Открытие молекул и атомов явилось важнейшим событием в развитии атомно-молекулярной теории. Ещё в 1748 году великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов сформулировал закон сохранения массы как философскую концепцию. Он впоследствии сам же подвёл под её доказательство мощную практико-теоретическую базу, и произошло это в 1756 году. Параллельно с российским учёным над этой проблемой работал химик-француз А.Л.Лавуазье. Свой вариант доказательства он предложил в 1789 году.
Закон сохранения массы вещества гласит, что сумма масс всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, численно равна массе веществ, являющихся продуктами реакции. Первоначальные способы практически доказать тогда ещё предположение о сохранении масс не увенчались успехом. Дело в том, что опыты, которые проводились ещё до Ломоносова, основывались на сжигании веществ. Результаты взвешивания до и после реакции никак не согласовывались с очевидной, но не подтверждённой на практике теорией. Нагревание на воздухе ртути в результате давало красную окалину, и масса её была больше чем масса вступающего в реакцию металла. С золой, появляющейся после сгорания древесины, результат был противоположный, масса продукта всегда оказывалась меньше массы вещества до осуществления реакции.
Заключается в том, что он, чтобы доказать закон сохранения массы, впервые проводил опыт с замкнутыми системами. Простота опыта в очередной раз доказала гениальность российского учёного. Прокаливаемые металлы Ломоносов помещал в запаянный стеклянный сосуд. После успешно проведенной реакции вес сосуда оставался неизменным. И только когда сосуд разбивали, и вовнутрь устремлялся воздух, наблюдалось увеличение массы сосуда.
Теоретическое объяснение проведённого эксперимента было дано присоединительным характером реакции горения металла. Увеличение массы происходило за счёт присоединения атомов кислорода в продукт окисления. Доказав закон сохранения массы, Ломоносов осуществил весомый вклад в развитие атомно-молекулярной теории. Практически он ещё раз доказал, что атомы химически неделимы. Конструкции молекул в ходе реакций меняются, они обмениваются между собой атомами, но суммарное их количество (атомов) в замкнутой системе остаётся неизменным. Соответственно и общая масса вещества является величиной постоянной.
Закон сохранения массы стал первым вкладом в познании более глобальной природной закономерности. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили выявить, что в замкнутых системах происходит не только сохранение масс. Энергия изолированной системы тоже является величиной постоянной. Любой процесс, происходящий в не производит и не уничтожает ни массу, ни энергию. А выявленная закономерность впоследствии получила название: закон сохранения массы и энергии. стали лишь доказательством частного случая величайшего закона природы.
Но на этом познание окружающего нас мира не заканчивается. Труды Эйнштейна продвинули науку ещё дальше, в своей теории он не только доказал взаимосвязь энергии и массы, но и сделал смелое предположение о возможности их преобразования. То, что сейчас кажется понятным обыкновенному школьнику, формировалось в ходе практических опытов и теоретических исследований на протяжении трех последних столетий. Учёные в самых различных областях естествознания по крупицам собирали мощную платформу для доказательства закономерностей и осознания понятий «энергия» и «масса».
Не только физика и химия, но и множество других наук активно используют взаимосвязь и принцип сохранения массы и энергии. Биология, география, астрономия находят применение закону сохранения массы и энергии. Даже философия под влиянием этого закона сформировала современное представление человека о бытии.
Материал из Юнциклопедии
Настоящая наука отличается от произвольных наблюдений и случайных опытов тем, что научный результат всегда воспроизводим. Если ученый сообщил, в каких условиях воздействие на системы вызывает определенный результат, можно получить тот же результат, поставив другой опыт при тех же условиях.
Для химических экспериментов особое значение имеет соблюдение определенного температурного режима, чистоты исходных веществ, концентраций и порядка проведения реакции. При этом обычно предполагается, что объект иссследования находится в той же инерционной системе (т. е. движется в пространстве с той же постоянной скоростью).
