Страница 67 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Сформулируйте закон сохранения массы веществ и объясните его с точки зрения атомно-молекулярного учения. Проиллюстрируйте его примерами.

Формулировка закона сохранения массы веществ

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Этот фундаментальный закон химии был независимо сформулирован М. В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1789 году.

Объяснение с точки зрения атомно-молекулярного учения

Согласно атомно-молекулярному учению, все вещества состоят из атомов. В ходе химических реакций происходит не создание или уничтожение атомов, а их перегруппировка. Молекулы исходных веществ (реактантов) разрушаются, и из тех же самых атомов, но в новых комбинациях, образуются молекулы новых веществ (продуктов). Поскольку число атомов каждого элемента до реакции и после реакции одинаково, и каждый атом обладает определенной постоянной массой, то суммарная масса всех веществ, участвующих в реакции, остается неизменной. Таким образом, закон сохранения массы является прямым следствием принципа сохранения атомов в химических процессах.

Иллюстрация на примерах

Пример 1: Горение метана в кислороде.

Решение

Рассмотрим уравнение реакции горения метана:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Для проверки закона сохранения массы рассчитаем суммарную массу реагентов (левая часть уравнения) и продуктов (правая часть уравнения). Будем использовать относительные атомные массы элементов (округленные): $Ar(C) = 12$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

Масса реагентов:

$m(реагентов) = Mr(CH_4) + 2 \cdot Mr(O_2)$

$Mr(CH_4) = 12 + 4 \cdot 1 = 16$

$Mr(O_2) = 2 \cdot 16 = 32$

$m(реагентов) = 16 + 2 \cdot 32 = 16 + 64 = 80$ а.е.м.

Масса продуктов:

$m(продуктов) = Mr(CO_2) + 2 \cdot Mr(H_2O)$

$Mr(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 12 + 32 = 44$

$Mr(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$

$m(продуктов) = 44 + 2 \cdot 18 = 44 + 36 = 80$ а.е.м.

Масса реагентов (80 а.е.м.) равна массе продуктов (80 а.е.м.), что подтверждает закон сохранения массы.

Пример 2: Реакция разложения карбоната кальция.

Решение

Рассмотрим уравнение реакции термического разложения карбоната кальция (известняка):

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

Используем относительные атомные массы: $Ar(Ca) = 40$, $Ar(C) = 12$, $Ar(O) = 16$.

Масса реагента:

$m(реагента) = Mr(CaCO_3) = Ar(Ca) + Ar(C) + 3 \cdot Ar(O) = 40 + 12 + 3 \cdot 16 = 52 + 48 = 100$ а.е.м.

Масса продуктов:

$m(продуктов) = Mr(CaO) + Mr(CO_2)$

$Mr(CaO) = Ar(Ca) + Ar(O) = 40 + 16 = 56$

$Mr(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44$

$m(продуктов) = 56 + 44 = 100$ а.е.м.

Масса реагента (100 а.е.м.) равна суммарной массе продуктов (100 а.е.м.), что также является иллюстрацией закона.

Ответ: Закон сохранения массы веществ утверждает, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате этой реакции. С точки зрения атомно-молекулярного учения, это объясняется тем, что атомы в ходе химических реакций не исчезают и не создаются заново, а лишь перегруппировываются, образуя новые молекулы. Так как количество атомов каждого вида и масса каждого атома остаются неизменными, общая масса системы сохраняется. Примером может служить реакция горения метана $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$, где суммарная относительная масса реагентов ($16+2 \cdot 32=80$ а.е.м.) в точности равна суммарной относительной массе продуктов ($44+2 \cdot 18=80$ а.е.м.).

2. В реторту насыпали порошок цинка, закрыли газоотводную трубку зажимом, реторту взвесили и содержимое прокалили. Когда реторта остыла, её вновь взвесили. Изменилась ли её масса и почему? Затем открыли зажим. Остались ли чашки весов в равновесии и почему?

Данная задача рассматривается в два этапа.

