Järjestelmät. Toisin kuin klassisessa mallissa, vain eristetyn fyysisen järjestelmän massa säilyy, toisin sanoen energianvaihdon puuttuessa ulkoisen ympäristön kanssa. Järjestelmäkomponenttien massojen summa ei säily (massa ei ole additiivinen). Esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen aikana eristetyssä aineesta ja säteilystä koostuvassa järjestelmässä aineen kokonaismassa pienenee, mutta järjestelmän massa pysyy samana, vaikka säteilyn massa voi olla nolla.
Historiallinen sketsi
Massan säilymisen laki on historiallisesti ymmärretty yhdeksi sanamuodosta aineen säilymisen laki. Yksi ensimmäisistä, jotka muotoili sen, oli antiikin kreikkalainen filosofi Empedokles (5. vuosisadalla eKr.):
Mikään ei voi tulla tyhjästä, eikä olemassa olevaa voi millään tuhota.
Aiemmin Milesian koulukunnan edustajat käyttivät Empedoclesin "säilyttämisen periaatetta" muotoillakseen teoreettisia ajatuksia alkuaineesta, kaiken perustasta. Myöhemmin samanlaisen teesin esittivät Demokritos, Aristoteles ja Epikuros (Lucretius Caran uudelleen kertomana).
Keskiaikaiset tiedemiehet eivät myöskään ilmaisseet epäilyksiä tämän lain totuudesta. Francis Bacon julisti vuonna 1620: "Aineen summa pysyy aina vakiona, eikä sitä voi lisätä eikä pienentää... ei pienintäkään osaa siitä voi voittaa koko maailman massa tai tuhota kaiken yhteisvoimin. agentteja tai millään tavalla tuhottuja."
Paino on niin tiiviisti sidottu alkuaineiden sisältöön, että vaihdellessaan toisistaan ne säilyttävät aina saman painon.
Alkuperäinen teksti (ranska)
La pesanteur est si étroitement jointe à la première matière des éléments que, se changeant de l"un en l"autre, ils gardent toujours le même poids.
Kaikki luonnossa tapahtuvat muutokset tapahtuvat siten, että jos jotain lisätään johonkin, se otetaan pois jostakin muusta. Siten yhtä paljon ainetta lisätään yhteen kehoon, sama määrä häviää toisesta, kuinka monta tuntia vietän nukkuessa, saman määrän otan pois valveilla olemisesta jne.
Neuvostoliitossa tämän lauseen perusteella M. V. Lomonosov julistettiin massan säilymislain laatijaksi, vaikka hän ei koskaan vaatinut tällaista prioriteettia eikä mainitse tätä lakia "Katsauksessaan tärkeimmistä löydöistä". Nykyaikaiset historioitsijat pitävät tällaisia väitteitä perusteettomina. On virheellinen mielipide, että Lomonosov on todistanut massan säilymisen lain kokeellisesti;
Universaalin lain muotoili Lomonosov yleisfilosofisten materialististen näkemysten pohjalta, hän ei koskaan kyseenalaistanut tai testannut häntä, vaan päinvastoin, hän palveli häntä vakaana lähtökohtana kaikissa opinnoissaan koko hänen elämänsä ajan.
Myöhemmin, mikromaailman fysiikan luomiseen asti, massan säilymisen lakia pidettiin totta ja ilmeisenä. Immanuel Kant julisti tämän lain luonnontieteen postulaatiksi (1786). Lavoisier kirjassaan "Kemian alkeisoppikirja" (1789) esitti tarkan kvantitatiivisen muotoilun aineen massan säilymisen laista, mutta ei julistanut sitä uudeksi ja tärkeäksi laiksi, vaan mainitsi sen vain ohimennen kauan tunnettuna ja luotettavasti todistettu tosiasia. Kemiallisia reaktioita varten Lavoisier muotoili lain seuraavilla ilmaisuilla:
Keinotekoisissa tai luonnollisissa prosesseissa ei tapahdu mitään, ja voidaan esittää kanta, että jokaisessa operaatiossa [kemiallisessa reaktiossa] on sama määrä ainetta ennen ja jälkeen, että periaatteiden laatu ja määrä pysyivät samana, vain siirtymiä ja uudelleenryhmittymiä tapahtui. Koko kemian kokeiden tekemisen taito perustuu tähän ehdotukseen.
