O czym mówi prawo zachowania masy i prawo stałości składu?

Nic w przyrodzie nie ginie – to powiedzenie dotyczy podstawowej zasady rządzącej przemianami w naszym świecie. Jego zasadność poparto wynikami wielu obserwacji i eksperymentów na długo przed tym, zanim ludzie dowiedzieli się o istnieniu atomów i o sposobach ich łączenia. W tym module poznasz treść fundamentalnych praw, których sformułowanie przyczyniło się do rozwoju nauk przyrodniczych.

Czy masa substratów zmienia się podczas reakcji chemicznej?

Obserwując przebieg reakcji chemicznych, możemy opisać efekty, które im towarzyszą: zmianę barwy, efekt dźwiękowy, emisję światła. Czasami możemy także odnieść wrażenie, że substancji biorących udział w reakcji ubywa lub przybywa.

Rm8zq3HV3YgY9

Na ilustracji ukazano stojące na szarobłękitnej powierzchni, kolejno od lewej: umieszczony w białym stojaku cylinder miarowy, w jednej trzeciej wypełniony przezroczystą cieczą, pozostałą jego część zajmuje biała piana; niebieskie, prostokątne, papierowe opakowanie z sodą oczyszczoną, oparte o szklaną butelkę z czerwoną etykietą i zakrętką, zawierającą ocet. — Obserwując efekty reakcji zachodzącej po zmieszaniu sody oczyszczonej i octu, moglibyśmy dojść do wniosku, że masa mieszaniny reakcyjnej zwiększa się w czasie przebiegu reakcji. Jest to jednak efekt tworzenia piany przez powstający w wyniku reakcji gaz – tlenek węgla $(IV)$
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1UBTt8IwGoAe

Zdjęcie przedstawia ułożone w stos węglowe brykiety płonące pomarańczowym płomieniem. Tło i brzegi zdjęcia są czarne. — Podczas spalania węgla obserwuje się wizualne zmniejszanie się ilości węgla. Jest to spowodowane powstawaniem gazowego tlenku węgla $(IV)$ i pary wodnej, które opuszczają środowisko reakcji chemicznej
Źródło: snty-tact, dostępny w internecie: Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Już w XVIII w. zajmowano się porównywaniem mas substratów i produktów reakcji chemicznej. Badania te, prowadzone niezależnie przez dwóch chemików, Rosjanina Michaiła Łomonosowa (1756) i Francuza Antoine’a Lavoisiera (czyt. antła lawłaziera) (1785), doprowadziły do sformułowania ogólnego prawa przyrody, które nazwano prawem zachowania masy. Według tego prawa w układzie zamkniętym (w którym produkty reakcji nie opuszczają tego układu), łączna masa substratów jest równa łącznej masie produktów reakcji chemicznej. Oznacza to, że z tej samej masy substratów powstaje taka sama masa produktów. Zatem podczas przemiany chemicznej sumaryczna masa substancji w nich uczestniczących nie ulega zmianie.

Konieczność uzgadniania (bilansowania) równań reakcji jest właśnie konsekwencją przestrzegania prawa zachowania masy. Aby suma mas substratów była identyczna z łączną masą produktów, liczby atomów tego samego rodzaju po obu stronach równania reakcji muszą być jednakowe.

Doświadczenie 1

Przeprowadź doświadczenie chemiczne, które polega na zbadaniu, czy podczas reakcji zachodzącej po zmieszaniu sody oczyszczonej z octem masa mieszaniny reakcyjnej ulega zmianie.

RaMkH0u5QYdtn

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przeprowadzono doświadczenie chemiczne, które polega na zbadaniu, czy podczas reakcji zachodzącej po zmieszaniu sody oczyszczonej z octem masa mieszaniny reakcyjnej ulega zmianie.

Problem badawczy:

Czy masa produktów jest większa, mniejsza, czy taka sama jak masa substratów, z których powstały?

Hipoteza:

Masa produktów jest taka sama jak masa substratów.

Co było potrzebne:

waga analityczna (lub techniczna);
soda oczyszczona;
ocet;
kolba miarowa o pojemności $100 {cm}^{3}$ ;
balonik;
łyżeczka;
cylinder miarowy.

Przebieg doświadczenia:

Do balonika wsypano trzy łyżeczki sody oczyszczonej. Do cylindra miarowego nalano $30 {cm}^{3}$ octu, a następnie przelano do kolby miarowej. Balonik założono na szyjkę kolby tak, aby soda nie dostała się do wnętrza kolby. Postawiono zestaw na wadze analitycznej. Gdy masa kolby na wadze ustaliła się, podniesiono balonik i wsypano sodę do octu. Obserwowano wskazania wagi.

