Открытие молекул и атомов явилось важнейшим событием в развитии атомно-молекулярной теории. Ещё в 1748 году великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов сформулировал закон сохранения массы как философскую концепцию. Он впоследствии сам же подвёл под её доказательство мощную практико-теоретическую базу, и произошло это в 1756 году. Параллельно с российским учёным над этой проблемой работал химик-француз А.Л.Лавуазье. Свой вариант доказательства он предложил в 1789 году.
Закон сохранения массы вещества гласит, что сумма масс всех веществ, которые вступают в химическую реакцию, численно равна массе веществ, являющихся продуктами реакции. Первоначальные способы практически доказать тогда ещё предположение о сохранении масс не увенчались успехом. Дело в том, что опыты, которые проводились ещё до Ломоносова, основывались на сжигании веществ. Результаты взвешивания до и после реакции никак не согласовывались с очевидной, но не подтверждённой на практике теорией. Нагревание на воздухе ртути в результате давало красную окалину, и масса её была больше чем масса вступающего в реакцию металла. С золой, появляющейся после сгорания древесины, результат был противоположный, масса продукта всегда оказывалась меньше массы вещества до осуществления реакции.
Заключается в том, что он, чтобы доказать закон сохранения массы, впервые проводил опыт с замкнутыми системами. Простота опыта в очередной раз доказала гениальность российского учёного. Прокаливаемые металлы Ломоносов помещал в запаянный стеклянный сосуд. После успешно проведенной реакции вес сосуда оставался неизменным. И только когда сосуд разбивали, и вовнутрь устремлялся воздух, наблюдалось увеличение массы сосуда.
Теоретическое объяснение проведённого эксперимента было дано присоединительным характером реакции горения металла. Увеличение массы происходило за счёт присоединения атомов кислорода в продукт окисления. Доказав закон сохранения массы, Ломоносов осуществил весомый вклад в развитие атомно-молекулярной теории. Практически он ещё раз доказал, что атомы химически неделимы. Конструкции молекул в ходе реакций меняются, они обмениваются между собой атомами, но суммарное их количество (атомов) в замкнутой системе остаётся неизменным. Соответственно и общая масса вещества является величиной постоянной.
Закон сохранения массы стал первым вкладом в познании более глобальной природной закономерности. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили выявить, что в замкнутых системах происходит не только сохранение масс. Энергия изолированной системы тоже является величиной постоянной. Любой процесс, происходящий в не производит и не уничтожает ни массу, ни энергию. А выявленная закономерность впоследствии получила название: закон сохранения массы и энергии. стали лишь доказательством частного случая величайшего закона природы.
Но на этом познание окружающего нас мира не заканчивается. Труды Эйнштейна продвинули науку ещё дальше, в своей теории он не только доказал взаимосвязь энергии и массы, но и сделал смелое предположение о возможности их преобразования. То, что сейчас кажется понятным обыкновенному школьнику, формировалось в ходе практических опытов и теоретических исследований на протяжении трех последних столетий. Учёные в самых различных областях естествознания по крупицам собирали мощную платформу для доказательства закономерностей и осознания понятий «энергия» и «масса».
Не только физика и химия, но и множество других наук активно используют взаимосвязь и принцип сохранения массы и энергии. Биология, география, астрономия находят применение закону сохранения массы и энергии. Даже философия под влиянием этого закона сформировала современное представление человека о бытии.
Атомно-молекулярное учение
В 1858 г. почти через 50 лет после открытия Авогадро итальянский химик С. Канницаро (1826–1910) обнаружил работы Авогадро и увидел, что они позволяют четко разграничить понятия "атом" и "молекула" для газообразных веществ. Именно Канницаро предложил определения атома и молекулы и внес полную ясность в понятия "атомный вес" и "молекулярный вес".
В 1860 г. в Карслуэ (Германия) состоялся Первый международный химический конгресс, на котором после долгих дискуссий были сформулированы основные положения атомно-молекулярного учения :
· вещества состоят из молекул – наименьших частиц вещества, обладающих его химическими свойствами;
· молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях;
· атом – наименьшая частица элемента в химических соединениях;
· разным элементам соответствуют разные атомы;
· атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении;
· при химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ;
· атомы при химических реакциях не изменяются;
· молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O 2 , P 2 , N 2 и т.д.), молекулы сложных веществ – из разных атомов (H 2 O, HСl и т.д.);
· свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом.
Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые ее положения были пересмотрены. Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Выяснилось, что не во всех случаях частицы, образующие вещество, являются молекулами. Многие химические соединения, особенно в жидком и твердом состоянии, имеют ионную структуру, например, соли. Некоторые вещества, например, инертные газы состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой.
И, наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние – плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.
Фундаментальным законом естествознания является закон сохранения массы вещества , который был сформулирован в 1748 г. в виде философской концепции великим русским ученым М.В. Ломоносовым (1711–1765) и подтвержден экспериментально им самим в 1756 г., а также независимо от него - французским химиком А.Л. Лавуазье в 1789 г.
Закон сохранения массы вещества гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции .
Опыты по сжиганию веществ, которые проводились до Ломоносова, наводили на мысль, что масса веществ в процессе реакции не сохраняется. При нагревании на воздухе ртуть превращалась в красную окалину, масса которой была больше массы металла. Масса золы, образующейся при сгорании дерева, напротив, всегда меньше массы исходного вещества. Немецкий врач и химик Эрнст Шталь (1660–1734) пытался объяснить эти явления тем, что горючие вещества содержат некоторую субстанцию – флогистон , которая в процессе горения улетучивается или передается от одного вещества к другому. Это означало, что горение вещества есть реакция разложения на флогистон и негорючий остаток. Но тогда получалось, что есть положительный флогистон (содержится в дереве), который приводит к уменьшению массы при горении, и отрицательный (в металлах), который дает увеличение массы.
Ломоносов провел простой опыт, который показал, что горение металла есть реакция присоединения, а увеличение массы металла происходит за счет присоединения части воздуха. Он прокаливал металлы в запаянном стеклянном сосуде и обнаружил, что масса сосуда не изменялась, хотя химическая реакция происходила.
К сожалению, открытие Ломоносова не было замечено зарубежными учеными, а закон сохранения массы вещества утвердился в химии только после опытов Лавуазье, который проводил реакции сжигания металлов и восстановления оксидов металлов углем, и ни разу не обнаружил увеличения или уменьшения массы продуктов реакции по сравнению с исходными веществами.
Закон сохранения массы вещества имел огромное значение для атомно-молекулярной теории. Он подтвердил, что атомы являются неделимыми и при химических реакциях не изменяются. Молекулы при реакции обмениваются атомами, но общее число атомов каждого вида не изменяется и поэтому общая масса веществ в процессе реакции сохраняется. Закон сохранения массы вещества является частным случаем общего закона природы - закона сохранения энергии , который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна . Энергия – это мера движения и взаимодействия различных видов материи. При любых процессах в изолированной системе энергия не производится и не уничтожается, она может переходить из одного вида в другой. Например, энергия электромагнитного излучения, действующего на молекулу, может переходить в энергию вращательного движения молекулы или поступательного движения атомов; напротив, энергия химического взаимодействия может переходить в энергию излучения.
Закон сохранения энергии как философский принцип не выводится из более общих постулатов. С физической точки зрения закон сохранения энергии является следствием однородности времени , т.е. того факта, что законы природы со временем не меняются.
Закон сохранения массы вещества не выполняется в ядерных реакциях, что объясняется на основе принципа эквивалентности массы и энергии, сформулированного Эйнштейном и выражаемого самой знаменитой в мире формулой: Е = mc 2 .
Это соотношение показывает, что масса может переходить в энергию и наоборот, что и происходит в ядерных реакциях. В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергии, очень мало и не поддается экспериментальной регистрации. Поэтому можно утверждать, что в химических реакциях закон сохранения массы выполняется с очень высокой степенью точности.
Закон сохранения массы веществ один из важнейших законов химии. Его открыл М. В. Ломоносов, а позже экспериментально подтвердил А. Лавуазье. Так в чем же состоит суть этого закона?
История
Закон сохранения массы веществ впервые сформулировал М. В. Ломоносов в 1748 году, а экспериментально подтвердил его на примере обжига металлов в запаянных сосудах в 1756 году. Закон сохранения массы веществ Ломоносов связывал с законом сохранения энергии (количества движения). Он рассматривал эти законы в единстве как всеобщий закон природы.
Рис. 1. М. В. Ломоносов.
Но еще до Ломоносова более 20 веков назад древнегреческий ученый Демокрит предполагал, что все живое и неживое состоит из незримых частиц. позже в XVII веке эти догадки подтвердил Р. Бойль. Он проводил эксперименты с металлом и древесиной и выяснил, что вес металла после нагревания увеличился, а вес золы по сравнению с деревом, наоборот, уменьшился.