Toisin sanoen suljetun fysikaalisen järjestelmän massa, jossa kemiallinen reaktio tapahtuu, säilyy, ja kaikkien tähän reaktioon osallistuneiden aineiden massojen summa on yhtä suuri kuin kaikkien reaktiotuotteiden massojen summa (eli se on myös säilynyt). Massaa pidetään siten lisäaineena.
Nykyinen tila
1900-luvulla löydettiin kaksi uutta massan ominaisuutta.
(M1) Fyysisen esineen massa riippuu sen sisäisestä energiasta (katso Massan ja energian ekvivalentti). Kun ulkoinen energia imeytyy, massa kasvaa, ja kun sitä häviää, se pienenee. Tästä seuraa, että massa säilyy vain eristetyssä järjestelmässä, toisin sanoen energianvaihdon puuttuessa ulkoisen ympäristön kanssa. Massan muutos ydinreaktioiden aikana on erityisen havaittavissa. Mutta edes kemiallisten reaktioiden aikana, joihin liittyy lämmön vapautuminen (tai imeytyminen), massa ei säily, vaikka tässä tapauksessa massavika on mitätön. Akateemikko L. B. Okun kirjoittaa:
Korostaaksesi, että kehon massa muuttuu aina, kun sen sisäinen energia muuttuu, harkitse kahta yleistä esimerkkiä:
1) kun rautarautaa kuumennetaan 200°, sen massa kasvaa Δ m / m ≈ 10 − 12 (\näyttötyyli \Delta m/m\noin 10^(-12)); 2) kun tietty määrä jäätä muuttuu kokonaan vedeksi Δ m / m ≈ 3,7 ⋅ 10 − 12 (\näyttötyyli \Delta m/m\noin 3,7\cdot 10^(-12)).
(M2) Massa ei ole additiivinen suure: järjestelmän massa ei ole yhtä suuri kuin sen komponenttien massojen summa. Esimerkkejä ei-additiivisuudesta:
- Elektroni ja positroni, joilla kummallakin on massa, voivat tuhoutua fotoneiksi, joilla ei ole massaa yksittäin, mutta joilla on se vain järjestelmänä.
- Yhdestä protonista ja yhdestä neutronista koostuvan deuteronin massa ei ole yhtä suuri kuin sen komponenttien massojen summa, koska hiukkasten vuorovaikutusenergia on otettava huomioon.
- Auringon sisällä tapahtuvissa lämpöydinreaktioissa vedyn massa ei ole yhtä suuri kuin siitä tuotetun heliumin massa.
- Erityisen silmiinpistävä esimerkki: protonin massa (≈938 MeV) on useita kymmeniä kertoja suurempi kuin sen muodostavien kvarkkien massa (noin 11 MeV).
Siten fysikaalisten prosessien aikana, joihin liittyy fyysisten rakenteiden hajoaminen tai synteesi, järjestelmän ainesosien (komponenttien) massojen summa ei säily, mutta tämän (eristetyn) järjestelmän kokonaismassa säilyy:
- Anihilaatiosta syntyvän fotonijärjestelmän massa on yhtä suuri kuin tuhoava elektroni ja positroni koostuvan järjestelmän massa.
- Deuteronista koostuvan järjestelmän massa (sitoutumisenergia huomioon ottaen) on yhtä suuri kuin yhdestä protonista ja yhdestä neutronista erikseen koostuvan järjestelmän massa.
- Lämpöydinreaktioissa syntyvästä heliumista koostuvan järjestelmän massa vapautunut energia huomioon ottaen on yhtä suuri kuin vedyn massa.
Tämä tarkoittaa, että nykyfysiikassa massan säilymislaki liittyy läheisesti energian säilymislakiin ja täyttyy samalla rajoituksella - energian vaihto järjestelmän ja ulkoisen ympäristön välillä on otettava huomioon.
Esirelativistinen fysiikka tunsi kaksi perussäilyttämislakia, nimittäin: energian säilymisen lain ja massan säilymisen lain; näitä molempia peruslakeja pidettiin täysin toisistaan riippumattomina. Suhteellisuusteoria yhdisti ne yhdeksi.
