úvod
Keď zhorí papier, zostane z neho len hŕstka popola. Hrdzavý klinec naopak váži viac ako nový. Vyzerá to, akoby sa pri chemických reakciách hmota strácala alebo pribúdala z ničoho. Chemici však zistili, že keď zvážime naozaj všetky látky vrátane plynov, hmotnosť sa pri reakcii nemení. V tejto lekcii spoznáš jeden z najdôležitejších zákonov chémie a zistíš, prečo váhy niekedy klamú.
teória
Čo hovorí zákon zachovania hmotnosti
Zákon zachovania hmotnosti: hmotnosť látok, ktoré do chemickej reakcie vstupujú (reaktantov), sa rovná hmotnosti látok, ktoré z nej vystupujú (produktov).
Keď zahrejeme zmes 5,6 g železa a 3,2 g síry, zlúčia sa na sulfid železnatý. Ten bude vážiť presne 5,6 g + 3,2 g = 8,8 g. Nič sa nestratí a nič nepribudne.
Prečo to tak je, vysvetľuje stavba látok. Pri chemickej reakcii sa atómy len preskupia: zaniknú pôvodné väzby a vzniknú nové, ale atómy ostanú. Koľko atómov železa a síry do reakcie vstúpi, toľko ich bude aj v produkte. A keď sa počet atómov nezmení, nezmení sa ani hmotnosť.
teória
Prečo sa zdá, že hmotnosť zmizla alebo pribudla
Zákon platí vždy. Váhy však ukážu len to, čo na nich zostane. Pri mnohých reakciách sa zúčastňujú plyny, ktoré nevidíme:
- Plyn unikne do vzduchu, hmotnosť na váhach klesne. Pri horení papiera alebo sviečky vzniká oxid uhličitý a vodná para a odídu do vzduchu. Sóda bikarbóna s octom šumí, lebo z nej uniká oxid uhličitý.
- Plyn zo vzduchu sa naviaže, hmotnosť na váhach stúpne. Pri hrdzavení železo naviaže kyslík a vodu zo vzduchu. Keď na miske zhorí oceľová vlna, produkt váži viac ako pôvodná vlna, lebo železo naviazalo kyslík. Rovnako biely prášok po horení horčíka váži viac ako horčíková páska.
Hmotnosť teda nezmizla ani nepribudla z ničoho. Len sme na váhach nemali celú sústavu: plyn, ktorý unikol, alebo kyslík, ktorý pribudol.
Predstav si, že pri horení dreva v krbe chytíme všetok dym a plyny do obrovského vreca. Drevo spolu so spotrebovaným kyslíkom by vážilo presne toľko, koľko popol, dym a plyny vo vreci. Popol je ľahký len preto, že väčšina dreva sa zmenila na plyny.
teória
Otvorená a uzavretá nádoba
Zákon zachovania hmotnosti overíme na váhach len v uzavretej nádobe, z ktorej nič neunikne a do ktorej nič nepribudne zvonka:
- Sódu s octom necháme reagovať v banke s balónikom na hrdle. Oxid uhličitý balónik nafúkne, ale ostane na váhach. Údaj sa nezmení.
- Oceľovú vlnu zapálime vo veľkej uzavretej banke so vzduchom. Kyslík, ktorý železo naviaže, bol na váhach už pred reakciou. Údaj sa nezmení.
Pri reakciách, pri ktorých neunikne ani nepribudne žiadny plyn, sa hmotnosť nezmení ani v otvorenej nádobe. Keď zmiešame roztok chloridu vápenatého s roztokom sódy, vznikne biela zrazenina, ale váhy ukazujú stále rovnako.
vyskúšaj si
Váhy s bankou
Tipni, ako sa po reakcii zmení údaj na váhach.
0 / 0Sóda bikarbóna s octom
2,0 g sódy bikarbóny a ocot v banke
otvorená banka
Pred reakciou: 152,40 g
Najprv tipni, či údaj na váhach po reakcii klesne, ostane rovnaký alebo stúpne. Potom reakciu spusti a pozri sa, čo sa stalo. Ten istý pokus si môžeš zopakovať v otvorenej aj uzavretej nádobe a porovnať.
Tipni, ako sa zmení údaj na váhach, a spusti reakciu. Po reakcii uvidíš aj rovnicu so stavovými symbolmi a bilanciu hmotnosti: koľko plynu uniklo alebo koľko kyslíka sa naviazalo.
teória
Ako zákon objavili
Ešte v 18. storočí si mnohí vedci mysleli, že pri horení z látok uniká tajomná horľavá zložka, ktorej hovorili flogistón. Lenže kovy po vyžíhaní na vzduchu neboli ľahšie, ale ťažšie. Túto záhadu vyriešilo presné váženie.
- Ruský vedec Michail Vasilievič Lomonosov okolo roku 1756 zahrieval kovy v zatavených sklenených nádobách. Kým nádobu neotvoril, jej hmotnosť sa nezmenila.
