Из данного урока вы узнаете, в чем заключается сущность химической реакции с позиции атомно-молекулярной теории. Урок посвящен изучению одного из важнейших законов химии - закона сохранения массы веществ.
Тема: Первоначальные химические представления
Урок: Сущность химической реакции. Закон сохранения массы веществ
Вопрос о сущности химического превращения долгое время оставался загадкой для естествоиспытателей. Только с развитием атомно-молекулярной теории стало возможным предположить, как на уровне атомов и молекул происходят химические реакции.
В соответствие с атомно-молекулярной теорией, вещества состоят из молекул, а молекулы – из атомов. В ходе химической реакции атомы, входящие в состав исходных веществ, не исчезают и не появляются новые атомы.
Тогда, мы можем предположить, что в результате химической реакции продукты реакции образуются из атомов, которые ранее входили в состав исходных веществ. Вот модель химической реакции:
Рис. 1. Модель химической реакции с позиции АМТ
Проанализировав данную модель, мы можем выдвинуть гипотезу (научно обоснованное предположение):
Суммарная масса продуктов реакции должна быть равна суммарной массе исходных веществ.
Еще Леонардо да Винчи сказал: «Знания, не проверенные опытом, матерью всякой достоверности, бесплодны и полны ошибок». Значит, гипотеза никогда не станет законом, если ее не подтвердить экспериментально.
Экспериментальный метод в химии начал широко использоваться после исследований Р. Бойля в 17 в. Английский естествоиспытатель прокаливал металлы в незапаянных сосудах – ретортах и обнаружил, что после прокаливания масса металла становилась больше.
Основываясь на этих опытах, он не учитывал роль воздуха и сделал неправильный вывод, что масса веществ в ходе химических реакций изменяется.
М.В. Ломоносов, в отличие от Р. Бойля, прокаливал металлы не на открытом воздухе, а в запаянных ретортах и взвешивал их до и после прокаливания. Он доказал, что масса веществ до и после реакции остается неизменной и что при прокаливании к металлу присоединяется воздух (кислород в то время не был еще открыт). Но Ломоносов не опубликовал результаты своих исследований.
В 1774 г. опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте. Вместе с тем часть металла осталась в свободном виде.
Таким образом, независимо друг от друга, М.В. Ломоносов и А. Лавуазье подтвердили справедливость предположения о сохранении массы веществ в результате химической реакции.
Это предположение стало законом лишь после десятилетнего исследования немецкого химика Г. Ландольта в начале 20 века. Сегодня закон сохранения массы веществ формулируется так:
Масса веществ, участвующих в реакции, равна массе продуктов реакции .
Подтвердить правильность закона сохранения массы веществ можно с помощью следующего опыта. В первом сосуде Ландольта подготовим растворы йодида калия и нитрата свинца. Во втором сосуде – пройдет реакция хлорида железа с роданидом калия. Плотно закрываем пробки. Уравновешиваем чашки весов. Сохранится ли равновесие после окончания реакций? В первом сосуде выпадает желтый осадок йодида свинца, во втором образуется темно-красный роданид трехвалентного железа. В сосудах Ландольта произошли химические реакции: образовались новые вещества. Но равновесие не нарушилось (Рис. 2). Масса исходных веществ всегда равна массе продуктов реакции.
Рис. 2. Эксперимент, подтверждающий правильность закона сохранения массы веществ
Приведем пример еще одного опыта, доказывающего правильность закона сохранения массы веществ в химических реакциях. Внутри колбы при закрытой пробке будет гореть свеча. Уравновесим весы. Подожжем свечу и опустим ее в колбу. Плотно закроем колбу пробкой. Горение свечи – это химический процесс. Израсходовав находящийся в колбе кислород, свеча гаснет, химическая реакция завершается. Но равновесие весов не нарушается: масса продуктов реакции остается такой же, какой была масса исходных веществ (Рис. 3).
Рис. 3. Эксперимент с горящей свечой в колбе
Открытие закона сохранения массы веществ имело огромное значение для дальнейшего развития химии. На основании закона сохранения массы веществ производят важнейшие расчеты и составляют уравнения химических реакций.
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.15-16)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§6)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с. 16 №№ 3,5 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
1. Закон сохранения массы и энергии.
Это объединенный закон. В него входят два закона.
I. Закон сохранения массы : Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе продуктов реакции.
Этот закон был открыт М. В. Ломоносовым 1748 г. и дополнен А. Л. Лавуазье в 1789 г.
В процессе реакции сохраняется масса каждого 1 элемента.
Этот закон позволяет составлять уравнения химических реакций и осуществлять расчеты на их основе. Он не является абсолютным (см. ниже). Абсолютным является закон сохранения энергии.
2.Закон сохранения энергии: Энергия не возникает из ничего и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.
