Закон за запазване на масата и енергията. Основни закони на химията. Закони за запазване в химията
Сред основните закони на химията е законът за запазване на масата на веществата, който е формулиран като обща концепция запазване на материята и движениетоот великия руски учен М. В. Ломоносов през 1748 г. и потвърден експериментално от самия него през 1756 г. и независимо от френския химик А.-Л. Лавоазие през 1773 г.
Съвременна формулировка на закона:
масата на веществата, влезли в химическа реакция, е равна на масата на веществата, образувани в резултат на реакцията.
Тоест, при химични реакции броят на атомите преди и след реакцията остава същият, например: H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O.
Въпреки това, почти всички реакции са придружени от отделяне или абсорбиране на топлина. Взаимодействието на киселина и основа винаги включва освобождаване на енергия в околната среда (екзотермична реакция), така че горното уравнение не отразява напълно процеса. Би било по-правилно да напишем тази реакция по следния начин
H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2 H 2 O + Q, където Q е 113,7 kJ.
Тук има ли противоречие със закона за запазване на масата на веществата?
Много по-късно, през 1905 г., А. Айнщайн установява количествена връзка между масата m и енергията на системата E: E = m ∙ c 2, където c е скоростта на светлината във вакуум (около 300 000 km/s или 3∙ 10 10 cm/s ). Използвайки уравнението на Айнщайн, ние определяме промяната в масата (в грамове) за нашата реакция
Δm = Δ E/s 2 = (113,7 ∙10 10 g∙cm 2 /g)/ (3∙10 10 cm/s) 2 = 1,26 ∙10 –9 g.
Понастоящем е невъзможно да се открият такива незначителни промени в масата. Следователно законът за запазване на масата на веществата е практически валиден за химичните реакции, но теоретично не е строг - не може да се приложи към процеси, които са придружени от отделяне на много голямо количество енергия, например към термоядрени реакции .
Така че законът за запазване на масата и законът за запазване на енергията не съществуват отделно един от друг. В природата се проявява един закон - законът за запазване на масата и енергията.Подобно на други закони на природата, законът за запазване на масата на веществата има голямо значение практическо значение. По този начин, използвайки го, е възможно да се установят количествени връзки между веществата, подложени на химични трансформации.
В уравнението на химичната реакция всяка формула представлява един мол от съответното вещество. Следователно, знаейки моларните маси на веществата, участващи в реакцията, можем да използваме уравнението на реакцията, за да намерим връзката между масите на веществата, които реагират, и образуваните в резултат на това. Ако реакцията включва вещества в газообразно състояние, тогава уравнението на реакцията позволява да се намерят техните обемни съотношения.
И така, изчисленията с помощта на химични уравнения, т.е. стехиометрични изчисления, се основават на закона за запазване на масата на веществата. Въпреки това, в реални условия, поради незавършени процеси или различни загуби, масата на получените продукти често е по-малка от масата, която трябва да бъде според закона за запазване на масата на веществата.
Добив на реакционен продукт(или масова част от добива) е съотношението, изразено като процент, на масата на действително получения продукт към неговата маса, която трябва да бъде получена в съответствие с теоретичното изчисление:
η = m (X) / m теор. (Х),
където η е добивът на продукта, %; m (X) – масата на продукта X, получен в реалния процес; m теор. (X) – теоретично изчислена маса на веществото X.
В тези задачи, където добивът на продукта не е посочен, се приема, че той е количествен, т.е. η = 100%.
ПРИМЕРИ ЗА РЕШАВАНЕ НА ЗАДАЧИ (изчисления с помощта на химични уравнения)
Задача 1.Желязото може да се получи чрез редукция на железен (III) оксид с алуминий. Определете колко алуминий е необходим за получаване на 140 g желязо?
Решение 1.Нека напишем уравнението на реакцията: Fe 2 O 3 + 2Al = 2 Fe + Al 2 O 3
Нека да определим количеството желязо вещество, което трябва да се получи:
ν (Fe) = m (Fe)/ M(Fe) = 140 g/ 56 g/mol = 2,5 mol.
От уравнението на реакцията става ясно, че за получаване на желязо в количество от 2 мола вещество са необходими 2 мола алуминий, т.е.
ν (Al)/ ν (Fe) = 2/2, следователно ν (Al) = ν (Fe) = 2,5 mol.
Сега можете да определите масата на алуминия:
m (Al) = M(Al)∙ ν(Al) = 27 g/mol ∙ 2,5 mol = 67,5 g.
Отговор:за получаване на 140 g желязо ще ви трябват 67,5 g алуминий.
Решение 2.Такива проблеми могат да бъдат решени чрез съставяне на пропорции. От уравнението на реакцията става ясно, че за производството на желязо в количество от 2 мола вещество са необходими 2 мола алуминий. Нека запишем:
За да се получи (2∙56) g = 112 g Fe, (2∙27) g = 54 g Al е необходим
» » » » 140 g Fe » » » » m (Al)
Нека направим пропорция: 112: 54 = 140: m(Al), от тук следва
m(Al) = 140 ∙ 54 /112 = 67,5 g
Задача 2.Какъв обем водород ще се отдели (нормални условия), ако 10,8 g алуминий се разтворят в излишък от солна киселина?