При проведении опытов химики используют основной закон природы - закон сохранения массы веществ: сумма масс исходных соединений равна сумме масс продуктов химической реакции. Первая общая формулировка этого закона была дана М. В. Ломоносовым в 1748-1760 гг.: «Все перемены, в натуре встречающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Сей всеобщий естественный закон
простирается и в самые правила движения». В 70-х гг. того же века французский химик А. Лавуазье на основе многочисленных экспериментов доказал закон сохранения массы. А в 1840 г. основатель термохимии профессор Петербургского горного института Г. И. Гесс сформулировал закон сохранения энергии для химических реакций: «Тепловой эффект любой химической реакции зависит лишь от начального и конечного состояния системы и не зависит от промежуточных состояний и путей перехода».
Но можно ли применять эти законы, если реакция идет не в инерционных условиях? Например, как учесть соотношение масс и энергий космической ракеты, летящей в иную галактику, и газов, вылетающих из сопел ее двигателей (или фотонов, мезонов и т. д.)? В этом случае придется пользоваться более общим выражением закона сохранения массы веществ и энергии по уравнению А. Эйнштейна:
Где Е - энергия тела, m - его масса, v - скорость движения, с - скорость света в вакууме, равная 300 000 км/с.
В земных условиях (особенно при проведении химических реакций при нормальных температуре и давлении) изменение массы настолько ничтожно, что мы его просто-напросто не можем обнаружить. Поэтому в лабораторной и производственной практике на каждом шагу пользуются законом сохранения массы веществ в его классической форме.
Вселенная, включающая в себя Землю и другие объекты в космическом пространстве, состоит из материи. Материей является все, что занимает определенное пространство и обладает массой, определяющей количество материи. Метрической единицей измерения массы является грамм (г). На Земле материя принимает три основные формы: твердую, жидкую и газообразную. Вес объекта позволяет определить его массу. Чем больше его вес, тем больше масса. Разумеется, при одинаковых гравитационных условиях.
Вселенная немыслима без энергии, и каждому следует знать о том, что это такое и какой она бывает. В этом, безусловно, помогает научная и научно-популярная литература, в которой сложные вещи подаются в доступной каждому, вне зависимости от возраста, форме. Среди этих книг следует особо выделить англоязычный популяризаторский труд Дженис Ванклив (Janice VanCleave) «Energy for Every Kid» («Об энергии - каждому ребенку»). В этой своей книге она обстоятельно рассказала юным и не очень читателям об особенностях различных типов энергии. Англоязычный веб-сайт «Energy and kids» собрал на своих страницах все самое интересное и важное, что следует каждому знать об энергии. На его страницах рассмотрены принципы энергии, поведана история научной мысли в области энергетики, располагаются биографии ученых, трудившихся в этой области знаний. Кроме того, сайт рассматривает принципы энергосбережения. На нем составлена подборка экспериментов, выполняемых школьниками под руководством учителя. Немало интересного там сказано также и о способах применения энергии человеческой цивилизацией. Представлена там также и подборка фактов об энергии. На англоязычном познавательном веб-сайте для детей Penguin, в числе прочих образовательных материалов, располагается «Energy Guide for kids». Эта интереснейшая подборка отвечает на ряд вопросов об энергии, которые могут возникнуть у каждого любознательного человека.
Из чего состоит Вселенная?
«Строительными блоками» материи являются атомы. Базовые химические вещества, состоящие из атомов одного типа, называются элементами. Соединяясь вместе, атомы образуют связи. Вещества, состоящие из нескольких типов атомов, называют сложными. Существует два типа таких соединений - молекулярные и ионные соединения.
Примером ионного соединения является хлорид натрия (поваренная соль). Такие соединения состоят из ионов (атомов или групп атомов, обладающих электрическим зарядом). Молекулярные соединения (например вода), состоят из молекул. Молекула является мельчайшей физической частицей молекулярного соединения.
В восемнадцатом столетии французский химик Антуан Лавуазье впервые в истории человеческой цивилизации обнаружил, что в ходе химической реакции (процесса, в ходе которого атомы формируют новое вещество), материя не образуется и не исчезает. Просто химические элементы в реагентах формируют новую структуру.
