Kuinka ratkaista joukkojen ongelmien säilyttämislaki

Laki massan säilyttämisestä mullisti kemian tutkimuksen ja on yksi sen tärkeimmistä periaatteista. Vaikka useat tutkijat löysivät sen, sen muotoilu johtuu useimmiten ranskalaisesta tiedemies Antoine Lavoisierista, ja se on joskus nimetty hänen mukaansa. Laki on yksinkertainen: Suljetun järjestelmän atomeja ei voida luoda eikä tuhota. Reaktiossa tai reaktiosarjassa reagenssien kokonaismassan on oltava yhtä suuri kuin tuotteiden kokonaismassa. Massan suhteen reaktioyhtälön nuolesta tulee yhtälömerkki, mikä on suuri apu seurattaessa monimutkaisen reaktion yhdisteiden määriä.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Tasapainottavat kemialliset yhtälöt tunnistavat, että yhtälön molempien puolien on sisällettävä sama määrä atomien kutakin elementtiä, joten se on yksi tapa ratkaista massan säilyttäminen. Voit myös käyttää massan säilyttämistä liuenneiden aineiden massojen löytämiseen liuoksesta.

Aine ei voi päästä suljettuun järjestelmään tai poistua siitä, mutta energia voi kulkea vapaasti. Lämpötila suljetun järjestelmän sisällä voi muuttua, ja suljettua järjestelmää voidaan säteilyttää röntgensäteillä tai mikroaalloilla. Sinun ei tarvitse ottaa huomioon eksotermisen reaktion aikana luovutettua tai endotermisen reaktion aikana absorboitunutta energiaa mitattaessa massaa ennen reaktiota ja sen jälkeen. Jotkut yhdisteet voivat muuttaa tilaa, ja joitain kaasuja voidaan tuottaa kiinteistä aineista ja nesteistä, mutta ainoa tärkeä parametri on kaikkien mukana olevien yhdisteiden kokonaismassa. Sen on pysyttävä samana.

Se, että tukki painaa vähemmän palamisensa jälkeen, oli mysteeri, kunnes tiedemiehet ymmärsivät massan säilymisen periaatteen. Koska massaa ei voi menettää, sen on muututtava toiseen muotoon, ja niin tapahtuu. Palamisen aikana puu yhdistyy hapen kanssa tuottamaan hiiltä ja nokea, ja se vapauttaa kaasuja, kuten hiilidioksidia ja hiilimonoksidia. Voit laskea näiden kaasujen kokonaispainon punnitsemalla tukin ennen palamista ja palon sammumisen jälkeen jäljellä olevat kiinteät hiilituotteet. Näiden painojen eron on oltava yhtä suuri kuin savupiippuun menevien kaasujen kokonaispaino. Tämä on massaongelmien kaiken säilyttämisen ratkaisun perusidea.

Tasapainoinen kemiallinen yhtälö osoittaa, että atomeja, kuten massaa yleensä, ei luoda eikä tuhota reaktion aikana, jota yhtälö kuvaa. Reaktioyhtälön tasapainottaminen on yksi tapa ratkaista massaongelman ongelma. Tätä varten tunnistat, että yhtälön molemmat puolet sisältävät saman määrän atomeja jokaisesta reaktiossa mukana olevasta elementistä.

Esimerkiksi epätasapainoinen ruosteen muodostumisen yhtälö, joka on raudan ja hapen yhdistelmä rautaoksidin tuottamiseksi, näyttää tältä:

Fe + O₂ -> Fe₂O₃

Tämä yhtälö ei ole tasapainossa, koska molemmilla puolilla on erilainen määrä rauta- ja happiatomeja. Tasapainottamiseksi kerro jokainen reagoiva aine ja tuotteet kertoimella, joka tuottaa saman määrän atomeja kummallakin puolella kummallakin puolella:

4Fe + 3O₂ -> 2Fe₂2O₃

Huomaa, että yhdisteen atomien lukumäärä, jota edustavat alaindeksit kemiallisessa kaavassa, ei koskaan muutu. Voit tasapainottaa yhtälön vain muuttamalla kertoimia.

Sinun ei tarvitse välttämättä tietää kemiallista yhtälöä reaktion ratkaisemiseksi massan säilyttämiseksi. Esimerkiksi, jos liuotat kaksi tai useampia yhdisteitä veteen, tiedät, että ainesosien massojen on oltava yhtä suuria kuin liuoksen kokonaismassa. Harkitse esimerkkinä siitä, kuinka tämä voi olla hyödyllistä, opiskelijan, joka punnitsee kahden lisättävän yhdisteen erityisen painon tunnettuun määrään vettä ja valuu sitten pieni määrä yhtä yhdisteistä samalla kun se siirretään ratkaisu. Punnitsemalla lopullisen ratkaisun opiskelija voi selvittää tarkalleen kuinka paljon yhdistettä menetettiin.

Jos tietyt reagoivat aineet muodostavat tunnettuja tuotteita ja reaktion tasapainoinen yhtälö on tiedossa, on mahdollista laskea yhden reagoivan aineen tai tuotteen puuttuva massa, jos kaikki muut ovat tiedossa. Esimerkiksi hiilitetrakloridi ja bromi muodostavat dibromidikloorimetaani- ja kloorikaasun. Tämän reaktion tasapainoinen yhtälö on:

CCl₄ + Br₂ -> CBr₂Cl₂ + Cl2

Jos tiedät kunkin reagoivan aineen massat ja pystyt mittaamaan yhden tuotteen massan, voit laskea toisen tuotteen massan. Vastaavasti, jos mitataan tuotteiden ja yhden reagoivan aineen massat, tiedät heti toisen reagenssin massan.

Opiskelija yhdistää 154 grammaa hiilitetrakloridia ja tuntemattoman määrän bromia suljetussa astiassa, jolloin saadaan 243 grammaa dibromidiklorometaania ja 71 grammaa klooria. Kuinka paljon klooria käytettiin reaktiossa, olettaen, että reagoivat aineet on käytetty kokonaan u__p?

Koska massa on säilynyt, voimme asettaa yhtälön, jossa x edustaa tuntematonta bromimäärää:

154g + x = 243g + 71g

x = reaktiossa kulutetun bromin massa = 150 grammaa