1. Изменение массы реторты после прокаливания до открытия зажима.

Когда порошок цинка прокаливают, он вступает в химическую реакцию с кислородом, находящимся в воздухе внутри реторты. Происходит реакция горения цинка с образованием оксида цинка: $$ 2Zn + O_2 \rightarrow 2ZnO $$ Поскольку газоотводная трубка была закрыта зажимом, реторта представляет собой замкнутую (изолированную) систему. Это означает, что нет обмена веществом с окружающей средой. Согласно закону сохранения массы, масса всех веществ в замкнутой системе остается постоянной в ходе химических реакций. Атомы цинка и кислорода просто перегруппировались, образовав новое вещество, но их общее количество и, следовательно, общая масса внутри реторты не изменились.

Ответ: Масса реторты с содержимым не изменится. Это объясняется законом сохранения массы, так как реакция протекала в замкнутой системе, где общая масса реагентов и продуктов остается постоянной.

2. Равновесие весов после открытия зажима.

В процессе реакции часть газообразного кислорода ($O_2$), который находился в реторте, была израсходована на образование твердого оксида цинка ($ZnO$). Это привело к уменьшению общего количества газа в реторте. После того как реторта остыла до начальной температуры, давление внутри нее стало значительно ниже, чем атмосферное давление снаружи.

Когда зажим открыли, возникшая разность давлений заставила наружный воздух засасываться внутрь реторты до тех пор, пока давление внутри не сравнялось с атмосферным. Таким образом, в реторту поступила дополнительная порция воздуха из окружающей среды, что привело к увеличению общей массы системы "реторта + содержимое". Следовательно, чаша весов, на которой стоит реторта, опустится.

Ответ: Чашки весов не останутся в равновесии. Масса реторты увеличится, так как из-за пониженного давления, возникшего в результате химической реакции (расходования кислорода), в нее войдет воздух из атмосферы.

3. Почему при горении спиртовки масса спирта постоянно уменьшается? Не нарушается ли при этом закон сохранения массы веществ?

Решение

При горении спиртовки масса спирта постоянно уменьшается, потому что происходит химическая реакция горения. Спирт (чаще всего этиловый, или этанол) является топливом, которое взаимодействует с кислородом, содержащимся в воздухе. В ходе этой экзотермической реакции, сопровождающейся выделением тепла и света, исходные вещества (спирт и кислород) превращаются в новые вещества — продукты реакции.

Для этанола ($C_2H_5OH$) уравнение реакции горения выглядит следующим образом:

$C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 \uparrow + 3H_2O \uparrow$

Продуктами этой реакции являются углекислый газ ($CO_2$) и водяной пар ($H_2O$). Оба этих вещества находятся в газообразном состоянии и свободно улетучиваются в окружающее пространство. Поскольку мы измеряем массу только жидкого спирта в резервуаре спиртовки, а газообразные продукты покидают систему, мы наблюдаем постоянное уменьшение массы.

Закон сохранения массы веществ при этом не нарушается. Этот фундаментальный закон химии гласит, что масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Однако закон применим для замкнутых систем, то есть систем, которые не обмениваются веществом с окружающей средой.

Горящая спиртовка — это открытая система. Она непрерывно потребляет кислород из воздуха и выделяет в него газообразные продукты горения. Если бы мы провели этот опыт в герметично закрытом сосуде (замкнутой системе) с достаточным количеством кислорода, то весы показали бы, что общая масса сосуда с его содержимым до и после реакции осталась неизменной. Масса сгоревшего спирта в сумме с массой прореагировавшего с ним кислорода была бы в точности равна суммарной массе образовавшихся углекислого газа и воды. Таким образом, кажущееся "исчезновение" массы объясняется тем, что мы не учитываем массу газов, участвующих в реакции и покидающих зону наблюдения.