Решение.Нека напишем уравнението на реакцията: 6HCl + 2Al = 2AlCl 3 + 3H 2
Нека определим количеството алуминий, което е реагирало
ν (Al) = m (Al)/ M (Al) = 10,8 g / 27 g/mol = 0,4 mol.
От уравнението на реакцията следва, че при разтваряне на 2 мола алуминий се получават 3 мола водород Н2, т.е. ν (Al)/ ν (H 2) = 2/3, следователно,
ν (H 2) = 3 ν (Al)/2 = 3 ∙0,4 mol/2 = 0,6 mol.
Нека изчислим обема на водорода:
V(H 2) = V M ∙ ν (H 2) = 22,4 l/mol ∙ 0,6 mol = 13,44 l.
Отговор:когато 10,8 g Al се разтворят в солна киселина, ще се получат 13,44 литра водород.
Задача 3.Какъв обем серен (IV) оксид трябва да се окисли с кислород, за да се получат 20 g серен (VI) оксид? Условията са нормални, добивът на продукта е 80%.
Решение.Нека напишем уравнението на реакцията: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3
Нека определим масата на серен оксид (VI), който се получава при количествения добив на продукта (т.е. теоретично), като използваме формулата
η = m (X) / m теор. (Х),
където η е равно на 0,8 (или 80%) според условията на задачата.
Следва: m теория (SO 3) = m (SO 3) / η (SO 3) = 20/0,8 = 25 g.
Колко вещество серен (VI) оксид е 25 g се определя по формулата
ν (SO 3) = m (SO 3)/ M (SO 3) = 25 g/(32 +3∙16) g/mol = 25/80 = 0,3125 mol.
От уравнението на реакцията следва, че
Следователно ν (SO 2)/ ν (SO 3) = 2/2
ν (SO 2 ) = ν (SO 3 ) = 0,3125 mol.
Остава да се определи обемът на серен оксид (IV) при нормални условия: V o (SO 2) = V M ∙ ν (SO 2) = 22,4 l/mol ∙ 0,3125 mol = 7 l.
Отговор:за да получите 20 g серен оксид (VI), ще ви трябват 7 литра серен оксид (IV).
Проблем 4. Към разтвор, съдържащ 25,5 g сребърен нитрат, се добавя разтвор, съдържащ 7,8 g натриев сулфид. Каква е масата на образуваната утайка?
Решение.Нека напишем уравнението на протичащата реакция:
2AgNO 3 + Na 2 S = Ag 2 S↓ + 2NaNO 3.
Тъй като количеството на веществото и масата на продукта се изчисляват въз основа на масата и количеството на веществото, прието в дефицит, следователно, първо е необходимо да се определят количествата на веществата сребърен нитрат и натриев сулфид:
ν (AgNO 3) = m (AgNO 3) / M (AgNO 3) = 25,5 g / 170 g/mol = 0,15 mol;
ν (Na 2 S) = m (Na 2 S)/ M (Na 2 S) = 7,8 g / 78 g/mol = 0,1 mol.
Според уравнението на реакцията: за всеки 2 мола AgNO 3 е необходим 1 мол Na 2 S (т.е. наполовина по-малко), което означава:
на 0,15 mol AgNO 3 » » » » ν ’ mol Na 2 S.
Тогава ν ’ (Na 2 S) = ½ ∙ 0,15 mol = 0,075 mol,
следователно натриевият сулфид се взема в излишък и изчислението трябва да се извърши въз основа на количеството вещество AgNO 3.
От уравнението на реакцията следва:
ν(Ag 2 S) = ν (Na 2 S) = ν (AgNO 3)/2 = 0,15 mol/2 = 0,075 mol.
Сега можем да определим масата на утаения сребърен сулфид: m(Ag 2 S) = M(Ag 2 S) ∙ ν(Ag 2 S) = 248 g/mol ∙ 0,075 mol = 18,6 g.
Отговор:Масата на образуваната утайка е 18,6 g.
Закон на кратните
Какво се случва, ако два елемента могат да образуват множество химични съединения един с друг? През 1803 г. великият английски химик Дж. Далтън показа:
● Ако два елемента образуват няколко съединения помежду си, тогава масите на един от елементите, които попадат върху същата маса на другия, са свързани помежду си като малки цели числа.
Този закон потвърди атомистичните идеи за структурата на материята: тъй като елементите са комбинирани в множество съотношения, следователно химичните съединения се различават по цял брой атоми. Те представляват най-малкото количество елемент, влизащ в съединение. Например, на 1 g азот в неговите оксиди N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 5 има 0,57; 1,14; 1,71; 2,28; и 2,85 g кислород, което отговаря на съотношение 1:2:3:4:5.
Въпреки това, в случай на съединения с променлив състав, законът за множествените съотношения не е приложим.
Закон за постоянството на състава
Този закон е открит от френския учен Ж. Пруст през 1801 г.:
● Всяко химически чисто индивидуално вещество винаги има еднакъв количествен състав, независимо от начина на получаването му.
Например, серен диоксид може да се получи чрез изгаряне на сяра или чрез действието на киселини върху сулфитите, или чрез действието на концентрирана сярна киселина върху медта. Във всеки случай молекулата на серен диоксид ще се състои от един серен атом и два кислородни атома - SO 2, т.е. масовото съотношение на сярата и кислорода винаги е 1:1.
