Учебник по Химии. 7 класс. Григорович - Новая программа

§ 16. Уравнения химических реакций. Закон сохранения массы веществ в химических реакциях

Закон сохранения массы

Все химические превращения удобно описывать посредством химических формул и уравнений реакций. Процесс горения угля можно описать такой схемой:

Эту схематическую запись называют уравнением химической реакции. В левой части уравнения записан один атом Карбона и одна молекула кислорода, которая состоит из двух атомов Оксигена. В правой части уравнения записана одна молекула углекислого газа (карбон(IV) оксида), которая состоит из одного атома Карбона и двух атомов Оксигена.

Число атомов каждого химического элемента в обеих частях уравнения одинаково. Для того чтобы подчеркнуть равное число атомов всех элементов, в данной записи стрелку можно заменить на знак равенства:

C + O₂ = CO₂

Уравнение химической реакции является отображением закона сохранения массы веществ в химических реакциях.

Масса веществ, которые вступили в химическую реакцию, равна массе веществ, которые образовались в результате реакции.

Этот закон был открыт М. В. Ломоносовым в 1748 году и, независимо от него, А. Лавуазье в 1789 году, поэтому данный закон называют также законом Ломоносова-Лавуазье.

В результате химических реакций одни вещества превращаются в другие: атомы, из которых состоят исходные вещества, не исчезают, не появляются и не превращаются из одного вида в другой, а только перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ.

Рис. 86. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы в химических реакциях: при горении вещества в закрытой емкости равновесие на весах сохраняется

Сегодня это утверждение кажется очевидным, однако в XVII в. наблюдения некоторых ученых противоречили ему. Например, спирт при горении постепенно утрачивает массу и, наконец, исчезает. Если железная пластинка лежит на воздухе, она постепенно ржавеет и ее масса при этом увеличивается. Как это объяснить? Объяснение этим фактам нашли только после проведения экспериментов с тщательным взвешиванием исходных веществ и продуктов реакций.

Докажем, что во время горения закон сохранения массы выполняется. Горение свечи — это химическая реакция, которая происходит с образованием углекислого газа и воды (в виде водяного пара). Продукты реакции (углекислый газ и водяной пар) — это газообразные вещества, которые испаряются, и потому кажется, что вещество исчезает. Если реакцию проводить в закрытом сосуде, то продуктам реакции не будет куда исчезать.

На одну чашу весов поместим горючее вещество в герметично закрытой емкости, заполненной кислородом (рис. 86). Уравновесим весы и подожжем. Вещество некоторое время горит, а потом, когда израсходуется кислород, горение прекращается. Во время горения равновесие весов сохраняется. Таким образом, масса колбы с исходными веществами равна массе колбы с продуктами реакции.

В случае ржавления железа атомы Феррума реагируют с кислородом и водой из окружающего воздуха. В этом случае образуется ржавчина, масса которой больше, чем масса исходного железа, поэтому кажется, что вещество возникает ниоткуда.

Рис. 87. Прокаливание металла в закрытой колбе. После окончания реакции место кислорода, израсходованного на реакцию, занимает вода

Проведем подобный опыт в герметичной колбе (рис. 87а). Поместим образец металла в колбу, закроем ее пробкой с запаянной газоотводной трубкой и нагреем. После прокаливания металл изменяет свой цвет, так как он превратился в оксид (рис. 87б). Чтобы доказать, что часть воздуха израсходовалась на реакцию с металлом, опустим газоотводную трубку в емкость с водой и откроем конец трубки. Поскольку часть воздуха соединилась с металлом, то в колбе возникло свободное пространство, которое через трубку заполняет вода (рис. 87с).

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765)

Выдающийся российский ученый. Учился в Словяно-греко-латинской академии, в Киево-Могилянской академии, Петербургском университете, в университете Гамбурга. Ломоносов был одним из образованнейших людей России того времени. Заслуживают внимания его труды не только в области химии, но и в минералогии, географии, металлургии, физике, истории, поэзии, изобразительном искусстве. Открыл закон сохранения массы, создал первую в России химическую лабораторию. По результатам наблюдений солнечного затмения установил существование атмосферы на Венере. По его инициативе был открыт Московский университет, который сегодня носит его имя.