Yksityiskohtaisemmin
Selittääksemme yksityiskohtaisemmin, miksi massa nykyfysiikassa osoittautuu ei-additiiviseksi (järjestelmän massa ei ole yhtä suuri - yleisesti ottaen - komponenttien massojen summan kanssa), on ensin huomattava, että termillä paino nykyfysiikassa Lorentzin invarianttisuure ymmärretään:
m = E 2 / c 4 − p 2 / c 2 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)/c^(4)-p^(2)/c^(2))),)Missä E (\displaystyle E)- energiaa, p → (\displaystyle (\vec (p)))- impulssi, c (\displaystyle c)- valonnopeus. Ja huomaamme heti, että tämä lauseke on yhtä helposti sovellettavissa pisterakenteiseen ("alkuaine") hiukkaseen ja mihin tahansa fyysiseen järjestelmään, ja jälkimmäisessä tapauksessa järjestelmän energia ja liikemäärä lasketaan yksinkertaisesti summaamalla energiat ja momentit järjestelmän komponenteista (energia ja liikemäärä ovat additiivisia) .
- Voit myös ohimennen huomata, että järjestelmän liikemäärä-energia-vektori on 4-vektori, eli sen komponentit muunnetaan siirryttäessä toiseen vertailujärjestelmään Lorentzin muunnosten mukaisesti, koska sen termit muunnetaan tällä tavalla - 4 -järjestelmän muodostavien hiukkasten energiamäärän vektorit. Ja koska edellä määritelty massa on tämän vektorin pituus Lorentzin metriikassa, se osoittautuu invariantiksi (Lorentz-invariantti), eli se ei riipu referenssijärjestelmästä, jossa se mitataan tai lasketaan.
Lisäksi huomautamme, että c (\displaystyle c)- universaali vakio, eli vain luku, joka ei koskaan muutu, joten periaatteessa voit valita tällaisen mittayksikköjärjestelmän niin, että c = 1 (\displaystyle c=1), ja sitten mainittu kaava on vähemmän sotkuinen:
m = E 2 − p 2 , (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)-p^(2))),)sekä muut siihen liittyvät kaavat (ja alla käytämme lyhyyden vuoksi juuri tällaista yksikköjärjestelmää).
Kun on jo tarkasteltu paradoksaalisinta tapausta massan additiivisuuden rikkomisesta - tapaus, jossa usean (yksinkertaisuuden vuoksi rajoittumme kahteen) massattomien hiukkasten (esimerkiksi fotonien) systeemillä voi olla nollasta poikkeava massa, se on helppo nähdä mekanismi, joka aiheuttaa massan ei-additiivisuuden.
Olkoon kaksi fotonia 1 ja 2 vastakkaisilla momenteilla: p → 1 = − p → 2 (\displaystyle (\vec (p))_(1)=-(\vec (p))_(2)). Kunkin fotonin massa on nolla, joten voimme kirjoittaa:
0 = E 1 2 − p 1 2 , (\displaystyle 0=(\sqrt (E_(1)^(2)-p_(1)^(2))),) 0 = E 2 2 − p 2 2 , (\displaystyle 0=(\sqrt (E_(2)^(2)-p_(2)^(2))),)eli jokaisen fotonin energia on yhtä suuri kuin sen liikemäärän moduuli. Huomattakoon ohimennen, että massa on yhtä suuri kuin nolla, koska nollasta poikkeavat suuret vähennetään toisistaan juurimerkin alla.
Tarkastellaan nyt näiden kahden fotonin järjestelmää kokonaisuutena laskemalla sen liikemäärä ja energia. Kuten näemme, tämän järjestelmän liikemäärä on nolla (fotonipulssit yhteenlaskettuina tuhoutuivat, koska nämä fotonit lentävät vastakkaisiin suuntiin):
p → = p → 1 + p → 2 = 0 → . (\displaystyle (\vec (p))=(\vec (p))_(1)+(\vec (p))_(2)=(\vec (0)).).Fyysisen järjestelmämme energia on yksinkertaisesti ensimmäisen ja toisen fotonin energioiden summa:
E = E 1 + E 2. (\displaystyle E=E_(1)+E_(2).)Eli siis järjestelmän massa:
m = E 2 − p 2 = E 2 − 0 = E ≠ 0, (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)-p^(2)))=(\sqrt (E^(2)- 0))=E\neq 0,)(impulssit tuhoutuivat, mutta energiat lisättiin - ne eivät voi olla eri merkkejä).
