Сущность химической реакции. Закон сохранения массы веществ

1. Сущность химической реакции с позиции атомно-молекулярной теории

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.

2. Открытие закона сохранения массы веществ

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

3. Опыты, иллюстрирующие закон 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.