Урок 11. Формулювання закону збереження маси і енергії

В уроці 11 «Формулювання закону збереження маси і енергії» з курсу «Хімія для чайників» дамо визначення закону збереження маси і закону збереження енергії, познайомимося з відкриттям Ломоносова, а також повторимо деякі основи хімії з минулого розділу. Цим уроком ми відкриваємо наступний розділ курсу, під назвою «Закон збереження маси і енергії». Тому, щоб у вас не виникало питань по урокам, обов'язково вивчіть всі уроки з першого розділу «Атоми, молекули і іони».

Думка про те, що все в світі складається з атомів, зародилася ще до нашої ери. Давньогрецький філософ Демокріт вважав, що вся матерія складається з неподільних мікрочастинок - атомів, що кожен атом має індивідуальні властивості, що властивості речовин визначаються їх взаємним розташуванням відносно один одного. Таким чином його ідеї є примітивним варіантом того, що викладено в розділі 1 «Атоми, молекули і іони». Напрошується питання: чому ж тоді стародавні греки не скористалися гіпотезою Демокріта і не навчилися отримувати атомну енергію? Чому пройшло ще 2000 років, перш ніж наука досягла свого сучасного рівня? Одна з причин полягала в тому, що стародавні греки поняття не мали про закони збереження речовини, ну і звичайно ж про закон збереження енергії.

Великий російський вчений М.В. Ломоносов в 1748 році став першим, хто усвідомив, що маса є фундаментальним властивістю, що зберігається в процесі хімічних реакцій. Він встановив закон який свідчить, що сумарна маса всіх продуктів хімічного перетворення повинна точно збігатися з сумарною масою вихідних речовин. Крім сумарної маси речовин, в хімічних реакціях зберігається також число атомів кожного сорту незалежно від того, в скільки складних перетвореннях вони беруть участь і як переходять з одних молекул в інші.

У хімічних реакціях повинна зберігатися також і енергія. Хімічно важливий висновок з цього закону полягає в тому, що поглинання або виділення тепла (теплота реакції) в конкретної хімічної реакції не залежить від того, яким шляхом здійснюється реакція - в одну або кілька стадій. Наприклад, тепло, що виділяється безпосередньо при згорянні газоподібного водню і графіту (одна з форм вуглецю), повинна збігатися з теплом, що виділяється, коли водень і вуглець використовуються для отримання синтетичного бензину, а позику цей бензин використовується як паливо. Якби кількість тепла, що виділяється в одній з двох описаних вище варіантів реакції, було неоднаковим, можна було б скористатися цим і проводити більш ефективну реакцію в одному напрямку, а менш ефективну - в зворотному. В результаті вийшов би циклічний безпаливний джерело тепла, безперервно дає дарову енергію. Але це всього лише мрії про вічний двигун, створення якого руйнується про непорушну стіну закону збереження маси і енергії.

Закон збереження маси: в процесі хімічної реакції не відбувається утворення або руйнування атомів.

Закон збереження енергії: якщо сума двох реакцій є новою, третю реакцію, то теплота третьої реакції дорівнює сумі теплот перших двох реакцій. Кажуть, що теплові ефекти реакцій адитивні. Більш детально про закон збереження тепла ви дізнаєтеся в кінці цього розділу, де все стане просто і ясно.

До речі, в 1756 році Ломоносов експериментально підтвердив хімічний закон збереження маси, шляхом випалу металів в запаяних судинах. Замість випалу металів можна в запаяному посудині спалити фтор, закон збереження маси все одно дотримується:

Повторюся, що нещільність або обсяг, а саме маса є фундаментальним властивістю, що зберігається в процесі хімічних реакцій. І як тільки хіміки це зрозуміли, вони відразу кинулися в пошуки правильної шкали атомних мас для кожного елемента. В уроці 3 «Будова молекули» ми відзначали, що молекулярна маса молекули обчислюється через суму всіх атомних мас входять до її складу атомів. А з уроку 5 «Моль і молярна маса» нам відомо, що моль будь-якої речовини - це таке його кількість, в якому число частинок цієї речовини одно 6,022 · 1023. Маса одного моля речовини в грамах називається молярною масою. Моль і молярна маса є найважливішими поняттями, без яких неможливо проводити хімічний розрахунок.

Моль - це просто засіб підраховувати атоми і молекули порціями по 6,022 · +1023. Якщо відомо, що дві молекули газоподібного водню H2 реагують з однією молекулою газоподібного кисню O2, з утворенням двох молекул води H2O, то можна передбачити, що 2 благаючи H2, тобто 4,032 г, будуть реагувати з 1 молем O2, тобто з 31,999 г, з утворенням 2 молей H2O, т.е.36,031 г). Контрольне підсумовування 4,032 + 31,999 = 36,031 підтверджують, що в цій реакції виконується хімічний закон збереження маси.

Урок 11 «Формулювання закону збереження маси і енергії» є повторенням вже пройденого матеріалу перед зануренням в більш серйозний розділ хімії. Сподіваюся ви відкрили в цьому уроці для себе щось нове і цікаве. Якщо у вас виникли питання, пишіть їх в коментарі.