Законът на Пруст беше от фундаментално значение за химията - той доведе до идеята за съществуването на молекули и потвърди неделимостта на атомите. Веществата с постоянен състав бяха наречени „далтониди“ в чест на Далтон.
Законът за постоянството на състава също е валиден само за вещества с молекулярна структура. Понастоящем са известни голям брой съединения, които не се подчиняват на закона за постоянство на състава и закона на множеството съотношения; те се наричат съединения с променлив състав (най-често това са оксиди, сулфиди, нитриди, хидриди и др.) . В такива съединения на единица маса на един елемент може да има различна маса на друг елемент. Например, съставът на титанов (II) и (IV) оксид, в зависимост от условията на синтез, може да бъде както следва: TiO 0,8–1,2 и TiO 1,9–2,0.
Съединения с променлив състав се получават поради дефекти в кристалната решетка по време на кристализацията на веществото. Поради наличието на празнини или излишни атоми в кристалната решетка, някои материали проявяват много нови и интересни свойства, като например свойства на полупроводници.
Закон за еквивалентите
Изучавайки съотношението на масите на киселини и основи, взаимодействащи помежду си, за да образуват соли, И. Рихтер през 1792 - 1800 г. стигна до заключението, че масите на едно вещество, реагиращо със същата маса на друго вещество, са свързани помежду си като прости цели числа. По-късно Д. Далтън въвежда понятието „свързващо тегло“, което сега е заменено от понятието еквивалент.
● Веществата реагират едно с друго в количества, пропорционални на техните еквиваленти.
За решаване на някои проблеми се използва друга формулировка на този закон:
● Масите (обемите) на веществата, реагиращи едно с друго, са пропорционални на техните еквивалентни маси (обеми):
m A /m B = E A /E B,
където m A и m B са масите на реагентите A и B,
E A и E B са еквивалентните маси на тези вещества.
ЗАКОНИ ЗА ГАЗА
системи. За разлика от класическия модел, масата се запазва само на изолирана физическа система, тоест при липса на обмен на енергия с външната среда. Сумата от масите на компонентите на системата не се запазва (масата е неадитивна). Например, по време на радиоактивен разпад в изолирана система, състояща се от материя и радиация, общата маса на материята намалява, но масата на системата остава същата, въпреки факта, че масата на радиацията може да бъде нула.
Исторически очерк
Законът за запазване на масата исторически се разбира като една от формулировките закон за запазване на материята. Един от първите, които го формулират, е древногръцкият философ Емпедокъл (5 век пр.н.е.):
Нищо не може да произлезе от нищото и няма начин това, което съществува, да бъде унищожено.
По-рано „принципът на запазване“ на Емпедокъл е бил използван от представители на милетската школа за формулиране на теоретични идеи за първичната субстанция, основата на всички неща. По-късно подобна теза е изразена от Демокрит, Аристотел и Епикур (преразказана от Лукреций Кара).
Средновековните учени също не са изразили никакви съмнения относно истинността на този закон. Франсис Бейкън заявява през 1620 г.: „Сумата на материята остава винаги постоянна и не може да бъде увеличена или намалена... нито една малка част от нея не може да бъде нито преодоляна от цялата маса на света, нито унищожена от комбинираната сила на всички агенти или унищожени по какъвто и да е начин.
Теглото е толкова тясно свързано със субстанцията на елементите, че, преминавайки от един в друг, те винаги запазват същото тегло.
Оригинален текст (френски)
La pesanteur est si étroitement jointe à la première matière des éléments que, se changeant de l"un en l"autre, ils gardent toujours le même poids.
Всички промени, настъпващи в природата, се случват по такъв начин, че ако нещо се добави към нещо, то се отнема от нещо друго. По този начин, колкото материя се добавя към едно тяло, същото количество се губи от друго, колко часа прекарвам в сън, същото количество отнемам от будност и т.н.
В СССР въз основа на тази фраза М. В. Ломоносов е обявен за автор на закона за запазване на масата, въпреки че той никога не е претендирал за такъв приоритет и не споменава този закон в своя „Преглед на най-важните открития“. Съвременните историци смятат подобни твърдения за неоснователни. Погрешно е мнението, че законът за запазване на масата е доказан експериментално от Ломоносов;
Универсалният закон е формулиран от Ломоносов въз основа на общофилософски материалистични съображения; той никога не е бил поставян под съмнение или изпитван от него, а напротив, служил му е като твърда отправна позиция във всичките му изследвания през целия му живот.
Впоследствие, до създаването на физиката на микросвета, законът за запазване на масата се смяташе за верен и очевиден. Имануел Кант обявява този закон за постулат на естествознанието (1786 г.). Лавоазие в своя „Елементарен учебник по химия” (1789) дава точна количествена формулировка на закона за запазване на масата на материята, но не го обявява за някакъв нов и важен закон, а просто го споменава мимоходом като отдавна известен и достоверно установен факт. За химичните реакции Лавоазие формулира закона в следните изрази:
Нищо не се случва нито в изкуствените процеси, нито в естествените и може да се изложи позицията, че във всяка операция [химическа реакция] има едно и също количество материя преди и след, че качеството и количеството на принципите остават същите, само че настъпиха размествания и прегрупирания. Цялото изкуство да се правят експерименти в химията се основава на това твърдение.