Этот закон - результат работ А. Эйнштейна. Он установил связь между энергией и массой вещества (1905 г.):
Е = тс 2 , (6)
где с - скорость света в вакууме, равная -300 000 км/с. Поскольку в результате химической реакции выделяется или поглощается энергия, то, в соответствии с уравнением Эйнштейна, изменяется и масса веществ. Однако это изменение столь мало, что на практике не учитывается (так называемый дефект массы).
Образование одного моля хлороводорода из простых веществ сопровождается тепловым эффектом 92,3 кДж/моль, что соответствует потере массы вещества («дефект массы») около 10 -9 г.
Следующие законы справедливы только для соединений с постоянным составом молекул - дальтонидов. Они отличаются от соединений, имеющих переменный состав молекул - бертоллидов.
В сплавах металлов содержатся соединения типа М т М л, где т и n - переменные.
2. Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1801).
Соотношение между массами химических элементов, входящих в состав данного соединения, есть величина постоянная, не зависящая от способа его получения.
3. Закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803).
Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся на определенную массу другого, относятся друг к другу как небольшие целые числа.
В оксиде углерода (II) СО: М(С)/М(О) = 12/16 = 3/4, в оксиде углерода (IV) СО 2: М(С)/М(2О) = 12/32 = 3/8. Следовательно, массы углерода, приходящиеся на определенную массу кислорода, в этих соединениях относятся, как:
3 / 4: 3 / 8 =2:1
4. Закон простых объемных отношений (Ж. Л. Гей-Люссак, 1808).
Объемы вступивших в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образовавшихся газов как небольшие целые числа.
В реакции образования аммиака в соответствии со стехиомет-рическими коэффициентами в уравнении реакции:
H 2 + 3N 2 = 2NH 3 получаем, что V(N 2) : V(Н 2) : V(NН 3) = 1:3:2.
5. Закон Авогадро (1811). В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (р и Т) содержится одинаковое число молекул.
Этот закон вытекает из анализа уравнения состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона:
рV = nRТ.
Это уравнение можно записать для двух газов: p 1 V 1 = V 1 RТ 1 , р 2 V 2 = V 2 RТ 2 .
При равенстве p 1 = р 2 , T 1 = Т 2 и V i = V 2 будут равны и количества веществ газов: n 1 = n 2 или, с учетом числа Авогадро:
n 1 ·N А = n 2 · N A ,
т. е. будет равно и число молекул этих газов.
Закон Авогадро имеет следствия:
1. Одинаковое число молекул любого газа при одинаковых условиях занимает один и тот же объем.
2. Массы газов, взятых в одинаковых объемах при одинаковых условиях (р, Т), относятся друг к другу как их молярные массы:
т 1 /т 2 = М 1 /М 2 . (7)
Это следствие вытекает из равенства количеств веществ этих газов (см. выше): ν 1 = ν 2 .
Подставляя вместо количества вещества отношение его массы к молярной массе (уравнение 2) получим:
т 1 /М 1 = т 2 /М 2
т 1 /т 2 = М г /М 2 .
Второе следствие позволяет вывести уравнение для определения молярной массы неизвестного газа по известной величине относительной плотности этого газа по другому известному газу.
После подстановки в числитель и знаменатель левой части уравнения 7 объемов первого и второго газов, которые равны, получаем:
т 1 · V 2 /т 2 · V 1 = М 1 /М 2 .
Отношение массы вещества к его объему заменяем на плотность (см. уравнение 5):
Р 1 /Р 2 = М 1 /М 2
и получаем уравнение для расчета молекулярной массы первого газа по второму:
М 1 = (ρ 1 / ρ 2)·М 2 = D 1/2 М 2 (8)
Или в общем виде:
М = D г М г (9)
где D Г - относительная плотность первого газа по второму.
Если известна плотность данного газа по водороду, то используют уравнение:
М = 2DН 2 . (10)
Если известна плотность газа по воздуху, то используют уравнение:
М = 29D возд. (11)
В 1748 г. М. В. Ломоносов (Россия) и в 1789 г. А. Лавуазье (Франция) независимо друг от друга открыли закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Этот закон формулируется так:
Масса всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
СН 4 + О 2 = СО 2 + Н 2 О
По закону сохранения массы:
m (СН 4) + m (О 2) = m (СО 2) + m (Н 2 О),
где m (СН 4) и m (О 2) - массы метана и кислорода, которые вступили в реакцию; m (СО 2) и m (Н 2 О) - массы углекислого газа и воды, образовавшиеся в результате реакции.