Составление уравнений химических реакций

Уравнения химических реакций составляются с учетом закона сохранения массы. Рассмотрим, как составляются уравнения реакций образования бинарных соединений из простых веществ.

Пример 1. Составим уравнение реакции образования метана СН₄ — основного компонента природного газа. Метан состоит из атомов Карбона и Гидрогена. Таким образом, для его получения необходимы простые вещества, одно из которых состоит из атомов Карбона (уголь С), а другое — из атомов Гидрогена (водород Н₂).

В левой части записываем исходные вещества (реагенты) С и Н₂, а в правой — продукт реакции СН₄:

С + Н₂ —> СН₄

Но эта запись еще не является уравнением реакции — это схема реакции. Для того чтобы она превратилась в уравнение, необходимо уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях. Для этого необходимо подобрать коэффициенты — цифры перед химическими формулами, которые указывают число молекул (атомов). Как видно, в левой и правой частях схемы по одному атому Карбона, но в левой части два атома Гидрогена (одна молекула водорода), а в правой — четыре атома (в составе одной молекулы метана). Это противоречит закону сохранения массы. Чтобы это исправить, перед формулой водорода в левой части уравнения нужно поставить коэффициент 2:

С + 2H₂ —> CH₄

Теперь в обеих частях уравнения число атомов Гидрогена и Карбона одинаково, поэтому стрелку между реагентами и продуктами в уравнении можно заменить знаком равенства:

С + 2H₂ = CH₄

Пример 2. Рассмотрим реакцию горения метана. Горение — это взаимодействие с кислородом O₂. При горении метана образуются углекислый газ СO₂ и вода Н₂O.

Запишем схему реакции:

CH₄ + O₂ —> CO₂ + H₂O

Теперь необходимо уравнять число атомов каждого химического элемента, т. е. подобрать коэффициенты. Начнем с атомов Карбона:

в обеих частях уравнения их по одному. Потом подсчитаем атомы Гидрогена: в левой части четыре атома, а в правой — два. Чтобы уравнять их число, нужно перед формулой воды поставить коэффициент 2:

CH₄ + O₂ —> СO₂ + 2Н₂O

Осталось уравнять число атомов Оксигена (обычно Оксиген уравнивают последним). В левой части уравнения два атома Оксигена в молекуле O₂, а в правой — четыре (два атома в составе молекулы углекислого газа СO₂ и два атома в составе двух молекул воды Н₂O). Таким образом, в левой части уравнения перед формулой кислорода необходимо поставить коэффициент 2:

СН₄ + 2O₂ = СO₂ + 2Н₂О

Теперь число атомов всех элементов одинаково, следовательно, коэффициенты подобраны правильно.

Подбирая коэффициенты в уравнении реакции, необходимо помнить следующие правила:

• коэффициент показывает число молекул, отдельных атомов или формульных единиц в уравнении реакции;

• коэффициент ставится только перед химической формулой;

• коэффициент относится ко всем атомам, из которых состоит молекула, перед которой он стоит, например: запись 2Н₂О означает две молекулы воды, в которых содержится 4 атома Гидрогена (по два в каждой молекуле) и 2 атома Оксигена (по одному в каждой молекуле);

• коэффициент 1, как и индекс 1, не записывается;

• индекс показывает число атомов элемента (или групп атомов) в составе молекулы, а коэффициент — число молекул, например:

Н — один атом Гидрогена;

2Н — два атома Гидрогена;

Н₂ — одна молекула водорода, состоящая из двух атомов Гидрогена;

2Н₂ — две молекулы водорода, каждая из которых состоит из двух атомов Гидрогена.

Записи 4Н и 2Н₂ неравнозначны. Хотя в них и записано одинаковое число атомов Гидрогена, но первая запись означает четыре отдельных атома Гидрогена, а вторая — две молекулы водорода.