Независимо от М. В. Ломоносова закон сохранения массы вещества был установлен в 1789 году французским химиком А. Лавуазье, который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ.
Взгляды Ломоносова и Лавуазье были подтверждены современной наукой. В 1905 году А. Эйнштейн показал, что между массой тела (m) и его энергией (E) существует связь, выражаемая уравнением:
где c – скорость света в вакууме.
Рис. 2. Альберт Эйнштейн.
Таким образом, закон сохранения массы дает материальную основу для составления уравнений химических реакций.
Суть закона сохранения массы вещества
Закон сохранения массы вещества заключается в следующем: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Рис. 3. Закон сохранения массы вещества.
При написании уравнений химических реакций надо следить за соблюдением этого закона. Число атомов элемента в левой и правой частях реакций должно быть одинаковым, так как атомные частицы в химических превращениях неделимы и никуда не исчезают, а лишь переходят из одного вещества в другое. Сущность химической реакции – разрыв одних связей и образование других связей. Поскольку эти процессы связаны с затратой и получением энергии, то знак равенства в реакциях можно ставить, если учтены энергетические факторы, условия реакции, агрегатные состояния веществ.
Очень часто знак равенства, особенно в неорганических реакциях, ставят и без учета необходимых факторов,производя упрощенную запись. При уравнивании коэффициентов вначале уравнивают число атомов металла, потом неметалла, затем водорода и в конце производят проверку по кислороду.
Что мы узнали?
Закон сохранения массы вещества изучают в школе по химии 8 класса, так как понимание его сути необходимо для правильного составления уравнений реакций. О том, что любая материя на земле состоит из невидимых частиц предположил еще древнегреческий ученый Демокрит, а его более современные последователи Ломоносов, Лавуазье, Эйнштейн доказали это экспериментально.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.1 . Всего получено оценок: 162.
Вселенная, включающая в себя Землю и другие объекты в космическом пространстве, состоит из материи. Материей является все, что занимает определенное пространство и обладает массой, определяющей количество материи. Метрической единицей измерения массы является грамм (г). На Земле материя принимает три основные формы: твердую, жидкую и газообразную. Вес объекта позволяет определить его массу. Чем больше его вес, тем больше масса. Разумеется, при одинаковых гравитационных условиях.
Вселенная немыслима без энергии, и каждому следует знать о том, что это такое и какой она бывает. В этом, безусловно, помогает научная и научно-популярная литература, в которой сложные вещи подаются в доступной каждому, вне зависимости от возраста, форме. Среди этих книг следует особо выделить англоязычный популяризаторский труд Дженис Ванклив (Janice VanCleave) «Energy for Every Kid» («Об энергии - каждому ребенку»). В этой своей книге она обстоятельно рассказала юным и не очень читателям об особенностях различных типов энергии. Англоязычный веб-сайт «Energy and kids» собрал на своих страницах все самое интересное и важное, что следует каждому знать об энергии. На его страницах рассмотрены принципы энергии, поведана история научной мысли в области энергетики, располагаются биографии ученых, трудившихся в этой области знаний. Кроме того, сайт рассматривает принципы энергосбережения. На нем составлена подборка экспериментов, выполняемых школьниками под руководством учителя. Немало интересного там сказано также и о способах применения энергии человеческой цивилизацией. Представлена там также и подборка фактов об энергии. На англоязычном познавательном веб-сайте для детей Penguin, в числе прочих образовательных материалов, располагается «Energy Guide for kids». Эта интереснейшая подборка отвечает на ряд вопросов об энергии, которые могут возникнуть у каждого любознательного человека.
Из чего состоит Вселенная?
«Строительными блоками» материи являются атомы. Базовые химические вещества, состоящие из атомов одного типа, называются элементами. Соединяясь вместе, атомы образуют связи. Вещества, состоящие из нескольких типов атомов, называют сложными. Существует два типа таких соединений - молекулярные и ионные соединения.
Примером ионного соединения является хлорид натрия (поваренная соль). Такие соединения состоят из ионов (атомов или групп атомов, обладающих электрическим зарядом). Молекулярные соединения (например вода), состоят из молекул. Молекула является мельчайшей физической частицей молекулярного соединения.
В восемнадцатом столетии французский химик Антуан Лавуазье впервые в истории человеческой цивилизации обнаружил, что в ходе химической реакции (процесса, в ходе которого атомы формируют новое вещество), материя не образуется и не исчезает. Просто химические элементы в реагентах формируют новую структуру.