Ответ: Масса спирта в спиртовке уменьшается, так как в процессе горения он превращается в газообразные продукты — углекислый газ и водяной пар, которые улетучиваются в атмосферу. Закон сохранения массы веществ при этом не нарушается, так как суммарная масса реагентов (спирта и кислорода) равна суммарной массе продуктов реакции (углекислого газа и воды). Кажущееся нарушение закона связано с тем, что горение происходит в открытой системе, где не учитывается масса газообразных участников реакции.

4. Какое теоретическое и практическое значение имеет закон сохранения массы веществ? Приведите примеры.

Закон сохранения массы веществ, сформулированный М. В. Ломоносовым в 1748 г. и независимо от него А. Лавуазье в 1789 г., является одним из фундаментальных законов химии. Он гласит, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Теоретическое значение

Теоретическое значение закона сохранения массы огромно, так как он заложил научные основы химии.
1. Подтверждение атомно-молекулярного учения. Закон стал главным доказательством того, что вещество состоит из атомов. Он объяснил, что в ходе химических реакций атомы не исчезают и не создаются заново, а лишь перегруппировываются, образуя новые вещества. Таким образом, общая масса системы остается неизменной, так как сохраняется общее число атомов каждого вида.
2. Основа для составления химических уравнений. На основании этого закона составляют уравнения химических реакций. Расстановка коэффициентов в уравнениях — это математическое выражение закона сохранения массы, которое обеспечивает равенство числа атомов каждого элемента в левой (реагенты) и правой (продукты) частях уравнения.
3. Крах теории флогистона. Тщательные эксперименты А. Лавуазье по взвешиванию веществ до и после реакции (например, при нагревании ртути в запаянном сосуде) опровергли господствовавшую теорию флогистона. Было доказано, что горение и окисление — это процесс соединения вещества с кислородом воздуха, из-за чего масса твердого продукта (оксида) увеличивается, а не уменьшается.
Пример: Реакция горения водорода в кислороде описывается уравнением $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Это уравнение показывает, что 4 атома водорода и 2 атома кислорода, вступая в реакцию, образуют новые молекулы воды, но общее число и вид атомов не меняется. Следовательно, суммарная масса реагентов ($2H_2$ и $O_2$) точно равна массе продукта ($2H_2O$).

Ответ: Теоретическое значение закона сохранения массы заключается в том, что он служит фундаментальным обоснованием атомно-молекулярной теории, является основой для составления уравнений химических реакций и позволяет количественно описывать химические превращения.

Практическое значение

Практическое значение закона состоит в том, что он является основой для всех количественных расчетов в химической науке и промышленности.
1. Стехиометрические расчеты. Закон позволяет по уравнению реакции рассчитать массы или объемы реагентов, необходимых для получения заданного количества продукта, и наоборот, определить теоретический выход продукта из известного количества исходных веществ.
2. Промышленное производство. В химической, металлургической, фармацевтической и других отраслях расчеты по химическим уравнениям необходимы для:
- определения необходимого количества сырья и реагентов;
- прогнозирования массы конечного продукта (планирование производительности);
- оптимизации технологических процессов для уменьшения количества отходов и повышения эффективности.
3. Экология и охрана окружающей среды. Закон используется для количественной оценки воздействия на окружающую среду. Например, зная состав топлива (угля, бензина) и его массу, можно рассчитать, какая масса углекислого газа ($CO_2$) или оксида серы ($SO_2$) выделится в атмосферу при его сжигании.
Пример 1 (металлургия): При выплавке железа из руды (например, гематита $Fe_2O_3$) можно точно рассчитать, сколько кокса (углерода $C$) потребуется для восстановления определенной массы руды. Упрощенное суммарное уравнение реакции: $2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$. По этому уравнению инженеры рассчитывают необходимое количество сырья для получения нужного количества металла.
Пример 2 (сельское хозяйство): Для нейтрализации избыточной кислотности почвы в нее вносят известь (карбонат кальция $CaCO_3$). Зная кислотность и состав почвы, агрономы рассчитывают точную массу извести, необходимую для реакции нейтрализации с кислотами в почве по уравнению вида $CaCO_3 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2$.