В уравнениях реакций часто указывают условия протекания реакций или выделение газа и осадка. Так, если из раствора выделяется газообразное вещество, то рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вверх: ↑. Если из газов или жидкостей образуется нерастворимое вещество, то рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вниз: ↓.

Выводы:

1. Массы веществ, вступающих в реакцию, равны массе образованных веществ, о чем свидетельствует закон сохранения массы в химических реакциях. Этот закон основан на том, что атомы в химических реакциях не исчезают, а просто переходят из одних веществ в состав других. Посредством химических символов и знаков закон сохранения массы отображают уравнением химической реакции.

2. При составлении уравнений химических реакций необходимо соблюдать условие, что число атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым. Для этого перед химическими формулами пишут коэффициенты, которые обозначают число молекул, отдельных атомов или формульных единиц.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон сохранения массы веществ и обоснуйте его с позиции понятий об атомах и молекулах.

2. Почему при горении свечи ее масса постепенно уменьшается? Не противоречит ли это закону сохранения массы?

3. Какую запись называют уравнением химической реакции?

4. Каково значение коэффициентов в уравнении реакции и индексов в химической формуле? В чем заключается отличие между коэффициентом и индексом?

Задания для усвоения материала

1. Объясните, что означают записи: а) 2Н, О, 4Fe, 3Са, 5N; б) O₂, 5O₂, 6O, O₃, 2O₃; в) 3H₂O, 5Н₂, 2СO₂, 5С, 3O₂.

2. Рассмотрите схематическое изображение химической реакции образования аммиака. Запишите для нее уравнение, если синими шариками обозначены атомы Нитрогена, а красными — Гидрогена.

Рис. 88. Схема взаимодействия лития с водой

3. Подберите коэффициенты. Если нужно, обозначьте выделение газа или образование нерастворимого вещества соответствующими символами.

а) S + O₂ —> SO₂

Fe + S —> FeS

N₂ + F₂ —> NF₃

б) Al + Br₂ —> AlBr₃

Pb + O₂ —> Pb₃O₄

FeO + O₂ —> Fe₂O₃

в) SO₂ + O₂ —> SO₃

Li + O₂ —> Li₂O

Fe + O₂ —> Fe₂O₃

г) BaO₂ —> BaO + O₂

H₂O₂ —> H₂O + O₂

N₂O₅ —> NO₂ + O₂

д) Zn + HCl —> ZnCl₂ + H₂

C₂H₆ + O₂ —> CO₂ + H₂O

PbCl₂ + Na₂S —> PbS + NaCl

е) Al(OH)₃ + HCl —> AlCl₃ + H₂O

H₂S + SO₂ —> S + H₂O

P₂O₅ + H₂O —> H₃PO₄

4. Составьте уравнения реакций: а) в результате взаимодействия водорода Н₂ и кислорода O₂ образуется вода Н₂O; б) железо Fe реагирует с кислородом и водой и покрывается ржавчиной, основной составляющей которой является вещество с формулой Fe(OH)₃; в) в результате разложения сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ образуются уголь С и вода Н₂O.

5. На рисунке 88 представлена схема химической реакции взаимодействия лития с водой. Составьте уравнение данной реакции.

Рис. 89. Модели веществ: а — натрия; б — хлора; в — натрий хлорида

6. На рисунке 89 (с. 121) приведены модели веществ. Составьте уравнение реакции натрия с хлором.

7. В результате взаимодействия серы S массой 16 г с железом Fe образовалось 44 г феррум(II) сульфида FeS. Вычислите массу израсходованного железа.

8. Вследствие взаимодействия метана массой 8 г с кислородом массой 32 г образовался углекислый газ массой 22 г. Вычислите, какая масса воды образовалась в результате этой реакции.

9. Составьте уравнения реакций образования из простых веществ следующих соединений: а) феррум(II) оксид FeO; б) аргентум(І) сульфид Ag₂S; в) кальций фосфид Са₃Р₂; г) алюминий оксид Аl₂O₃; д) фосфор(V) оксид Р₂O₅.