Obserwacje:

Po wsypaniu sody do octu reakcja przebiegała gwałtownie. Balonik napełnił się gazem. Masa układu reakcyjnego nie uległa zmianie.

Wnioski:

Gaz, którym napełnił się balonik to tlenek węgla $(IV)$ . Przeprowadzone doświadczenie potwierdza prawo zachowania masy. W czasie trwania przemiany, sumaryczna masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie ulega zmianie.

Polecenie 1

Zapisz obserwacje i wnioski oraz zweryfikuj postawioną przez siebie hipotezę.

R14QcNtcVhNFp

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Obserwacje:
Po wsypaniu sody do octu reakcja przebiegała gwałtownie. Balonik napełnił się gazem. Masa układu reakcyjnego nie uległa zmianie.

Weryfikacja hipotezy:
Postawiona hipoteza okazała się prawdziwa.
lub
Postawiona hipoteza okazała się fałszywa.

Wnioski:
Przeprowadzone doświadczenie potwierdza prawo zachowania masy. W czasie trwania przemiany, sumaryczna masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie ulega zmianie.
Gaz, którym napełnił się balonik to tlenek węgla $(IV)$ .

Polecenie 1

RdoG0FdtykMBj

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1D9NyKQf0ZrX

Film pt. Kontrola masy substancji podczas reakcji sody oczyszczonej z octem
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak można wykorzystać prawo zachowania masy w obliczeniach chemicznych?

Prawo zachowania masy pomaga określić masę jednej substancji, gdy znamy masy pozostałych substratów i produktów. Znajomość tego prawa pozwala także obliczyć masę produktów, znając sumaryczną masę substratów i na odwrót – masę substratów, znając sumaryczną masę produktów.

Na przykład, jeśli wiemy, że przereagowały ze sobą $2,4 g$ magnezu i $1,6 g$ tlenu, w prosty sposób możemy ustalić, że w wyniku tej reakcji chemicznej powstały $2,4 g + 1,6 g = 4 g$ tlenku magnezu:

Ridw0TPKDwvYt

Ilustracja przedstawia czarną tablicę, na której białą czcionką zapisane jest równanie reakcji chemicznej: 2Mg+O2→2MgO. Pod symbolami, po lewej stronie równania, oraz pod wzorem związku chemicznego po prawej, żółtą czcionką zapisane zostały masy substancji biorących udział w reakcji: dwa i cztery dziesiąte grama magnezu, jeden i sześć dziesiątych grama tlenu oraz cztery gramy tlenku magnezu. Pod ostatnią wartością znajduje się następująca informacja: masa tlenku magnezu, który powstaje w wyniku reakcji chemicznej jest równa sumie mas substratów – magnezu i tlenu, biorących udział w reakcji. — Zastosowanie prawa zachowania mas do ustalenia masy produktu
Źródło: Agnieszka Lipowicz, dostępny w internecie: epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Czy związki chemiczne mają jednakowy skład?

Pod koniec $XVIII w .$ francuski chemik Joseph Louis Proust (czyt. żozef lui prust) sformułował prawo odnoszące się do składu związków chemicznych, które nazwano prawem stałości składu.

Prawo stałości składu

Prawo: Prawo stałości składu

Stosunek mas pierwiastków tworzących związek chemiczny jest stały dla danego związku i nie zależy od miejsca oraz sposobu jego otrzymywania.

Dziś prawo to wydaje się nam oczywiste i mało odkrywcze. Ale musimy pamiętać, że zostało sformułowane w czasach, gdy nie wiedziano nic na temat budowy materii, nieznane były takie pojęcia, jak „atom” czy „cząsteczka” i nikt nie posługiwał się wzorami chemicznymi związków. Obecnie, na podstawie wzoru sumarycznego, np. wody - $H_{2} O$ , i mas atomowych zawartych w układzie okresowym, możemy określić stosunek masowy wodoru do tlenu w cząsteczce wody:

RpcbT4wpVz6ui

Na górze białej ilustracji znajduje się napis: H2O. Literę „H" zapisano kolorem fioletowym, cyfrę „dwa" kolorem czarnym, a literę „O" – jasnopomarańczowym. Poniżej zapisano wyrażenie: dwa razy jeden unit (H) dwukropek jeden razy szesnaście unitów (O). Wyrażenie „jeden unit" zapisano kolorem fioletowym, a „szesnaście unitów" – kolorem jasnopomarańczowym. Pozostałe elementy zapisano kolorem czarnym. Poniżej znajduje się czarny napis: dwa dwukropek szesnaście, a na samym dole: jeden dwukropek osiem. — Prawo stałości składu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jednak $200$ lat temu wyciągnięcie takiego wniosku wymagało wielu żmudnych prac doświadczalnych.