Ответ: Практическое значение закона сохранения массы состоит в его применении для проведения количественных расчетов в промышленности, сельском хозяйстве, экологии и науке, что позволяет эффективно управлять технологическими процессами, определять массы реагентов и продуктов и прогнозировать результаты химических взаимодействий.

1. Медь соединяется с серой в массовом отношении 2 : 1. Для приготовления 21 г сульфида меди(II) потребуется

1) Cu – 14 г, S – 7 г

2) Cu – 12 г, S – 9 г

3) Cu – 7 г, S – 14 г

4) Cu – 16 г, S – 5 г

Дано:

Массовое отношение меди к сере: $m(\text{Cu}) : m(\text{S}) = 2 : 1$

Масса сульфида меди(II): $m(\text{CuS}) = 21 \text{ г}$

Найти:

Массу меди $m(\text{Cu})$ и массу серы $m(\text{S})$, необходимые для реакции.

Решение:

Реакция получения сульфида меди(II) из меди и серы подчиняется закону сохранения массы. Это означает, что масса продукта реакции (сульфида меди) равна сумме масс исходных веществ (меди и серы).

$m(\text{Cu}) + m(\text{S}) = m(\text{CuS})$

В условии задачи дано, что медь и сера реагируют в массовом отношении $2 : 1$. Это значит, что на каждые 2 массовые части меди в реакции участвует 1 массовая часть серы. Следовательно, в образовавшемся продукте будет $2 + 1 = 3$ массовые части.

Общая масса продукта реакции составляет 21 г, что соответствует 3-м массовым частям. Найдем, какая масса приходится на одну часть:

$1 \text{ часть} = \frac{m(\text{CuS})}{\text{общее число частей}} = \frac{21 \text{ г}}{3} = 7 \text{ г}$

Теперь рассчитаем требуемые массы меди и серы, исходя из их долей в отношении.

Масса меди ($m(\text{Cu})$) составляет 2 части:

$m(\text{Cu}) = 2 \times 7 \text{ г} = 14 \text{ г}$

Масса серы ($m(\text{S})$) составляет 1 часть:

$m(\text{S}) = 1 \times 7 \text{ г} = 7 \text{ г}$

Для проверки можно сложить найденные массы: $14 \text{ г} + 7 \text{ г} = 21 \text{ г}$, что равно заданной массе сульфида меди(II). Также отношение масс $14:7$ сокращается до $2:1$, что соответствует условию.

Следовательно, правильный вариант ответа находится под номером 1.

Ответ: 1) Cu — 14 г, S — 7 г

2. При разложении 4,34 г оксида ртути(II) образовалось 4,02 г ртути. Масса выделившегося при этом кислорода равна

1) 0,16 г

2) 0,32 г

3) 3,2 г

4) 1,6 г

Дано:

Масса оксида ртути(II), $m(HgO) = 4,34$ г

Масса образовавшейся ртути, $m(Hg) = 4,02$ г

Найти:

Массу выделившегося кислорода, $m(O_2)$ - ?

Решение:

Реакция разложения оксида ртути(II) при нагревании протекает с образованием ртути и кислорода. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$2HgO \xrightarrow{t} 2Hg + O_2\uparrow$

Для решения этой задачи воспользуемся законом сохранения массы веществ, который гласит, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Исходя из этого закона, масса исходного оксида ртути(II) будет равна сумме масс продуктов реакции — ртути и кислорода:

$m(HgO) = m(Hg) + m(O_2)$

Из этой формулы можно выразить массу кислорода:

$m(O_2) = m(HgO) - m(Hg)$

Теперь подставим числовые значения из условия задачи:

$m(O_2) = 4,34 \text{ г} - 4,02 \text{ г} = 0,32 \text{ г}$

Масса выделившегося кислорода составляет 0,32 г. Этот результат соответствует варианту ответа под номером 2.

Ответ: 0,32 г.