С други думи, масата на затворена физическа система, в която протича химическа реакция, се запазва и сумата от масите на всички вещества, които са влезли в тази реакция, е равна на сумата от масите на всички продукти на реакцията (т.е. тя също е запазена). Следователно масата се счита за добавка.
Сегашно състояние
През 20 век са открити две нови свойства на масата.
(M1) Масата на физически обект зависи от неговата вътрешна енергия (вижте Еквивалентност на маса и енергия). Когато се поглъща външна енергия, масата се увеличава, а когато се губи, тя намалява. От това следва, че масата се запазва само в изолирана система, тоест при липса на обмен на енергия с външната среда. Промяната в масата по време на ядрени реакции е особено забележима. Но дори по време на химични реакции, които са придружени от отделяне (или абсорбция) на топлина, масата не се запазва, въпреки че в този случай дефектът на масата е незначителен. Академик Л. Б. Окун пише:
За да подчертаете, че масата на едно тяло се променя винаги, когато се променя вътрешната му енергия, разгледайте два често срещани примера:
1) когато желязото се нагрява с 200 °, масата му се увеличава с Δ m / m ≈ 10 − 12 (\displaystyle \Delta m/m\приблизително 10^(-12)); 2) когато определено количество лед се превърне напълно във вода Δ m / m ≈ 3,7 ⋅ 10 − 12 (\displaystyle \Delta m/m\приблизително 3,7\cdot 10^(-12)).
(М2) Масата не е адитивна величина: масата на една система не е равна на сумата от масите на нейните компоненти. Примери за неадитивност:
- Електронът и позитронът, всеки от които има маса, могат да анихилират във фотони, които нямат маса поотделно, а я имат само като система.
- Масата на деутрона, състоящ се от един протон и един неутрон, не е равна на сумата от масите на неговите компоненти, тъй като трябва да се вземе предвид енергията на взаимодействие на частиците.
- При термоядрени реакции, протичащи вътре в Слънцето, масата на водорода не е равна на масата на получения от него хелий.
- Особено ярък пример: масата на протона (≈938 MeV) е няколко десетки пъти по-голяма от масата на съставните му кварки (около 11 MeV).
По този начин, по време на физически процеси, които са придружени от разпадане или синтез на физически структури, сумата от масите на съставните части (компонентите) на системата не се запазва, но се запазва общата маса на тази (изолирана) система:
- Масата на системата от фотони в резултат на анихилация е равна на масата на системата, състояща се от анихилиращия електрон и позитрон.
- Масата на система, състояща се от дейтрон (като се вземе предвид енергията на свързване) е равна на масата на система, състояща се от един протон и един неутрон поотделно.
- Масата на система, състояща се от хелий в резултат на термоядрени реакции, като се вземе предвид освободената енергия, е равна на масата на водорода.
Това означава, че в съвременната физика законът за запазване на масата е тясно свързан със закона за запазване на енергията и се изпълнява със същото ограничение - трябва да се вземе предвид обменът на енергия между системата и външната среда.
Предрелативистката физика познаваше два основни закона за запазване, а именно: закона за запазване на енергията и закона за запазване на масата; и двата основни закона се смятаха за напълно независими един от друг. Теорията на относителността ги обедини в едно.
В повече детайли
За да обясним по-подробно защо масата в съвременната физика се оказва неадитивна (масата на системата не е равна - най-общо казано - на сумата от масите на компонентите), първо трябва да се отбележи, че под термина теглов съвременната физика Лоренц-инвариантното количество се разбира:
m = E 2 / c 4 − p 2 / c 2 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)/c^(4)-p^(2)/c^(2))),)Където E (\displaystyle E)- енергия, p → (\displaystyle (\vec (p)))- импулс, c (\displaystyle c)- скоростта на светлината. И веднага отбелязваме, че този израз е еднакво лесно приложим към точкова безструктурна („елементарна“) частица и към всяка физическа система, като във втория случай енергията и импулсът на системата се изчисляват просто чрез сумиране на енергиите и импулсите на компонентите на системата (енергията и импулсът са адитивни) .
- Можете също така да отбележите мимоходом, че векторът на импулс-енергия на системата е 4-вектор, тоест неговите компоненти се трансформират при преход към друга референтна система в съответствие с трансформациите на Лоренц, тъй като нейните членове се трансформират по този начин - 4 -вектори на енергията-импулс на частиците, изграждащи системата. И тъй като дефинираната по-горе маса е дължината на този вектор в метриката на Лоренц, тя се оказва инвариантна (Лоренц-инвариантна), тоест не зависи от референтната система, в която се измерва или изчислява.
Освен това отбелязваме, че c (\displaystyle c)- универсална константа, тоест просто число, което никога не се променя, следователно по принцип можете да изберете такава система от мерни единици, така че c = 1 (\displaystyle c=1), и тогава споменатата формула ще бъде по-малко претрупана:
m = E 2 − p 2 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)-p^(2))),)както и други формули, свързани с него (и по-долу за краткост ще използваме точно такава система от единици).