Sformułowanie tego prawa miało fundamentalne znaczenie dla dalszego rozwoju chemii. Stało się ono podwaliną pod kolejne badania prowadzące do stworzenia teorii atomistycznej budowy materii.

R1dUNGQ6XMfq6

Na ilustracji ukazano stos jasnopomarańczowych, jasnoróżowych i różowo‑szarych fragmentów skał. Mają one niewielkie rozmiary i nieregularne, kanciaste kształty. Skały pokryte są warstwą białego pyłu. — Niezależnie od miejsca wydobycia chlorku sodu (głównego składnika soli kamiennej i morskiej), skład tego związku chemicznego jest zawsze taki sam, co opisuje wzór sumaryczny: $NaCl$
Źródło: emememy, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Jak można wykorzystać prawo stałości składu w obliczeniach chemicznych?

Znajomość prawa zachowania masy i prawa stałości składu jest podstawą obliczeń chemicznych. Dzięki nim można ustalić proporcje, w jakich substraty przereagowały ze sobą, tworząc określone produkty. Można również oszacować masy powstałych produktów na podstawie masy użytych substratów.

Stosunek wagowy (masowy) wodoru do tlenu w cząsteczce wody wynosi $1 : 8$ , co oznacza, że w wodzie na jedną część masową wodoru przypada osiem części masowych tlenu.

Niezależnie od tego, jakimi jednostkami masy będziemy się posługiwać, wymienione zależności zawsze będą takie same. Na przykład, jeśli w danej próbce wody masa tworzących ją atomów wodoru wynosi $1 g$ , to masa atomów tlenu będzie wynosiła $8 g$ , a cała próbka wody będzie miała masę: $1 g + 8 g = 9 g$ . Ten sam stosunek masowy będzie istniał zarówno w jednej cząsteczce wody o masie cząsteczkowej $18 u$ , jak i w próbkach wody o masie $18 g$ , $200 kg$ czy $1$ tony.

Stosunek masowy poszczególnych pierwiastków w związku jest zawsze stały – niezależny od masy próbki związku, a także od sposobu otrzymywania tego związku.

Polecenie 2

Oblicz, ile kilogramów tlenu buduje cząsteczki wody, których łączna masa wynosi $9 kg$ .

R4MWmkHmbVVKL

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1Sbx3IAfiO7o

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Stosunek masowy wodoru do tlenu w wodzie wynosi $1 : 8$ .

$m_{H_{2} O} = 9 kg$

$m_{H} : m_{O} = 1 : 8$

$9 kg — 9$

$x — 8$

$x = 8$

Stosunek masowy wodoru do tlenu w cząsteczce wody wynosi $1 : 8$ . Oznacza to, że w $9 kg$ wody na $1 kg$ wodoru przypada $8 kg$ tlenu.

Polecenie 3

Określ rodzaj tlenku siarki – czy jest to tlenek siarki $(IV)$ , czy tlenek siarki $(VI)$ – jeśli w próbce tego tlenku o masie $20 g$ znajduje się $8 g$ siarki.

R1GsL7XGvEaBd

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1IFGzVUPpGpG

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

tlenek siarki $(VI)$ ( ${SO}_{3}$ )

Podsumowanie

Według prawa zachowania masy, w każdej reakcji chemicznej łączna masa substratów jest równa łącznej masie produktów.
Na podstawie prawa zachowania masy można policzyć masę jednego z substratów lub produktów, jeśli masy pozostałych są znane.
Według prawa stałości składu, stosunek masowy pierwiastków w związku chemicznym jest zawsze stały oraz niezależny od sposobu i miejsca jego otrzymania (każdy związek chemiczny ma niezmienny skład jakościowy i ilościowy).
Znajomość stosunku masowego pierwiastków chemicznych w związku pozwala obliczyć masę pierwiastków chemicznych w dowolnej masie związku chemicznego.
Na podstawie stosunku masowego pierwiastków w związku chemicznym można ustalić jego wzór sumaryczny.

bg‑gold

Notatnik

R1cqFYdceLuxy

Czym się różnią reakcje egzo- i endoenergetyczne?

Na zakończenie - sprawdź, czy umiesz

Czy masa substratów zmienia się podczas reakcji chemicznej?

Jak można wykorzystać prawo zachowania masy w obliczeniach chemicznych?

Czy związki chemiczne mają jednakowy skład?

Jak można wykorzystać prawo stałości składu w obliczeniach chemicznych?

Podsumowanie

Notatnik