Хімія. 7 клас. Дячук

§ 21. Закон збереження маси речовин під час хімічних реакцій

У цьому параграфі ви:

• ознайомитеся з фундаментальним законом природи;
• навчитеся записувати схеми і складати рівняння 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:

Cu + O₂ → 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:

Cu + O₂ → 2CuO

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:

2Cu + O₂ → 2CuO

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»:

2Cu + O₂ = 2CuO

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:

СН₄ + О₂ → СО₂ + Н₂О

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:

СН₄ + О₂ → СО₂ + 2Н₂О

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:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

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:

C₁₈H₈₈ + О₂ → СО₂ + Н₂О

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

С₁₈Н₈₈ + О₂ → 18СО₂ + 19Н₂О

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:

2С₁₈Н₈₈ + 55О₂ = 36СО₂ + 38Н₂О

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

ВИСНОВКИ

• 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

• 10. Доберіть коефіцієнти у таких схемах реакцій:

а) Fe + O₂ → Fe₃O₄;

S + O₂ → SO₂;

CH₄ → C + H₂;

P + Br₂ → PBr₅;

б) Al + F₂ → AlF₃;

N₂ + H₂ → NH3;

FeO + O₂ → Fe₃O₄;

Fe + Cl₂ → FeCl₃;

в) H₂O₂ → H₂O + O₂;

Ca + O₂ → CaO;

Na + Cl₂ → NaCl;

BaO + O₂ → BaO₂;

г) CuO → Cu₂O + O₂;

SO₂ + O₂ → SO₃;

FeBr₃ → FeBr₂ + Br₂;

CuCl₂ + Na₂S → CuS + NaCl;

д) H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O;

C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O;

Ag + H₂S + O₂ → Ag₂S + H₂O;

CH₃NH₂ + O₂ → CO₂ + H₂O + N₂;

е) Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂;

KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + H₂O;

NaOH + H₃PO₄ → Na₃PO₄ + H₂O;

CuOH → Cu₂O + H₂O.

Додаткове завдання

• 11. У природному газі міститься невелика кількість етану С₂Н₆. На повітрі він згоряє подібно до метану. Складіть рівняння цієї реакції.
• 12. Перетворіть подані напівсхеми реакцій на хімічні рівняння:

а) Ca + Cl₂ →

б) Al + S →

в) K + N₂ →

г) Na + S →

д) Ba + Br₂ →

е) Mg + O₂ →

Під час написання формул продуктів реакції врахуйте валентність хімічних елементів.