След като вече разгледахме най-на пръв поглед парадоксалния случай на нарушаване на масовата адитивност - случаят, когато система от няколко (за простота ще се ограничим до две) безмасови частици (например фотони) може да има ненулева маса, това е лесно да се види механизмът, който поражда неадитивност на масата.
Нека има два фотона 1 и 2 с противоположни моменти: p → 1 = − p → 2 (\displaystyle (\vec (p))_(1)=-(\vec (p))_(2)). Масата на всеки фотон е нула, следователно можем да запишем:
0 = E 1 2 − p 1 2 , (\displaystyle 0=(\sqrt (E_(1)^(2)-p_(1)^(2))),) 0 = E 2 2 − p 2 2 , (\displaystyle 0=(\sqrt (E_(2)^(2)-p_(2)^(2))),)тоест енергията на всеки фотон е равна на модула на неговия импулс. Нека отбележим между другото, че масата е равна на нула поради изваждането на ненулеви количества едно от друго под знака на корена.
Нека сега разгледаме системата от тези два фотона като цяло, като изчислим нейния импулс и енергия. Както виждаме, импулсът на тази система е нула (фотоновите импулси, след като се сумират, са унищожени, тъй като тези фотони летят в противоположни посоки):
p → = p → 1 + p → 2 = 0 → . (\displaystyle (\vec (p))=(\vec (p))_(1)+(\vec (p))_(2)=(\vec (0)).).Енергията на нашата физическа система ще бъде просто сумата от енергиите на първия и втория фотон:
E = E 1 + E 2. (\displaystyle E=E_(1)+E_(2).)Е, оттук и масата на системата:
m = E 2 − p 2 = E 2 − 0 = E ≠ 0 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)-p^(2)))=(\sqrt (E^(2)- 0))=E\neq 0,)(импулсите бяха унищожени, но енергиите бяха добавени - те не могат да бъдат с различни знаци).
В общия случай всичко се случва подобно на този, най-ясният и прост пример. Най-общо казано, частиците, образуващи система, не е задължително да имат нулеви маси, достатъчно е масите да са малки или поне сравними с енергиите или импулсите и ефектът ще бъде голям или забележим. Също така е ясно, че почти никога няма точна адитивност на масата, с изключение на много специални случаи.
Маса и инерция
Липсата на адитивност на масата изглежда създава трудности. Те обаче са изкупени не само от факта, че масата, определена по този начин (а не по друг начин, например като енергия, разделена на квадрата на скоростта на светлината) се оказва Лоренц-инвариантна, удобна и формално красива величина , но има и физически смисъл, който точно съответства на обичайното класическо разбиране за масата като мярка за инерция.
А именно, за референтната система на покой на физическа система (т.е. референтната система, в която импулсът на физическата система е нула) или референтните системи, в които системата на покой се движи бавно (в сравнение със скоростта на светлината), горепосоченото определение за маса
m = E 2 / c 4 − p 2 / c 2 (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)/c^(4)-p^(2)/c^(2))))Напълно съответства на класическата Нютонова маса (включена във втория закон на Нютон).
Това може да бъде конкретно илюстрирано чрез разглеждане на система, която отвън (за външни взаимодействия) е обикновено твърдо тяло, но отвътре съдържа бързо движещи се частици. Например, като разгледаме огледална кутия с перфектно отразяващи стени, вътре в която има фотони (електромагнитни вълни).
За простота и по-голяма яснота на ефекта, нека самата кутия е (почти) безтегловна. Тогава, ако, както в примера, обсъден в параграфа по-горе, общият импулс на фотоните вътре в кутията е нула, тогава кутията като цяло ще бъде неподвижна. Освен това, под въздействието на външни сили (например, ако го бутнем), той трябва да се държи като тяло с маса, равна на общата енергия на фотоните вътре, разделена на c 2 (\displaystyle c^(2)).
Нека да разгледаме това качествено. Нека бутнем кутията и поради това тя е придобила известна скорост надясно. За простота сега ще говорим само за електромагнитни вълни, движещи се строго надясно и наляво. Електромагнитна вълна, отразена от лявата стена, ще увеличи своята честота (поради ефекта на Доплер) и енергия. Вълна, отразена от дясната стена, напротив, ще намали своята честота и енергия по време на отражение, но общата енергия ще се увеличи, тъй като няма да има пълна компенсация. В резултат на това тялото ще придобие кинетична енергия, равна на m v 2 / 2 (\displaystyle mv^(2)/2)(Ако v<<
c
{\displaystyle v<
Масата на веществата, влизащи в химическа реакция, е равна на масата на веществата, образувани в резултат на реакцията.
Законът за запазване на масата е частен случай на общия закон на природата - законът за запазване на материята и енергията. Въз основа на този закон химичните реакции могат да бъдат представени с помощта на химични уравнения, като се използват химични формули на вещества и стехиометрични коефициенти, които отразяват относителните количества (брой молове) на веществата, участващи в реакцията.
Например реакцията на изгаряне на метан се записва по следния начин:
Закон за запазване на масата на веществата
(М. В. Ломоносов, 1748; А. Лавоазие, 1789)
Масата на всички вещества, участващи в химична реакция, е равна на масата на всички продукти на реакцията.
