Проблема, страница 12 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 2. Закон постоянства состава вещества, закон сохранения массы веществ и закон Авогадро. Глава 1. Важнейшие понятия и законы химии - страница 12.

Условие.

Проблема. Действительно ли масса веществ в ходе реакции не изменяется?

Решение.

Решение 2.

Проблема. Действительно ли масса веществ в ходе реакции не изменяется?

Ответ на этот вопрос зависит от того, с какой точки зрения мы его рассматриваем: с точки зрения классической химии или современной физики.

В химии этот вопрос регулируется законом сохранения массы веществ, который был сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и независимо от него А. Лавуазье в 1789 году. Согласно этому закону, масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Это объясняется тем, что в ходе химических реакций атомы не исчезают и не возникают из ничего, а лишь перегруппировываются, образуя новые молекулы. Поскольку количество и тип атомов до и после реакции остаются неизменными, их общая масса также сохраняется.

Рассмотрим пример: горение магния в кислороде. Уравнение реакции: $2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$
Рассчитаем массы реагентов и продуктов, используя молярные массы: M(Mg) $\approx$ 24.3 г/моль, M(O) $\approx$ 16.0 г/моль.
Масса реагентов: $m(2Mg) + m(O_2) = 2 \times 24.3 \text{ г} + 2 \times 16.0 \text{ г} = 48.6 \text{ г} + 32.0 \text{ г} = 80.6 \text{ г}$.
Масса продукта: $m(2MgO) = 2 \times (24.3 \text{ г} + 16.0 \text{ г}) = 2 \times 40.3 \text{ г} = 80.6 \text{ г}$.
Как видим, масса до реакции равна массе после реакции. Для всех практических расчетов в химии закон сохранения массы выполняется с высочайшей точностью.

Однако с точки зрения современной физики, в частности, специальной теории относительности А. Эйнштейна, масса и энергия взаимосвязаны. Эта связь выражается знаменитой формулой эквивалентности массы и энергии: $E = mc^2$
где $E$ — энергия, $m$ — масса, а $c$ — скорость света в вакууме. Более точно, любое изменение энергии системы ($\Delta E$) сопровождается соответствующим изменением ее массы ($\Delta m$): $\Delta E = \Delta m c^2$

Любая химическая реакция сопровождается выделением (экзотермическая реакция, $\Delta E < 0$) или поглощением (эндотермическая реакция, $\Delta E > 0$) энергии. Это означает, что:

• В экзотермической реакции система теряет энергию, и, следовательно, ее масса уменьшается. Масса продуктов оказывается чуть меньше массы реагентов.
• В эндотермической реакции система поглощает энергию, и ее масса увеличивается. Масса продуктов становится чуть больше массы реагентов.

Это изменение массы называется дефектом массы. Давайте рассчитаем, насколько велика эта изменение массы на примере очень энергоемкой химической реакции — горения водорода.

Дано:

Химическая реакция: $2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(г)$

Энергия, выделившаяся в ходе реакции ($\Delta E$): $483.6$ кДж (для образования 2 моль воды)

Скорость света в вакууме ($c$): $\approx 3 \times 10^8$ м/с

Перевод в СИ:

$\Delta E = 483.6 \text{ кДж} = 483600 \text{ Дж} = 4.836 \times 10^5 \text{ Дж}$

Найти:

Изменение массы (дефект массы) $\Delta m$.

Решение:

Используем формулу эквивалентности массы и энергии $\Delta E = \Delta m c^2$. Выразим отсюда изменение массы $\Delta m = \frac{\Delta E}{c^2}$.

Поскольку реакция экзотермическая, энергия выделяется, и изменение полной энергии системы отрицательно ($\Delta E = -4.836 \times 10^5 \text{ Дж}$). Соответственно, изменение массы также будет отрицательным, что означает уменьшение массы. Рассчитаем величину этого изменения:

$|\Delta m| = \frac{|\Delta E|}{c^2} = \frac{4.836 \times 10^5 \text{ Дж}}{(3 \times 10^8 \text{ м/с})^2} = \frac{4.836 \times 10^5}{9 \times 10^{16}} \text{ кг} \approx 5.37 \times 10^{-12} \text{ кг}$

Это $5.37$ нанограмма. Сравним эту величину с исходной массой реагентов (2 моль $H_2$ и 1 моль $O_2$):

$m_{реагентов} = 2 \times M(H_2) + M(O_2) \approx 2 \times 2.016 \text{ г} + 32.00 \text{ г} = 36.032 \text{ г} = 0.036032 \text{ кг}$.

Относительная потеря массы составляет $\frac{5.37 \times 10^{-12} \text{ кг}}{0.036032 \text{ кг}} \times 100\% \approx 1.5 \times 10^{-8} \%$. Это чрезвычайно малая величина, которую невозможно измерить на самых точных химических весах.

В отличие от химических реакций, в ядерных реакциях (например, деление урана или синтез гелия на Солнце) выделяется в миллионы раз больше энергии. Соответственно, дефект массы в них оказывается значительным и легко измеряемым, составляя заметную долю от исходной массы.

Ответ: С точки зрения химии и для всех практических целей, да, масса веществ в ходе реакции не изменяется, что соответствует закону сохранения массы. Однако с точки зрения фундаментальной физики, нет, масса незначительно изменяется из-за выделения или поглощения энергии. Это изменение (дефект массы) в химических реакциях настолько мало, что им всегда пренебрегают.