При этом общая масса вещества в ходе химической реакции сохраняется, оставаясь неизменной. Масса итогового вещества равна сумме масс реагентов. Это свойство материи стало называться законом сохранения массы. Химические реактивы обладают химической энергией, которая удерживает атомы вместе. Химическая энергия является одной из форм потенциальной энергии и называется химической потенциальной энергией. Эта энергия реализуется, когда связь между атомами разрушается в процессе химической реакции.
В девятнадцатом столетии это явление стали называть законом сохранения энергии, который впервые был описан немецким ученым Юлиусом Робертом фон Майером. Согласно этому физическому закону, при обычных условиях энергия может менять свою форму, но общий ее объем во Вселенной всегда остается неизменным.
Иными словами, как и материя, никогда не возникает новой энергии и она никуда не исчезает. Только трансформируется, переходя из одной формы в другую. К примеру, когда вы поднимаете коробку с пола, энергия, которую вы получили от пищи, передается поднимаемой вами коробке.
Атом состоит из ядра (центральная часть атома), которое содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтронов (частицы без заряда), а также электронов (отрицательно заряженных частиц). В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул теорию, согласно которой при экстраординарных условиях масса может преобразоваться в энергию, а энергия в массу. Эти специальные условия называются ядерной реакцией, когда изменения происходят в ядре атома.
Чтобы учесть эти исключительные условия, законы сохранения были объединены в закон сохранения массы и энергии. Этот физический закон утверждает, что материя и энергия могут переходит друг в друга. При этом сумма всех масс и всей энергии во Вселенной остается неизменной. Если одного из них становится больше, то другого - меньше.
Впрочем, в повседневной жизни законы сохранения массы и энергии применяются раздельно. Когда речь идет о потере или обретении энергии, понятно, что говорится о переходе энергии из одного состояния в другое. Исключением являются только ядерные реакции, в ходе которых расщепляется ядро атома и происходит трансформация материи в энергию или наоборот.
Эксперимент
А теперь сами убедимся в том, что масса сохраняется. В ходе эксперимента следует соблюдать аккуратность, вся посуда должна быть одноразовой и утилизироваться после проведения эксперимента.
Материалы и оборудование
Два 90-миллилитровых картонных стаканчика
Мерные ложки
Водопроводная вода
Одна столовая ложка (5 миллилитров) аптечного сульфата магния
Ложка
Жидкий школьный клей
Кухонные весы
Бумажное полотенце
Ход эксперимента
1. В один из картонных стаканчиков добавьте 2 столовые ложки (10 миллилитров) водопроводной воды и сульфат магния. Перемешивайте до тех пор, пока сульфат магния не растворится или полностью, или по крайней мере его осадок будет небольшим.
2. Во второй стаканчик влейте 1 столовую ложку (5 миллилитров) жидкого школьного клея.
3. Взвесьте оба стаканчика на весах. Запишите массу каждого стаканчика и их общую массу. Обратите внимание на внешний вид содержимого каждого из стаканчиков.
4. Влейте водный раствор сульфата магния в стаканчик с клеем. Перемешайте содержимое стаканчика. Обратите внимание на его внешний вид.
5. Взвесьте пустой стаканчик и стаканчик с раствором. Запишите массу каждого из них по отдельности и общую массу. Сравните общую массу с той, которая была при предыдущем взвешивании.
6. Теперь, сопоставив массы, извлеките лопаткой белый сгусток твердого вещества, который образовался в стаканчике и переместите его на бумажное полотенце. Оберните полотенце вокруг сгустка и сожмите его, чтобы выжать лишнюю жидкость. Чем отличается сгусток от тех веществ, которыми он был образован?
Результат
Вначале один из стаканчиков содержит прозрачную жидкость, образованную сульфатом магния и водой, а второй - белый жидкий клей. После смешивания образуется белый твердый сгусток и некоторый излишек жидкости. Массы стаканчиков остаются прежними до и после смешивания.