Атомно-молекулярната теория обяснява този закон по следния начин: в резултат на химични реакции атомите не изчезват и не се появяват, а се извършва тяхното пренареждане (т.е. химическата трансформация е процес на разкъсване на едни връзки между атомите и образуване на други, като в резултат на което от първоначалните молекули се получават вещества, молекули на реакционни продукти). Тъй като броят на атомите преди и след реакцията остава непроменен, тяхната обща маса също не трябва да се променя. Масата се разбира като количество, характеризиращо количеството материя.
В началото на 20 век формулировката на закона за запазване на масата е преразгледана във връзка с появата на теорията на относителността (А. Айнщайн, 1905 г.), според която масата на тялото зависи от неговата скорост и следователно характеризира не само количеството материя, но и нейното движение. Енергията E, получена от едно тяло, е свързана с увеличаването на масата му m чрез връзката E = m c 2, където c е скоростта на светлината. Това съотношение не се използва при химични реакции, т.к 1 kJ енергия съответства на промяна в масата с ~10 -11 g и m практически не може да бъде измерен. При ядрени реакции, където E е ~10 6 пъти по-голямо, отколкото при химични реакции, m трябва да се вземе предвид.
Въз основа на закона за запазване на масата е възможно да се съставят уравнения на химичните реакции и да се правят изчисления с тях. Той е в основата на количествения химичен анализ.
Закон за постоянството на състава
Материали от Wikipedia - свободната енциклопедия
Закон за постоянството на състава ( J.L. Пруст, 1801 -1808 г.) - всяко специфично химически чисто съединение, независимо от метода на получаването му, се състои от същото химически елементи, и съотношенията на техните маси са постоянни, и относителни числатехен атомисе изразяват като цели числа. Това е един от основните закони химия.
Законът за постоянство на състава не е изпълнен за Бертолид(съединения с променлив състав). Въпреки това, за по-голяма простота, съставът на много Бертолиди е написан като постоянен. Например композиция железен (II) оксидзаписано като FeO (вместо по-точната формула Fe 1-x O).
|
ЗАКОН ЗА ПОСТОЯННИЯ СЪСТАВ |
|
Според закона за постоянството на състава всяко чисто вещество има постоянен състав, независимо от метода на получаването му. И така, калциевият оксид може да се получи по следните начини:
Независимо от това как се получава веществото CaO, то има постоянен състав: един калциев атом и един кислороден атом образуват молекулата на калциевия оксид CaO. Определете моларната маса на CaO:
Определяме масовата част на Ca по формулата:
Заключение: В химически чист оксид масовата част на калция винаги е 71,4%, а на кислорода 28,6%. |
Закон на кратните
Законът за множеството съотношения е един от стехиометричензакони химия: ако две вещества (простоили комплекс) образуват повече от едно съединение едно с друго, тогава масите на едно вещество към едно и същата маса на друго вещество са свързани като цели числа, обикновено малки.
Закон за запазване на масата и енергията
При ядрените реакции промените в енергията са толкова значителни, че еквивалентността на масата и енергията вече не може да бъде пренебрегвана. Ако наблюдавате само промяната в масата, изглежда, че законът за запазване е нарушен.
За да видите това, разгледайте връзката между масата и енергията в единици от скалата на атомната маса. След това в уравнението e = mc 2ще включва повече от 1 Жмаса и маса 1 по скалата на атомното тегло, приблизително равна на теглото на ядрото на водороден атом-1, най-лекото известно атомно ядро. В действителност масата на 1 в атомната скала е 1,67 · 10 -24 Ж.
Въпреки огромната величина на c 2, енергията, еквивалентна на такава незначителна маса, е само 0,0015 ерг.
На нормални ежедневни везни 0,0015 ергНаистина стойността е малка, но в атомен мащаб е равна на приблизително един милиард електронволта - това вече е внушителна цифра. Според последните измервания масата на 1 в атомната скала е еквивалентна на 0,931478 Gavили 931.478 Мев.
Ако поставим масата на водородното ядро, равна на 1,00797, това ще бъде еквивалентно на енергия от 0,938 905 Бев,и масата на четири такива водородни ядра е еквивалентна на енергия от 3,75562 Gav.От друга страна, масата на хелиевото ядро, равна на 4,00280 по атомната скала, е еквивалентна на енергия от 3,72803 Gav.Следователно, когато четири водородни ядра се превърнат в едно хелиево ядро, загубата на маса е 0,02759 Gavили 27.59 Мев.Измереното количество енергия, освободена при тази реакция, се оказва много близко до теоретичното. Изследванията показват, че при всички ядрени реакции от този тип освободената енергия съответства на загубената маса според уравнението на Айнщайн. В резултат на това стана обичайно да се говори не за закона за запазване само на масата или само на енергията, а за законът за запазване на масата и енергията.Въпреки това можем просто да говорим за закона за запазване на енергията, което означава, че масата е форма на енергия. Точно това ще правя занапред.
Нека сега се върнем към източника на слънчева енергия. Ако наистина възниква от превръщането на водородните ядра в хелий, колосалната енергия, която се генерира и излъчва в околното пространство, трябва да бъде балансирана от еквивалентното изчезване на маса.
