2. Открытие закона сохранения массы веществ

Характеристика химических реакций
1. Многообразие химических реакций, план характеристики
Химические реакции очень разнообразны: одни протекают с выделением большого количества энергии
в виде тепла и света (Рис. 1), другие сопровождаются выделением газа, изменением цвета (Рис. 2).
Рис. 1. Горение магния
Рис. 2. Взаимодействие меди с концентрированной азотной кислотой
Чтобы охарактеризовать химическую реакцию, необходимо описать ее отличительные особенности.
Принято указывать условия начала, условия течения и признаки реакции. Охарактеризуем примеры
реакций горения магния и взаимодействия меди с концентрированной азотной кислотой по
приведенным пунктам.
2. Условия начала реакции
К условиям начала химической реакции относят то, что следует осуществить для того, чтобы реакция
начала протекать. Часто для начала реакции необходимо соприкосновение исходных веществ.
Так и в случае реакции азотной кислоты с медью для ее начала достаточно, чтобы реагирующие
вещества соприкасались друг с другом. Однако одного соприкосновения реагирующих веществ
нередко бывает недостаточно.
Например, магний начинает гореть не просто при соприкосновении с кислородом, содержащимся в
воздухе. Для того чтобы эта реакция начала протекать, кусочек магния нужно поджечь.
Итак, мы видим, что химическая реакция начинается при определенных условиях. Если эти условия не
выполняются, то химическое превращение невозможно. Для продолжения протекания реакции тоже
нужно создать определенные условия.
3. Условия течения реакции
Например, условием протекания реакции горения магния является постоянный приток воздуха. Если
приток воздуха прекратить, то горение тоже прекратится, т.к. магний перестанет соприкасаться с
кислородом.
Химическая реакция между азотной кислотой и медью будет продолжать протекать, если вещества
будут соприкасаться друг с другом и дальше. Значит, если из колбы вынуть кусочек меди, то
химический процесс прекратится.
4. Признаки реакции
Продукты химической реакции – вещества, обладающие иными свойствами по сравнению с
исходными веществами, поэтому об их образовании можно судить по ряду признаков. К признакам
химической реакции относят выделение газа, выпадение осадка, изменение цвета и запаха, выделение
света и теплоты.
Рассмотрим признаки рассматриваемых нами реакций. О протекании реакции горения магния можно
судить по выделению большого количества света и тепла. Кроме того, серый металл магний
превратился в белый оксид магния, т.е. произошло изменение цвета.
При взаимодействии концентрированной азотной кислоты с медью происходит выделение бурого газа
и изменение цвета раствора.
5. Типы реакций - соединение и разложение
Иногда в характеристике химической реакции указывают ее тип.
В рамках данного урока рассматриваются только два типа реакций: реакции соединения и реакции
разложения. В результате горения магния из двух веществ (магния и кислорода) образуется одно
вещество – оксид магния. Такую реакцию относят к реакциям соединения.
Реакция соединения – это процесс, в результате которого из двух или более веществ получается одно
вещество.
Противоположным процессом является реакция разложения.
Реакция разложения – это процесс, в результате которого из одного вещества получаются два или
более новых веществ.
Примером реакции разложения может служить разложение воды. Под действием электрического тока
вода разлагается на два газообразных вещества – кислород и водород.
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.