11. Сущность химической реакции. Закон сохранения массы веществ

В этом уроке мы подробно разберём, в чём заключается сущность химической реакции на уровне атомов и молекул, каковы её основные признаки, а также узнаем, каким образом учёные пришли к формулировке одного из самых фундаментальных законов химии — закона сохранения массы веществ.

Давайте проследим путь от первых гипотез до опытов Бойля, Ломоносова и Лавуазье, рассмотрим наглядные эксперименты, доказывающие этот закон, и разберём пример практического расчёта.

Благодаря этому конспекту по химии за 8-й класс, вы научитесь не только понимать теорию закона, но и применять её на практике — от выполнения домашних заданий до успешной подготовки к контрольным и экзаменам.

Химическая реакция — это процесс, в котором исходные вещества преобразуются в новые, обладающие иными свойствами. Понять процесс удалось только после появления атомно-молекулярной теории:

Любое вещество построено из молекул, а они, в свою очередь, — из атомов. Во время реакции атомы не исчезают и не возникают заново — они остаются теми же, однако их связи в молекулах разрываются и те же самые атомы формируют новые молекулы. Именно в такой перегруппировке атомов и заключается сущность химической реакции.

Анализ этой модели привёл учёных к выводу, что общее количество материала до и после реакции сохраняется. Это легло в основу будущих экспериментальных проверок, которые в итоге позволили сформулировать закон сохранения массы веществ.

Великий учёный и художник Леонардо да Винчи (рис. 2) однажды заметил:

Знания, не проверенные опытом, матерью всякой достоверности, бесплодны и полны ошибок.

Эта мысль актуальна и для химии: любое предположение, даже самое логичное, должно быть подтверждено экспериментально.

От гипотезы к доказательствам: путь к открытию закона

Поскольку сущность химических реакций скрыта от глаз, то химики используют теоретическое моделирование.

Этот метод включает несколько этапов:

1. Сначала учёные на основе фактов и косвенных данных строят схему невидимого процесса.

2. Затем формулируют гипотезу.

3. Проверяют её опытным путём.

4. Если экспериментальные данные подтверждают предположение, оно получает статус теории или научного закона.

Такой подход позволил учёным перейти от умозрительных догадок к строгому доказательству принципа сохранения массы веществ.

Опыт Бойля: первые ошибки

В XVII веке английский учёный Роберт Бойль (рис. 3) решил исследовать вопрос изменения массы вещества при химических реакциях. Для этого он прокаливал металлы в лабораторных сосудах — ретортах (рис. 4) — и взвешивал их в начале эксперимента и после нагрева. Бойль в результате заметил, что масса тела увеличилась.

Однако Бойль ошибся. Химик не учёл, что реакция происходила на открытом воздухе и в процессе к металлу присоединились другие вещества. В итоге Бойль сделал неверный вывод: будто масса продуктов реакции больше, чем масса первоначальных веществ.

Опыты Ломоносова и Лавуазье: новые открытия

Спустя столетие, в XVIII веке, эксперименты Бойля повторили двое выдающихся учёных — Михаил Васильевич Ломоносов и Антуан Лавуазье.

Ломоносов (рис. 5) изменил условия эксперимента и прокалил металлы не в открытых сосудах, как это делал Бойль, а в закрытых ретортах. После окончания реакции Ломоносов снова взвесил реторты и выяснил, что масса в сосудах осталась неизменной. Это стало доказательством того, что масса продуктов реакции равна массе исходных веществ.

Учёный также заметил, что в ходе реакции к металлу присоединяется определённая часть воздуха (хотя про сам кислород в ту эпоху ещё не знали), но свои наблюдения он так и не опубликовал.

В 1774 году опыты Лавуазье (рис. 6) привели учёного к тем же результатам и он сделал ключевое открытие: масса увеличившегося металла точно равна массе израсходованного воздуха. Его выводы стали важным этапом на пути к доказательству закона сохранения массы веществ. Но до этого оставалось ещё два века.

В начале XX века химик Ганс Ландольт в течение 10 лет проводил серию экспериментов, чтобы окончательно подтвердить универсальность закона сохранения массы веществ.

Ландольт стремился не просто повторить выводы своих предшественников, а создать условия, при которых исключалось любое внешнее влияние на химическую реакцию. Его целью было получить результат, которому можно доверять с абсолютной точностью. Один из таких опытов стал особенно наглядным.

Первый опыт (рис. 8):

• Используем весы и два стеклянных сосуда Ландольта.

• В один стеклянный сосуд добавляем раствор йодида калия и нитрата свинца, а в другой — хлорид железа с роданидом калия.

• Герметично закупориваем сосуды и устанавливаем на весы, добиваясь их равновесия.

• Смешиваем содержимое сосудов и ждём.

• Наблюдаем, что в первом сосуде жидкость помутнела и выпал ярко-жёлтый осадок йодида свинца. В другом образовалась насыщенная тёмно-красная окраска роданида трёхвалентного железа.

• Получаем результат: после окончания реакции мы имеем новые вещества, но весы демонстрируют ту же массу, что и в начале эксперимента.

• Вывод: Несмотря на все изменения внутри сосудов, стрелка весов осталась на прежнем уровне, а значит, масса исходных веществ равна массе продуктов реакции.

Эти опыты окончательно доказали универсальность закона сохранения массы веществ и показали: в закрытых системах масса материала до и после реакции не меняется. Сегодня этот закон лежит в основе многих химических расчётов и составления уравнений реакции.

Заключение

На этом уроке мы с вами убедились, что во время реакции атомы не исчезают, а только перестраиваются, чтобы образовать новые молекулы.

Понимание сущности химической реакции и принципов сохранения массы — фундамент химии, подтверждённый опытом великих учёных. Освоив этот закон, вы сможете лучше понимать опыты и успешно применять знания в школе на уроках химии.

Полезные ссылки

1. Список рекомендованных источников.

2. Биография М. В. Ломоносова.

3. Биография А. Лавуазье.

Проверь себя

1. Опишите опыты, которые подтверждают закон сохранения массы веществ.

2. При сжигании 8 г магния в кислороде образовался оксид магния. Если было использовано 4 г кислорода, то сколько граммов оксида магния получилось?

Список использованных источников:

Рис. 1, 3, 5. Автор Хабибуллин А. О. (СХАО-9125 от 09.01.2025 г.)

Рис. 2. Источник: wikipedia.org / название: Leonardo self / атрибуция: общественное достояние, автор: Amandajm

Рис. 4. Источник: wikipedia.org / название: The Shannon Portrait of the Hon Robert Boyle / атрибуция: общественное достояние, автор: Mary Mark

Рис. 6. Источник: wikipedia.org / название: Mikhail Lomonosov (1757) / атрибуция: общественное достояние, автор: Ivtorov

Рис. 7. Источник: wikipedia.org / название: David - Portrait of Monsieur Lavoisier (cropped) / атрибуция: общественное достояние, автор: Alonso de Mendoza

Рис. 8. Источник: wikipedia.org / название: Hans Heinrich Landolt 02 / атрибуция: общественное достояние, автор: Materialscientist