Общата енергия на излъчване на Слънцето, както вече казах, е 5,6 · 10 27 кал/мин,което е еквивалентно на 3,8 · 10 33 ерг/сек.Разделяйки на c 2, намираме, че излъчването на това
енергия, еквивалентна на загуба от 4,2 · 10 12 Жв 1 сек, или 276 000 000 Tв 1 мин.
Според метеоритната теория за слънчевата радиация всяка минута 1,2 · 10 20 Жметеоритна материя. Това постоянно добавяне към слънчевата маса намалява продължителността на всяка година с две секунди. Загубата на маса по време на превръщането на водорода в хелий е приблизително една тридесет милионна от увеличението на масата, изисквано от теорията за метеоритите. В резултат на загубата на слънчева маса поради ядрени реакции, годината ще се увеличи само с една секунда за петнадесет милиона години. Промяната в продължителността на годината е трудно забележима и няма практическо значение за нас.
От книгата Неутрино - призрачната частица на атома от Айзък АзимовГлава 4. Връзката между масата и енергията Незапазване на масата Новото разбиране за структурата на атома засили увереността на физиците, че законите за запазване се прилагат не само към ежедневния свят около нас, но и към необятния свят, който изучават астрономите. Но
От книгата Ядрена енергия за военни цели автор Смит Хенри ДеволфЗАПАЗВАНЕ НА МАСАТА И ЕНЕРГИЯТА 1.2. Има два принципа, които са се превърнали в крайъгълни камъни в сградата на съвременната наука. Първият принцип, материята нито се създава, нито се унищожава и само преминава от една форма в друга, е изразен през 18 век и е познат на всеки студент по химия; Той
От книгата Курс по история на физиката автор Степанович Кудрявцев ПавелЕКВИВАЛЕНТНОСТ НА МАСА И ЕНЕРГИЯ 1.4. Едно от заключенията, получени на доста ранен етап от развитието на теорията на относителността, е, че инерционната маса на движещо се тяло нараства с неговата скорост. Това означава еквивалентност на енергийната промяна
От книгата Движение. Топлина автор Китайгородски Александър ИсааковичПриложение 2. Единици за маса, заряд и енергия МАСА Тъй като протонът и неутронът са основните частици, които изграждат ядрата, би изглеждало естествено масата на едно от тях да се приеме за единица маса. Изборът вероятно ще бъде протонът, ядрото на водородния атом. Съществуват
От книгата НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТИИ. от Тесла НиколаОткриване на закона за запазване и преобразуване на енергията. В. И. Ленин посочи, че развитието на знанието става спираловидно. Идва времето, когато науката се връща към вече изразени идеи. Но това завръщане става на ново, по-високо ниво, което
От книгата Вечният двигател – преди и сега. От утопия към наука, от наука към утопия автор Бродянски Виктор МихайловичЗакон за запазване на масата Ако разтворите захарта във вода, тогава масата на разтвора ще бъде строго равна на сумата от масите на захарта и водата.Този и безброй подобни експерименти показват, че масата на тялото е непроменливо свойство. При всяко раздробяване и разтваряне масата остава
От книгата Атомният проблем от Ран ФилипЗакон за запазване на импулса Произведението от масата на тялото и неговата скорост се нарича импулс на тялото (друго име е импулс). Тъй като скоростта е вектор, импулсът също е векторна величина. Разбира се, посоката на импулса съвпада с посоката
От книга 1. Съвременна наука за природата, закони на механиката автор Файнман Ричард ФилипсЗакон за запазване на механичната енергия Видяхме от току-що обсъдените примери колко полезно е да знаем величина, която не променя числената си стойност (запазва се) по време на движение.Досега знаем такава величина само за едно тяло. И ако се движи в полето на гравитацията
От книгата на автораЗакон за запазване на въртящия импулс Ако завържете два камъка с въже и хвърлите със сила единия от тях, вторият камък ще полети след първия върху опънато въже. Единият камък ще изпревари втория, движението напред ще бъде придружено от въртене.Нека забравим за полето
От книгата на автораТРЕТИ ПРОБЛЕМ: КАК ДА УВЕЛИЧИМ УСКОРИТЕЛНАТА МОЩНОСТ НА ЧОВЕШКАТА МАСА - ИЗПОЛЗВАНЕТО НА СЛЪНЧЕВАТА ЕНЕРГИЯ От трите възможни решения на основния проблем с увеличаването на човешката енергия, това е най-важното за сортиране. Не само заради собственото си значение, но и заради основата
От книгата на автора 2.1. Намиране на често срещаната причина за грешки в ppm. „Законът за запазване на силата“ Последните два века, описани в гл. 1 период от историята на ppm (XVII и XVIII век) се характеризира с факта, че много, дори доста сериозни учени, вярваха, че може да се създаде вечен двигател. Дори постоянни провали От книгата на автора От книгата на автораIII. Законът за връзката между масата и енергията 1. Формулата на Айнщайн Знаем, че има закон за запазване на масата: „Нищо в природата не изчезва безследно и не се създава от нищото, всичко се трансформира.“ От друга страна, известно е, че има закон за запазване на енергията. Енергия
От книгата на автораГлава 10 ЗАКОН ЗА ЗАПАЗВАНЕ НА ИМУНЦИЛА § 1. Трети закон на Нютон § 2. Закон за запазване на инерцията § 3. Импулсът все още се запазва§ 4. Импулс и енергия§ 5. Релативистки импулс§ 1. Третият закон на Нютон Вторият закон на Нютон, който свързва ускорението на всяко тяло със силата, действаща върху
Законът за запазване на масата е в основата на изчисляването на физическите процеси във всички сфери на човешката дейност. Неговата валидност не се оспорва нито от физици, нито от химици, нито от представители на други науки. Този закон, подобно на строг счетоводител, гарантира, че точната маса на дадено вещество се поддържа преди и след взаимодействието му с други вещества. Честта да открие този закон принадлежи на руския учен М. В. Ломоносов.