Сохранение массы веществ в химических реакциях объясняется тем, что число атомов каждого элемента до и после реакции не изменяется. В ходе химической реакции происходит только перегруппировка атомов. В реакции, например, в исходных веществ - СН 4 и О 2 - атом углерода соединяется с атомами водорода, а атомы кислорода- друг с другом; в молекулах продуктов реакции - СО 2 и Н 2 О - и атом углерода, и атомы водорода соединяются с атомами кислорода. Легко посчитать, что для сохранения числа атомов каждого элемента в данную реакцию должны вступать 1 молекула СН 4 и 2 молекулы О 2 , а в результате реакции должны образоваться 1 молекула СО 2 и 2 молекулы Н 2 О:
СН 4 + 2О 2 = СО 2 + 2Н 2 О
Данное выражение является уравнением химической реакции, или химическим уравнением .
Числа перед формулами веществ в уравнении реакции называются коэффициентами . В уравнении коэффициенты перед формулами О 2 и Н 2 О равны 2; коэффициенты перед формулами СН 4 и СО 2 равны 1 (их обычно не записывают).
Химическое уравнение - это выражение химической реакции, в котором записаны формулы исходных веществ (реагентов) и продуктов реакции, а также коэффициенты, показывающие число молекул каждого вещества.
Если известна схема реакции, то для составления химического уравнения нужно найти коэффициенты.
Составим, например, уравнение реакции, которая выражается следующей схемой:
Al + НСl = AlCl 3 + H 2
В левой части схемы атомы и входят в состав молекулы HCl в соотношении 1: 1; в правой части схемы содержатся 3 атома хлора в составе молекулы AlC1 3 и 2 атома водорода в составе молекулы Н 2 . Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6.
Напишем коэффициент «6» перед формулой HCl, коэффициент «2» - перед формулой AlC1 3 и коэффициент «3» - перед формулой Н;
Аl+ 6HCl = 2AlCl 3 + 3Н 2
Так как теперь в правой части содержится 2 атома , напишем коэффициент «2» перед формулой Al в левой части схемы:
2Al + 6НС1 = 2AlC1 3 + 3H 2
В результате мы получили уравнение данной реакции. Коэффициенты в химическом уравнении показывают не только число молекул, но и число молей исходных веществ и продуктов реакции. Например, это уравнение показывает, что в реакцию вступают 2 моля алюминия Аl и 6 молей , а в результате реакции образуются 2 моля хлорида алюминия AlC1 3 и 3 моля водорода Н 2).
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ ВЕЩЕСТВ М.В.ЛОМОНОСОВА
Я учусь в 8 классе и только начала изучать новый предмет – химию. На уроке химии мы проходили химические и физические явления. Учитель химии показала нам опыт с горящей свечой. Меня этот опыт заинтересовал. Я решила поглубже узнать об этом опыте и попробовать проделать его. Занимаясь дома, я узнала, что этот опыт проводил великий русский ученый М.В.Ломоносов. Я решила попробовать повторить его опыты и больше узнать о самом ученом и его работах.
ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Проанализировать работы М.В.Ломоносова в области химических наук;
Изучить работы М.В.Ломоносова по созданию закона сохранения массы веществ;
Познакомиться с работами других ученых в области закона сохранения массы веществ;
Рассмотреть эксперименты, проводимые М.В.Ломоносовым и другими учеными по количественному доказательству закона сохранения массы веществ;
Провести эксперимент, доказывающий, что масса веществ, вступившая в химическую реакцию, равна массе, получившейся в результате реакции
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
Изучить печатную литературу во исследуемому вопросу закон сохранения массы веществ;
Проанализировать сайты Интернета, посвященные 300-летию со дня рождения М.В.Ломоносова;
Провести эксперимент, подтверждающий выводы М.В.Ломоносова по доказательству закона сохранения массы веществ;
Подвести итоги и сделать выводы о проделанной работе.
Много славных имен вписал наш народ в историю мировой науки. Но имя Ломоносова связано с развитием сразу нескольких наук. Он величайший физик, химик, геолог и одновременно историк, исследователь языков и даже поэт. Открытия М.В.Ломоносова необыкновенно обогатили русскую науку. Он описал строение Земли, объяснил происхождение многих полезных ископаемых, оборудовал первую химическую лабораторию, написал первый учебник по российской грамматике на современном ему русском языке, разработал проект освоения Северного морского пути, провел опыты с электричеством, установил, что на планете Венера есть атмосфера. Благодаря этому ученому в России появился первый университет, который существует и в наши дни. Сын крестьянина северной окраины России стал величайшим русским ученым, признанным всей Европой.
В школе мы относимся к М.Ломоносову, как к чему-то среднему между историком и филологом. В нашем представлении это – человек, с поэтическим талантом, человек, пользующийся славой «первого русского ученого». О естественно - научных, взглядах Ломоносова в школе иногда совсем умалчивается. То, в чем он неизмеримо велик– отодвигается на второй план и остается в тени.
