Текст учебника. Урок 15. Физические и химические реакции. Закон сохранения массы веществ

Физические и химические реакции. Закон сохранения массы веществ

Вспомните:

• Что такое физические явления?

• Какие свойства веществ называют химическими?

Как отличить физическое явление от химического?

Мы постоянно наблюдаем изменения в окружающем мире: тает лёд, ржавеет железная труба, горит костёр. Все эти процессы называются явлениями. Явления, при которых меняется форма или агрегатное состояние веществ, но их состав остаётся прежним, называют физическими. Например, если растолочь стекло или расплавить его, его мельчайшие частицы (молекулы) не изменятся.

Явления, при которых из одних веществ образуются другие, с новыми свойствами, называют химическими. Их также называют химическими реакциями. Когда железо ржавеет, оно соединяется с кислородом воздуха, и образуется новое вещество — ржавчина (гидроксид железа). Именно образование новых веществ — главный признак химической реакции.

1. Признаки и условия протекания химических реакций

Как на практике определить, что произошла химическая реакция? Существуют видимые признаки:

1. Изменение цвета. Бесцветный раствор нитрата свинца становится ярко-жёлтым при добавлении иодида калия из-за образования осадка иодида свинца.

2. Выпадение осадка. Если пропустить углекислый газ через прозрачный раствор известковой воды (гидроксида кальция), он быстро мутнеет из-за образования белого осадка карбоната кальция.

3. Выделение газа. Если капнуть уксусом на пищевую соду, произойдёт бурное выделение углекислого газа.

4. Изменение запаха. При скисании молока (химический процесс) появляется характерный кислый запах.

5. Выделение или поглощение тепла и света. Горение дров в костре — яркий пример реакции, идущей с выделением и тепла, и света.

Однако для начала реакции часто необходимы определенные условия:

• Соприкосновение веществ (тесный контакт реагентов).

• Нагревание (для инициации многих реакций, например, горения).

• Действие света (например, выцветание тканей на солнце).

• Наличие катализаторов — веществ, ускоряющих реакцию, но не входящих в состав продуктов.

2. Классификация химических реакций по тепловому эффекту

Все химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами. По этому признаку их делят на две группы:

• Экзотермические реакции (от греч. «экзо» — наружу) — реакции, протекающие с выделением тепла (и часто света).

  • Примеры: горение любого топлива (угля, газа, бензина), гашение извести водой, многие реакции соединения.

  Опыт: Положите в стакан немного гашёной извести (гидроксид кальция) и добавьте воды. Потрогайте стакан — он нагрелся. Реакция CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + Q экзотермическая (Q — символ теплоты).

• Эндотермические реакции (от греч. «эндо» — внутри) — реакции, протекающие с поглощением тепла.

  • Примеры: приготовление пищи (жарение, варка), фотосинтез в листьях растений, разложение малахита или перманганата калия при нагревании.

  Опыт: Нагрейте в пробирке кристаллы перманганата калия (KMnO₄). Для поддержания реакции разложения необходимо постоянное подведение тепла.

3. Закон сохранения массы веществ

Когда вещества вступают в реакцию, меняется ли их общая масса? Этот вопрос волновал учёных на протяжении веков.

В 1748 году великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов впервые сформулировал и экспериментально доказал фундаментальный закон природы. Позже, в 1789 году, французский химик Антуан Лавуазье, не зная о работах Ломоносова, пришёл к тому же выводу.

Формулировка закона:

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Почему это так?
Химическая реакция — это процесс разрыва одних химических связей и образование других. При этом атомы не создаются и не уничтожаются, а лишь переходят из одних веществ в другие. Поскольку общее число атомов каждого вида и их масса остаются неизменными, то и общая масса веществ сохраняется.

Опыт, подтверждающий закон:
Проведём реакцию между раствором гидроксида натрия (NaOH) и раствором сульфата меди (II) (CuSO₄). Если взвесить колбы с растворами до реакции и после их смешивания (в результате которого выпадает голубой осадок Cu(OH)₂), то масса не изменится.

4. Химические уравнения

Для краткой и наглядной записи химических реакций используют химические уравнения.

Химическое уравнение — это условная запись химической реакции с помощью химических формул и коэффициентов.

Вещества, вступающие в реакцию, называют реагентами (исходные вещества). Вещества, образующиеся в результате реакции, называют продуктами реакции.

Правила составления химического уравнения:

1. Слева от стрелки записывают химические формулы реагентов, соединяя их знаком «+».

2. Справа от стрелки записывают химические формулы продуктов реакции, также соединяя их знаком «+».

3. Между левой и правой частями ставят стрелку → (или знак равенства =, если реакция обратима).

4. Расставляют коэффициенты — числа, стоящие перед формулами веществ. Коэффициенты показывают относительное число молекул (или других структурных единиц) и подбираются так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа от стрелки было одинаковым. Этого требует закон сохранения массы веществ.

Разберём пример составления уравнения реакции горения магния:

1. Записываем реагенты и продукты: Магний (Mg) реагирует с кислородом (O₂), образуя оксид магния (MgO).
   Схема реакции: Mg + O₂ → MgO

2. Проверяем число атомов:

   • Слева: Mg — 1, O — 2.

   • Справа: Mg — 1, O — 1.

   • Число атомов кислорода не совпадает.

3. Подбираем коэффициенты:

   • Справа в оксиде магния (MgO) один атом кислорода, а слева молекула O₂ содержит два атома. Значит, справа нужно удвоить число атомов кислорода, поставив коэффициент 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO

   • Теперь проверяем магний: справа его стало 2 атома, а слева — 1. Ставим коэффициент 2 перед магнием.

   • Итоговое уравнение: 2Mg + O₂ → 2MgO

4. Проверяем баланс:

   • Слева: Mg — 2, O — 2.

   • Справа: Mg — 2, O — 2.

   • Число атомов одинаково, уравнение составлено верно.

Выводы:

1. Химическая реакция — это процесс превращения одних веществ в другие.

2. Реакции можно классифицировать по тепловому эффекту на экзо- и эндотермические.

3. Масса веществ в ходе химической реакции сохраняется (Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносова — А. Лавуазье).

4. Химические уравнения на основе этого закона отражают количественные соотношения реагентов и продуктов.

Вопросы и задания для самоконтроля:

1. Приведите три примера химических и три примера физических явлений.

2. Назовите основные признаки химических реакций. Какой из них является главным?

3. Чем отличаются экзотермические реакции от эндотермических? Приведите по два примера каждой.

4. Сформулируйте закон сохранения массы веществ. Кто и когда его открыл?

5. Составьте уравнения реакций, расставив коэффициенты:

   • а) Al + O₂ → Al₂O₃

   • б) H₂ + Cl₂ → HCl

   • в) Fe + O₂ → Fe₃O₄