При этом общая масса вещества в ходе химической реакции сохраняется, оставаясь неизменной. Масса итогового вещества равна сумме масс реагентов. Это свойство материи стало называться законом сохранения массы. Химические реактивы обладают химической энергией, которая удерживает атомы вместе. Химическая энергия является одной из форм потенциальной энергии и называется химической потенциальной энергией. Эта энергия реализуется, когда связь между атомами разрушается в процессе химической реакции.
В девятнадцатом столетии это явление стали называть законом сохранения энергии, который впервые был описан немецким ученым Юлиусом Робертом фон Майером. Согласно этому физическому закону, при обычных условиях энергия может менять свою форму, но общий ее объем во Вселенной всегда остается неизменным.
Иными словами, как и материя, никогда не возникает новой энергии и она никуда не исчезает. Только трансформируется, переходя из одной формы в другую. К примеру, когда вы поднимаете коробку с пола, энергия, которую вы получили от пищи, передается поднимаемой вами коробке.
Атом состоит из ядра (центральная часть атома), которое содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтронов (частицы без заряда), а также электронов (отрицательно заряженных частиц). В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул теорию, согласно которой при экстраординарных условиях масса может преобразоваться в энергию, а энергия в массу. Эти специальные условия называются ядерной реакцией, когда изменения происходят в ядре атома.
Чтобы учесть эти исключительные условия, законы сохранения были объединены в закон сохранения массы и энергии. Этот физический закон утверждает, что материя и энергия могут переходит друг в друга. При этом сумма всех масс и всей энергии во Вселенной остается неизменной. Если одного из них становится больше, то другого - меньше.
Впрочем, в повседневной жизни законы сохранения массы и энергии применяются раздельно. Когда речь идет о потере или обретении энергии, понятно, что говорится о переходе энергии из одного состояния в другое. Исключением являются только ядерные реакции, в ходе которых расщепляется ядро атома и происходит трансформация материи в энергию или наоборот.
Эксперимент
А теперь сами убедимся в том, что масса сохраняется. В ходе эксперимента следует соблюдать аккуратность, вся посуда должна быть одноразовой и утилизироваться после проведения эксперимента.
Материалы и оборудование
Два 90-миллилитровых картонных стаканчика
Мерные ложки
Водопроводная вода
Одна столовая ложка (5 миллилитров) аптечного сульфата магния
Ложка
Жидкий школьный клей
Кухонные весы
Бумажное полотенце
Ход эксперимента
1. В один из картонных стаканчиков добавьте 2 столовые ложки (10 миллилитров) водопроводной воды и сульфат магния. Перемешивайте до тех пор, пока сульфат магния не растворится или полностью, или по крайней мере его осадок будет небольшим.
2. Во второй стаканчик влейте 1 столовую ложку (5 миллилитров) жидкого школьного клея.
3. Взвесьте оба стаканчика на весах. Запишите массу каждого стаканчика и их общую массу. Обратите внимание на внешний вид содержимого каждого из стаканчиков.
4. Влейте водный раствор сульфата магния в стаканчик с клеем. Перемешайте содержимое стаканчика. Обратите внимание на его внешний вид.
5. Взвесьте пустой стаканчик и стаканчик с раствором. Запишите массу каждого из них по отдельности и общую массу. Сравните общую массу с той, которая была при предыдущем взвешивании.
6. Теперь, сопоставив массы, извлеките лопаткой белый сгусток твердого вещества, который образовался в стаканчике и переместите его на бумажное полотенце. Оберните полотенце вокруг сгустка и сожмите его, чтобы выжать лишнюю жидкость. Чем отличается сгусток от тех веществ, которыми он был образован?
Результат
Вначале один из стаканчиков содержит прозрачную жидкость, образованную сульфатом магния и водой, а второй - белый жидкий клей. После смешивания образуется белый твердый сгусток и некоторый излишек жидкости. Массы стаканчиков остаются прежними до и после смешивания.
Почему так происходит?
Смесь сульфата магния и воды формирует раствор (вещество, растворенное в жидкости). Жидкий клей тоже является раствором, состоящим из различных веществ, растворенных в воде. Когда эти два раствора соединяются, происходит химическая реакция между ее компонентами, которая ведет к образованию белого твердого материала.
Даже когда исходные реагенты распадаются на частицы и переформируются в новом порядке, все они остаются в стаканчике. По этой причине, когда вы повторно взвешиваете стаканчики, не происходит никаких изменений в их общей массе. На этом простом примере продемонстрировано сохранение массы в ходе химической реакции.
Янв 7, 2018 Геннадий