Почему так происходит?
Смесь сульфата магния и воды формирует раствор (вещество, растворенное в жидкости). Жидкий клей тоже является раствором, состоящим из различных веществ, растворенных в воде. Когда эти два раствора соединяются, происходит химическая реакция между ее компонентами, которая ведет к образованию белого твердого материала.
Даже когда исходные реагенты распадаются на частицы и переформируются в новом порядке, все они остаются в стаканчике. По этой причине, когда вы повторно взвешиваете стаканчики, не происходит никаких изменений в их общей массе. На этом простом примере продемонстрировано сохранение массы в ходе химической реакции.
Янв 7, 2018 Геннадий
Закон сохранения массы и энергии
После доказательства существования атомов и молекул важнейшим открытием атомно-молекулярной теории стал закон сохранения массы, который был сформулирован в виде философской концепции великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765) в 1748 г. и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г. и независимо от него французским химиком А.Л.Лавуазье в 1789 г.
Масса всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль о том, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества.
Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция происходила. После того, как сосуд был вскрыт, туда устремлялся воздух, и масса сосуда увеличивалась. Таким образом, при аккуратном измерении массы всех участников реакции выясняется, что масса веществ при химической реакции сохраняется. Закон сохранения массы имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется, и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется.
Закон сохранения массы является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна. Энергия - это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую.
Одной из форм энергии является так называемая энергия покоя, которая связана с массой соотношением Эйнштейна
где с - скорость света в вакууме (с = 3 108 м/с). Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот. Именно это и происходит во всех ядерных реакциях, и поэтому закон сохранения массы в ядерных процессах нарушается. Однако, закон сохранения энергии остается справедливым и в этом случае, если учитывать энергию покоя.
В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергия, очень мало. Типичный тепловой эффект химической реакции по порядку величины равен 100 кДж/моль. Посчитаем, как при этом изменяется масса:
∆m = ∆E/с2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 кг/моль = 10-9г/моль.
Примеры решения задач
1.Определите массу иодида натрия NaI количеством вещества 0,6 моль.
Дано: ν(NaI)= 0,6 моль.
Найти: m(NaI) =?
Определяем массу NaI:
Ответ: 90 г.
2.Определите количество вещества атомного бора, содержащегося в тетраборате натрия Na 2 B 4 O 7 массой 40,4 г.
Дано: m(Na 2 B 4 O 7)=40,4 г.
Найти: ν(B)=?
Решение. Молярная масса тетрабората натрия составляет 202 г/моль. Определяем количество вещества Na 2 B 4 O 7:
ν(Na 2 B 4 O 7)= m(Na 2 B 4 O 7)/ М(Na 2 B 4 O 7) = 40,4/202=0,2 моль.
Вспомним, что 1 моль молекулы тетрабората натрия содержит 2 моль атомов натрия, 4 моль атомов бора и 7 моль атомов кислорода (см. формулу тетрабората натрия). Тогда количество вещества атомного бора равно:
ν(B)= 4 ν (Na 2 B 4 O 7)=4 0,2 = 0,8 моль.
Ответ: 0,8 моль
3.Какую массу фосфора надо сжечь для получения оксида фосфора (V) массой 7,1 г?
Дано: m(P 2 O 5)=7,1 г.
Найти: m(Р) =?
Решение: записываем уравнение реакции горения фосфора и расставляем стехиометрические коэффициенты.
4P+ 5O 2 = 2P 2 O 5
Определяем количество вещества P 2 O 5 , получившегося в реакции.
ν(P 2 O 5) = m(P 2 O 5)/ М(P 2 O 5) = 7,1/142 = 0,05 моль.
Из уравнения реакции следует, что ν(P 2 O 5)= 2 ν(P), следовательно, количество вещества фосфора, необходимого в реакции равно:
ν(P 2 O 5)= 2 ν(P) = 2 0,05= 0,1 моль.