Първоначални представи за състава на веществата
Структурата на материята остава загадка за всеки човек в продължение на много векове. Различни хипотези вълнуваха умовете на учените и караха мъдреците да водят дълги и безсмислени спорове. Единият твърди, че всичко се състои от огън, другият защитава съвсем различна гледна точка. Теорията на древногръцкия мъдрец Демокрит, че всички вещества се състоят от малки, невидими за окото, миниатюрни частици материя проблясва сред множеството теории и е незаслужено забравена. Демокрит ги нарича "атоми", което означава "неделими". За съжаление, в продължение на цели 23 века предположението му е забравено.
Алхимия
По принцип научните данни от Средновековието се основават на предразсъдъци и различни предположения. Възникнала и се разпространила широко алхимията, която била съвкупност от скромни практически знания, тясно подправени с най-фантастични теории. Например известни умове от онова време се опитаха да превърнат оловото в злато и да намерят неизвестен философски камък, който лекува всички болести. По време на процеса на търсене постепенно се натрупа научен опит, състоящ се от много необясними реакции на химични елементи. Например беше установено, че много вещества, по-късно наречени прости, не се разпадат. Така се възражда древната теория за неделимите частици материя. Беше необходим голям ум, за да се превърне този склад от информация в последователна и логична теория.
Теория на Ломоносов
Химията дължи своя точен количествен метод на изследване на руския учен М. В. Ломоносов. За своите блестящи способности и упорит труд той получава титлата професор по химия и става член на Руската академия на науките. При него е организирана първата в страната модерна химическа лаборатория, в която е открит известният закон за запазване на масата на веществата.
В процеса на изучаване на протичането на химичните реакции Ломоносов претегля изходните химикали и продуктите, които се появяват след реакцията. В същото време той открива и формулира закона за запазване на масата на материята. През 17-ти век понятието маса често се бърка с термина "тегло". Следователно масите от вещества често се наричат „люспи“. Ломоносов установи, че структурата на веществото е в пряка зависимост от частиците, от които е изградено. Ако съдържа частици от същия тип, тогава ученият нарече такова вещество просто. Когато съставът на корпускулите е разнороден, се получава сложно вещество. Тези теоретични данни позволиха на Ломоносов да формулира закона за запазване на масата.
Дефиниция на правото
След многобройни експерименти М. В. Ломоносов установява закон, чиято същност е следната: теглото на веществата, влезли в реакцията, е равно на теглото на веществата, получени в резултат на реакцията.
В руската наука този постулат се нарича „Закон на Ломоносов за запазване на масата на веществата“.
Този закон е формулиран през 1748 г., а най-точните експерименти с реакцията на изпичане на метали в запечатани съдове са проведени през 1756 г.
Опитите на Лавоазие
Европейската наука откри закона за запазване на масата след публикуването на описание на работата на великия френски химик Антоан Лавоазие.
Този учен смело прилага теоретичните концепции и физическите методи от онова време в своите експерименти, което му позволява да разработи химическа номенклатура и да създаде регистър на всички химически вещества, известни по това време.
С експериментите си Лавоазие доказва, че в процеса на всяка химическа реакция се спазва законът за запазване на масата на веществата, влизащи в съединението. В допълнение, той разшири разширението на закона за запазване до масата на всеки от елементите, участвали в реакцията като част от сложни вещества.
Така на въпроса кой е открил закона за запазване на масата на веществата може да се отговори по два начина. М. В. Ломоносов е първият, който провежда експерименти, които ясно демонстрират закона за запазване и го поставят на теоретична основа. А. Лавоазие през 1789 г., независимо от руския учен, независимо откри закона за запазване на масата и разшири неговия принцип до всички елементи, участващи в химическа реакция.
Маса и енергия
През 1905 г. великият А. Айнщайн показа връзката между масата на веществото и неговата енергия. Изразява се с формулата:
Уравнението на Айнщайн потвърждава закона за запазване на масата и енергията. Тази теория гласи, че всяка енергия има маса и промяната в тази енергия води до промяна в масата на тялото. Потенциалната енергия на всяко тяло е много висока и може да се освободи само при специални условия.
Законът за запазване на масата е валиден за всички тела на микро- и макрокосмоса. Всяка химическа реакция участва в трансформацията на вътрешната енергия на веществото. Следователно, когато се изчислява масата на веществата, участващи в химични реакции, би било необходимо да се вземе предвид увеличаването или намаляването на масата, причинено от освобождаването или поглъщането на енергия в дадена реакция. Всъщност в макрокосмоса този ефект е толкова незначителен, че подобни промени могат да бъдат игнорирани.
Зареждане...