Коли ми дивимося на деякі хімічні реакції, може здатися, що речовина буквально зникає або, навпаки, береться “з нізвідки”. То ж сьогодні, про закон збереження маси.
Ми бачимо, що велике поліно після згоряння перетворюється лише на жменьку попелу. Свічка поступово “щезає” просто на очах. А шматок заліза, який пролежав під дощем, вкривається іржею й стає важчим.
То що ж насправді відбувається? Чи може речовина справді зникати?
Хто і як винайшов закон збереження маси
У XVIII столітті французький хімік Антуан Лавуазьє провів багато дуже точних експериментів і дійшов висновку: під час хімічних реакцій маса нікуди не зникає.
Він сформулював закон збереження маси:
“Маса речовин до реакції дорівнює масі речовин після реакції.”
Сьогодні цей закон здається очевидним, але колись це було справжнім проривом у науці.
Щоб зрозуміти, чому маса зберігається, потрібно згадати одну дуже важливу річ: атоми під час хімічних реакцій не зникають і не створюються заново. Вони лише перегруповуються, про це було розказано у попередньому нашому відео.
Уявімо коробку LEGO, у якій є набір деталей з яких можна зібрати зовсім різні предмети. Для цього потрібно лише правильним образом зробити з’єднання з кубиків ЛЕГО. Атоми – це і є кубики ЛЕГО, які тим чи іншим чином з’єднуються між собою, утворюючі зовсім різні молекули, з яких і будуються різні речі навколо нас.
Реакція утворення води
Наприклад, розглянемо реакцію утворення води:
Ліворуч ми маємо дві молекули водню H₂ і молекулу кисню O₂.
Справа — 2 молекули води H₂O.
Тобто з молекул газів якимось чином утворилась молекула води. Це сталося завдяки тому, що атоми водню і кисню просто з’єднались по іншому, при цьому, їх загальна кількість не змінилась.
До реакції:
- 4 атоми Гідрогену;
- 2 атоми Оксигену.
Після реакції:
- у двох молекулах води також 4 атоми Гідрогену й 2 атоми Оксигену.
Жоден атом не зник. Вони просто “перемішалися” і створили нові молекули. Саме тому маса зберігається.
Але тоді виникає інше питання.
Чому дерево після згоряння майже зникає?
Тут важливо зрозуміти: ми бачимо не всю речовину.
Деревина складається переважно з вуглецю, водню та кисню. Під час горіння атоми вуглецю реагують із киснем повітря і утворюють вуглекислий газ:
Атоми водню утворюють водяну пару:
Вуглекислий газ і водяна пара — це гази. Вони підіймаються в повітря, і нам здається, ніби речовина зникла.
Насправді вона просто перейшла в іншу форму. Попіл — це лише невелика частина речовин, які не згоріли повністю.
Те саме відбувається зі свічкою. Коли свічка горить, віск не “зникає”. Він плавиться, випаровується й реагує з киснем повітря.
Основу свічкового воску складають вуглеводні — речовини з атомів Карбону та Гідрогену. Під час реакції утворюються вуглекислий газ і вода.
Фактично полум’я свічки — це місце, де атоми постійно перегруповуються.
Ще цікавіше поводиться іржавіння.
Іржавіння заліза
Багато людей думають, що під час іржавіння залізо “руйнується” й поступово втрачає речовину. Але насправді відбувається протилежне — маса збільшується.
Чому?
Бо атоми заліза приєднують атоми кисню з повітря.
Спрощено реакцію можна записати так:
Fe₂O₃ — це оксид заліза, тобто іржа.
Якщо уважно подивитися на формулу, видно, що до атомів заліза “додаються” атоми кисню. Саме тому іржавий цвях важить трохи більше, ніж чистий. Фактично частина маси прийшла з повітря.
І тут ми підходимо до дуже важливої думки:
Гази теж мають масу.
Просто ми не відчуваємо її у повсякденному житті. Повітря здається “нічим”, але це справжня суміш молекул азоту, кисню, вуглекислого газу та інших речовин. Кожна молекула має масу.
Якщо надути повітряну кульку, вона стане буквально важчою, ніж була до цього. Різниця маленька, але її можна виміряти дуже точними приладами. Саме через гази люди колись плуталися із законом збереження маси.
Закон збереження маси (досліди)
Якщо провести реакцію у відкритій посудині, частина газів розчиниться в повітрі — і може здатися, ніби маса змінилася.
Але якщо провести реакцію в герметично закритій системі й точно все зважити, маса до та після реакції буде однаковою.
Наприклад, якщо в закритій колбі змішати оцет і соду, відбудеться реакція:
Утвориться вуглекислий газ CO₂. У відкритій посудині він полетить у повітря, і маса ніби зменшиться. Але в закритій колбі газ залишиться всередині — і загальна маса системи не зміниться.
Тобто закон збереження маси працює завжди. Атоми не щезають. Вони лише утворюють нові комбінації.
Фактично вся хімія — це величезний процес постійного “перескладання” атомів. Старі зв’язки руйнуються, нові утворюються, але самі атоми залишаються.
І саме тому хіміки можуть дуже точно розраховувати реакції, передбачати кількість продуктів і навіть “бачити” невидимі атоми через формули та рівняння.