Yleisesti ottaen kaikki tapahtuu samalla tavalla kuin tämä, selkein ja yksinkertaisin esimerkki. Yleisesti ottaen järjestelmän muodostavien hiukkasten ei välttämättä tarvitse olla nollamassoja, riittää, että massat ovat pieniä tai ainakin verrattavissa energioihin tai momenttiin, ja vaikutus on suuri tai havaittavissa. On myös selvää, ettei massan tarkkaa additiivisuutta ole lähes koskaan olemassa, lukuun ottamatta hyvin erikoistapauksia.
Massa ja inertia
Massan additiivisuuden puute näyttäisi tuovan vaikeuksia. Ne eivät kuitenkaan ole lunastettu pelkästään sillä, että tällä tavalla määritelty massa (eikä muuten esimerkiksi energiaksi jaettuna valonnopeuden neliöllä) osoittautuu Lorentzin invariantiksi, käteväksi ja muodollisesti kauniiksi suureksi. , mutta sillä on myös fysikaalinen merkitys, joka vastaa täsmälleen tavallista klassista käsitystä massasta hitausmittana.
Nimittäin fyysisen järjestelmän levon vertailujärjestelmälle (eli vertailujärjestelmälle, jossa fyysisen järjestelmän liikemäärä on nolla) tai vertailujärjestelmille, joissa lepojärjestelmä liikkuu hitaasti (verrattuna valonnopeuteen), edellä mainittu massan määritelmä
m = E 2 / c 4 − p 2 / c 2 (\displaystyle m=(\sqrt (E^(2)/c^(4)-p^(2)/c^(2))))Vastaa täysin klassista Newtonin massaa (sisältyy Newtonin toiseen lakiin).
Tätä voidaan havainnollistaa erityisesti tarkastelemalla järjestelmää, joka ulkopuolelta (ulkoisen vuorovaikutuksen kannalta) on tavallinen kiinteä kappale, mutta sisältä sisältää nopeasti liikkuvia hiukkasia. Esimerkiksi harkitsemalla peililaatikkoa, jossa on täydellisesti heijastavat seinät, jonka sisällä on fotoneja (sähkömagneettisia aaltoja).
Yksinkertaisuuden ja vaikutuksen selkeyden vuoksi anna itse laatikon olla (melkein) painoton. Sitten, jos, kuten yllä olevassa kappaleessa käsitellyssä esimerkissä, laatikon sisällä olevien fotonien kokonaisliikemäärä on nolla, laatikko on yleensä liikkumaton. Lisäksi ulkoisten voimien vaikutuksesta (esimerkiksi jos työnnämme sitä) sen tulee käyttäytyä kuin kappale, jonka massa on yhtä suuri kuin sisällä olevien fotonien kokonaisenergia jaettuna c 2 (\displaystyle c^(2)).
Katsotaanpa tätä laadullisesti. Työnnämme laatikkoa, ja tämän vuoksi se on saanut hieman nopeutta oikealle. Yksinkertaisuuden vuoksi puhumme nyt vain sähkömagneettisista aalloista, jotka kulkevat tiukasti oikealle ja vasemmalle. Vasemmasta seinästä heijastuva sähkömagneettinen aalto lisää sen taajuutta (Doppler-ilmiön vuoksi) ja energiaa. Oikeasta seinästä heijastuva aalto päinvastoin vähentää sen taajuutta ja energiaa heijastuksen aikana, mutta kokonaisenergia kasvaa, koska täydellistä kompensaatiota ei ole. Tämän seurauksena keho hankkii kineettistä energiaa, joka on yhtä suuri kuin m v 2/2 (\displaystyle mv^(2)/2)(Jos v<<
c
{\displaystyle v<
Massan ja energian säilymislaki
Todistettuaan atomien ja molekyylien olemassaolon atomi-molekyyliteorian tärkein löytö oli massan säilymisen laki, jonka suuri venäläinen tiedemies Mihail Vasilyevich Lomonosov (1711-1765) muotoili filosofiseksi käsitteeksi vuonna 1748 ja vahvisti kokeellisesti itse vuonna 1756 ja hänestä riippumattomasti ranskalainen kemisti A. L. Lavoisier vuonna 1789.
Kaikkien kemialliseen reaktioon osallistuvien aineiden massa on yhtä suuri kuin kaikkien reaktiotuotteiden massa.
Ennen Lomonosovia suoritetut aineiden palamiskokeet viittaavat siihen, että aineiden massa ei säily reaktion aikana. Ilmassa kuumennettaessa elohopea muuttui punaiseksi asteikkoksi, jonka massa oli suurempi kuin metallin massa. Puun palamisen aikana muodostuneen tuhkan massa on päinvastoin aina pienempi kuin alkuperäisen aineen massa.