Отсюда находим массу фосфора:
m(Р) = ν(Р) М(Р) = 0,1 31 = 3,1 г.
Ответ: 3,1 г.
4. Какая масса хлорида аммония образуется при взаимодействии хлороводорода массой 7,3 г с аммиаком массой 5,1 г? Какой газ останется в избытке? Определите массу избытка.
Дано: m(HCl)=7,3 г; m(NH 3)=5,1 г.
Найти: m(NH 4 Cl) =? m(избытка) =?
Решение: записываем уравнение реакции.
HCl + NH 3 = NH 4 Cl
Эта задача на «избыток» и «недостаток». Рассчитываем количества вещества хлороводорода и аммиака и определяем, какой газ находится в избытке.
масса химическая атом сохранение закон
ν(HCl) = m(HCl)/ М(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 моль;
ν(NH 3) = m(NH 3)/ М(NH 3) = 5,1/ 17 = 0,3 моль.
Аммиак находится в избытке, поэтому расчет ведем по недостатку, т.е. по хлороводороду. Из уравнения реакции следует, что ν(HCl) = ν(NH 4 Cl) = 0,2 моль. Определяем массу хлорида аммония.
m(NH 4 Cl) = ν(NH 4 Cl) М(NH 4 Cl) = 0,2 53,5 = 10,7 г.
Мы определили, что аммиак находится в избытке (по количеству вещества избыток составляет 0,1 моль). Рассчитаем массу избытка аммиака.
m(NH 3) = ν(NH 3) М(NH 3) = 0,1 17 = 1,7 г.
Ответ: 1,7 г.
5.Какая масса 12 моль нетрата алюминия?
Дано: ν(AL(NO3)3)= 12 моль
Найти: m (AL(NO3)3)=?
Решение:Mr (AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 г/моль
m=M* ν 213*12=2556г
Ответ: 2556г
6.сколько молей карбоната магния в 64г. Карбоната магния?
Дано: m(Mg Co3)=64
Найти: ν(Mg Co3)=?
Решение: Mr(Mg Co3)=24+12+16*3=36+48=84 г/моль
ν =m/M 64/84=0.76 моль
Ответ: 0.76 моль
7. Сколько молей в 420г. Fe O?
Дано: m(Fe O)=420г.
Найти: ν(Fe O)=?
Решение: Mr(Fe O)=56+16=72
ν =m/M 420/72=5,8 моль
Ответ: 5,8 моль
8.Какова масса поваренной соли в 2,5 молях вещества?
Дано: ν(NaCl)=2,5 моль
Найти: m(NaCl)=?
Решение: Mr(NaCl)=23+35=58
m=M* ν 58*2,5=145г.
Ответ:145г.
9.Сколько молей в 250 г ZnO?
Дано: m(ZnO)=250г
Найти: ν(ZnO)=?
Решение: (ZnO)=65+16=81 г/моль
ν =m/M 250/81=3
Ответ:3 моля
10.Определите массу иодида натрия NaI?
Дано: ν(NaI)= 0,6 моль.
Найти: m(NaI) =?
Решение. Молярная масса иодида натрия составляет:
M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 г/моль
Определяем массу NaI:
m(NaI) = ν(NaI) M(NaI) = 0,6 150 = 90 г.
Ответ: 90 г
И энергия сохраняются не по-отдельности, а вместе: взамен двух по видимости разных законов сохранения ньютоновской физики в релятивистской физике действует один - объединенный закон сохранения массы и энергии. Первый пример превращений массы и энергии Эйнштейн дал в том же 1905 году. Он рассуждал об излучении телом электромагнитных волн, причем считалось, что волны уходили от тела симметрично в...
Несколько тел взаимодействуют между собой только силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы не действуют, то при любых взаимодействиях тел сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называется законом сохранения энергии в механических процессах. Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому...
Новому направлению исследований – химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией. 4. Загрязнение окружающей среды. Атмосфера, вода, почва, пища Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и...
Пространства следует фундаментальный закон природы - закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Симметрия и процесс познания Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882-1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, ...
