вполне очевидной, поскольку в любой реакции общее количество атомов любого элемента остается неизменным: происходят лишь их перераспределения, перегруппировки. Тем более что практически вся масса атомов сосредоточена в ядрах, а в химических реакциях с ними не происходит никаких изменений. В то же время важно понимать, что, как показано А.Энштейном (1905г.) на основе теории относительности, масса тел (систем) связана с их энергией:

Е = m∙c² (1)

Следовательно, изменения запаса энергии в процессе реакции (тепловые эффекты) должны сопровождаться и изменением массы⁸:

ΔЕ = Δm∙c² (2)

Таким образом, выделение энергии в ходе экзотермической реакции приводит к тому, что сумма масс продуктов будет меньше суммы масс реагентов. Однако поскольку энергетические эффекты химических реакций по сравнению квадратом скорости света (с = 3∙10⁹м/с) очень незначительны, то и различия масс оказываются мизерными и экспериментально не обнаруживаемыми. Например, в реакции образования сульфида алюминия

2Al + 3S = Al₂S₃

расходуются примерно 54г алюминия и 96г серы. С учетом теплового эффекта (реакция проходит как энергичное горение, выделяется ~720 кДж тепла) уменьшение массы продукта составит ~8∙10^‒9г, что практически не может быть измерено. Таким образом, в химических реакциях закону сохранения массы можно доверять⁹ и с его использованием выполняются разнообразные химические расчеты, но абсолютно строго соблюдается закон сохранения массы и энергии.

• Вернемся вновь на время к работам А.Л.Лавуазье в конец XVIIIв. Предложив и обосновав новую (кислородную) теорию горения¹⁰, он разработал кислородную теорию кислот (сыгравшую важную систематизирующую роль, но, все же, оказавшуюся ошибочной¹¹), в союзе с К.Л.Бертолле, Г.Морво, А.Фуркруа (номенклатурная комиссия Парижской академии) разработал новую номенклатуру веществ. В числе новых названий комиссия утвердила названия для кислорода, водорода, азота. Данные элементы были вынесены в особую группу. Остальные элементы (простые вещества) были систематизированы на металлические и неметаллические (окисляемые и кислотообразующие). Названия сложных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) были установлены как производные от простых тел. Названия кислот и солей видоизменялись (в окончаниях) в зависимости от степени окисления кислотообразующего элемента (сульфат, сульфит, сульфид и т.д.). Соли азотной кислоты, вопреки названию элемента, были названы нитратами. Нетрудно видеть, что основные принципы этой номенклатуры используются до настоящего времени¹².