К каким наукам более всего лежало сердце Ломоносова, – нам судить трудно. Более близкий к его времени, величайший поэт наш Пушкин, выдвигает на первый план его естественнонаучные изыскания. Вот как он характеризует деятельность Ломоносова: «Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенною силою понятия, Ломоносов обнял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшею страстью этой души, исполненной страстей. Он все испытал и все проник... Первый углубляется в историю Отечества, утверждает правила общественного языка его, дает законы и образцы классического красноречия; предугадывает открытия Франклина, учреждает фабрику, сам сооружает машины, дарит художества мозаичными произведениями и, наконец, открывает нам истинные источники нашего поэтического языка».
Как химик-теоретик и как химик-исследователь М. В. Ломоносов стоял на голову выше своих современников. Одним из конкретных проявлений всеобщего закона природы был открытый и экспериментально подтвержденный Ломоносовым закон сохранения вещества при химических превращениях, установление которого долгое время совершенно несправедливо приписывалось французскому химику Антуану Лорану Лавуазье. Предложенный М.Ломоносовым всеобщий закон природы включает в себя и закон сохранения энергии, вошедший в науку лишь в середине XIX века: “Но как все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».
М. В. Ломоносов руководствовался законом сохранения вещества и движения не только при построении атомно-молекулярной теории, но и в экспериментальных исследованиях. Он придавал большое значение измерению массы исходных веществ и веществ, получающихся в результате химических операций, считая, что только путем количественных измерений можно проникнуть в тайны химических превращений.
Некоторыми из своих классических опытов Ломоносов надолго опередил некоторых европейских ученых. Так, накаливая свинец и олово в запаянных стеклянных трубках, Ломоносов убедился, что вес металлов при этом не меняется; отсюда он заключил, что обычное приращение в весе зависело вовсе не от мифического «флогистона», а от соприкосновения накаленных металлов с воздухом, который проникал в реторты вследствие недостаточной закупорки.
В 1673 г. вышла книга Р. Бойля «Новые эксперименты о том, как сделать огонь и пламя стойкими и весомыми», в которой английский химик описал опыты с прокаливанием металлов. Ученый помещал металл в реторту, запаивал ее, взвешивал, прокаливал до образования из металла «извести», после чего вскрывал реторту и вновь взвешивал, получая, естественно, прибавку в «весе». Несмотря на то, что Р. Бойль был хорошо знаком с работами Р. Гука и Д. Майова, он объяснил увеличение массы металлов при обжиге присоединением к ним тончайшей «огненной материи», проникающей сквозь поры стекла.
В 1756 г. М. В. Ломоносов повторил опыты Бойля с тем изменением, что он не вскрывал реторты с «известью» перед их взвешиванием. Результат получился именно такой, какого и ожидал ученый, исходя из своих теоретических представлений: «огненной материи» не существует. Краткая запись опытов была такова: «...между разными химическими опытами... деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов».
17 лет спустя, в 1773 г., опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и М.Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте.
Но увы! Эти опыты Ломоносова прошли незамеченными. И когда, восемнадцать лет спустя, их повторил Лавуазье, он пожал лавры, по справедливости принадлежавшие М.Ломоносову.
Я под руководством учителя химии проделала опыты, подтверждающие выводы М.В.Ломоносова. Для этого я взяла сосуды Ландольта, в одном из которых находилась соляная кислота и цинк, а в другом - гидроксид натрия и сульфат меди (фото 1 ). Весы уравновесила. После сливания растворов (фото 2 ) произошла химическая реакция. Я увидела, что в одном сосуде выпал осадок голубого цвета, а в другом сосуде выделяется газ (фото 3 ). Стрелка весов после химической реакции осталась на прежнем уровне. Таким образом, я убедилась, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию равна массе веществ, образовавшихся после реакции.
2 
3 
Для проведения второго опыта мне понадобилась герметично закрытая колба, внутрь которой мы поместили горящую свечу. Весы уравновесили (фото 4 ). Свечу зажгли и опустили её в колбу, плотно прикрыв пробкой (фото 5 ). Свеча при горении, израсходовав весь кислород из колбы, погасла. Произошло химическое явление. Весы после реакции остались уравновешенными. Из этого следует, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, осталась неизменной после её окончания.
4 
5
Вывод : итак, задачи, которые я ставила перед собой, выполнены. Много нового я узнала о великом русском ученом М.В.Ломоносове, о его достижениях в разных областях наук. Один из его законов – закон сохранения массы веществ, подтвердила экспериментально.
Такова всеобъемлющая деятельность русского гения, сумевшего – не только в своих научных откровениях, но даже и в неизбежных ошибках – оставить неизгладимые следы великой, неустанной мысли и работы на пользу науки, о расцвете которой в родной стране он так горячо и так бескорыстно ратовал.