- Francúzsky chemik Antoine Laurent Lavoisier v roku 1774 zopakoval pokus s cínom. Zatavená nádoba vážila po zahrievaní rovnako, hoci sa cín pokryl vrstvou oxidu. Keď ju otvoril, vnikol do nej vzduch a hmotnosť stúpla presne o kyslík, ktorý cín naviazal. Lavoisier odvtedy vážil pri pokusoch všetky látky aj plyny a dokázal, že horenie je zlučovanie s kyslíkom.
Lavoisier sa preto považuje za otca modernej chémie. Na portáli nájdeš jeho avatara medzi avatarmi chemikov a po ňom je pomenovaný aj odznak za 50 vyčíslených rovníc.
Lavoisierovo meranie ukázalo, že kyslík naozaj prechádza zo vzduchu do produktu. Ak zatavená nádoba s cínom vážila pred zahrievaním aj po ňom napríklad 250,00 g a po otvorení 250,40 g, naviazalo sa 0,40 g kyslíka. Rovnaký princíp používajú chemici dodnes: z rozdielu hmotností počítajú, koľko plynu sa uvoľnilo alebo naviazalo.
teória
Zákon a chemická rovnica
Zákon zachovania hmotnosti je dôvod, prečo musí byť chemická rovnica vyčíslená. Na oboch stranách rovnice musí byť rovnaký počet atómov každého prvku, inak by hmotnosť pri reakcii zmizla alebo pribudla. Ako rovnicu zapísať a vyčísliť, ukazuje lekcia Chemická reakcia a chemická rovnica, zložitejšie rovnice lekcia Vyčísľovanie chemických rovníc.
Pri rozklade vápenca (uhličitanu vápenatého) na pálené vápno a oxid uhličitý vznikne zo 100 g vápenca 56 g páleného vápna. Koľko gramov oxidu uhličitého unikne? Stačí odčítať: 100 g − 56 g = 44 g. Takto počítaš aj v časti Počítaj pod lekciou.
Pri horení horčíka 2 Mg + O₂ → 2 MgO sú na ľavej strane dva atómy horčíka a dva atómy kyslíka, na pravej tiež. S molárnymi hmotnosťami:
| 2 Mg | + | O₂ | → | 2 MgO | |
|---|---|---|---|---|---|
| látkové množstvo | 2 mol | 1 mol | 2 mol | ||
| hmotnosť | 2 · 24,31 g = 48,62 g | 32,00 g | 2 · 40,31 g = 80,62 g |
48,62 g + 32,00 g = 80,62 g, hmotnosť reaktantov sa rovná hmotnosti produktov. Na tomto vzťahu stoja všetky výpočty z chemických rovníc, pozri lekciu Výpočty z chemickej rovnice.
rozšírenie Platí zákon aj pri jadrových reakciách?
Albert Einstein v roku 1905 ukázal, že hmotnosť a energia spolu súvisia vzťahom E = m · c², kde c je rýchlosť svetla. Keď sa pri reakcii uvoľní energia, hmotnosť produktov je nepatrne menšia. Pri chemických reakciách je však tento rozdiel nemerateľne malý. Keď zhorí 1 kg uhlia, uvoľní sa asi 30 MJ tepla, a to zodpovedá úbytku hmotnosti len asi 0,3 mikrogramu, teda tri desaťmiliardtiny kilogramu. Žiadne váhy v školskom laboratóriu to nezachytia.
Pri jadrových reakciách je to inak. Pri štiepení uránu v jadrovej elektrárni sa na energiu premení asi tisícina hmotnosti paliva. Preto sa dnes hovorí o zákone zachovania hmotnosti a energie. Pre chémiu však zákon zachovania hmotnosti platí tak presne, že s ním počítame pri každom pokuse aj výpočte.
teória
Časté chyby
- „Pri horení látka zmizne.“ Nezmizne, zmení sa hlavne na plyny, oxid uhličitý a vodnú paru, ktoré odídu do vzduchu.
- „Plyny nič nevážia.“ Aj plyny majú hmotnosť. Liter oxidu uhličitého váži asi 1,8 g a práve jeho únik ukážu váhy pri sóde s octom.
- „Hrdzavý klinec je ťažší, lebo hrdza je hustejšia.“ Je ťažší, lebo železo naviazalo kyslík a vodu zo vzduchu.
- „Zákon zachovania hmotnosti platí len v uzavretej nádobe.“ Zákon platí vždy. Uzavretá nádoba je len podmienka, aby sme ho videli na váhach.
- „V otvorenej nádobe sa hmotnosť zmení vždy.“ Len vtedy, keď plyn unikne alebo sa naviaže zo vzduchu. Pri vzniku zrazeniny z dvoch roztokov ostane hmotnosť rovnaká.
Ako reakciu zapísať rovnicou, opakuje lekcia Chemická reakcia a chemická rovnica. V ďalšej lekcii Typy chemických reakcií roztriedime reakcie na zlučovanie, rozklad, nahradzovanie a podvojnú zámenu.