Lomonosov suoritti yksinkertaisen kokeen, joka osoitti, että metallin palaminen on lisäysreaktio, ja metallin massan kasvu johtuu osan ilmasta lisäämisestä. Hän kalsinoi metalleja suljetussa lasiastiassa ja havaitsi, että astian massa ei muuttunut, vaikka kemiallinen reaktio tapahtui. Aluksen avaamisen jälkeen ilma ryntäsi sisään ja aluksen massa kasvoi. Siten kaikkien reaktioon osallistuneiden massojen huolellisella mittauksella käy ilmi, että aineiden massa kemiallisen reaktion aikana säilyy. Massan säilymisen lailla oli suuri merkitys atomi-molekyyliteorialle. Hän vahvisti, että atomit ovat jakamattomia eivätkä muutu kemiallisten reaktioiden aikana. Molekyylit vaihtavat atomeja reaktion aikana, mutta kunkin tyypin atomien kokonaismäärä ei muutu, ja siksi aineiden kokonaismassa reaktion aikana säilyy.
Massan säilymislaki on yleisen luonnonlain erikoistapaus - energian säilymislaki, jonka mukaan eristetyn järjestelmän energia on vakio. Energia on erilaisten aineiden liikkeen ja vuorovaikutuksen mitta. Minkään eristetyn järjestelmän prosessien aikana energiaa ei synny eikä tuhoudu, se voi vain siirtyä muodosta toiseen.
Eräs energiamuoto on ns. lepoenergia, joka liittyy massaan Einsteinin suhteella
missä c on valon nopeus tyhjiössä (c = 3,108 m/s). Tämä suhde osoittaa, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin. Juuri näin tapahtuu kaikissa ydinreaktioissa, ja siksi ydinprosessien massan säilymisen lakia rikotaan. Energian säilymisen laki pysyy kuitenkin voimassa tässä tapauksessa, jos otamme huomioon loppuenergian.
Kemiallisissa reaktioissa energian vapautumisen tai imeytymisen aiheuttama massan muutos on hyvin pieni. Kemiallisen reaktion tyypillinen lämpövaikutus suuruusluokaltaan on 100 kJ/mol. Lasketaan kuinka massa muuttuu:
∆m = ∆E/s2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 kg/mol = 10-9 g/mol.
Esimerkkejä ongelmanratkaisusta
1. Määritä natriumjodidin NaI massa 0,6 mol aineen määrällä.
Annettu: ν(NaI) = 0,6 mol.
Etsi: m(NaI) =?
Määritä NaI:n massa:
Vastaus: 90 g.
2. Määritä 40,4 g painoisen natriumtetraboraatin Na 2 B 4 O 7 sisältämän atomiboorin määrä.
Annettu: m(Na2B407) = 40,4 g.
Etsi: ν(B)=?
Ratkaisu. Natriumtetraboraatin moolimassa on 202 g/mol. Määritä aineen määrä Na 2 B 4 O 7:
ν(Na2B4O7) = m(Na2B407)/M(Na2B407) = 40,4/202 = 0,2 mol.
Muista, että 1 mooli natriumtetraboraattimolekyyliä sisältää 2 moolia natriumatomeja, 4 moolia booriatomeja ja 7 moolia happiatomeja (katso natriumtetraboraattikaava). Sitten atomibooriaineen määrä on yhtä suuri:
ν(B) = 4 v (Na 2B 4O 7) = 4 0,2 = 0,8 mol.
Vastaus: 0,8 mol
3. Mikä massa fosforia on poltettava, jotta saadaan 7,1 g painava fosforioksidi (V)?
Annettu: m(P205) = 7,1 g.
Etsi: m(P) =?
Ratkaisu: kirjoita ylös fosforin palamisreaktion yhtälö ja järjestä stoikiometriset kertoimet.
4P+ 5O 2 = 2P 2 O 5
Määritä reaktioon johtavan aineen P 2 O 5 määrä.
ν(P205) = m(P205)/M(P205) = 7,1/142 = 0,05 mol.
Reaktioyhtälöstä seuraa, että ν(P 2 O 5) = 2 ν(P), joten reaktiossa tarvittava fosforin määrä on yhtä suuri:
ν (P 2O 5) = 2 ν (P) = 2 0,05 = 0,1 mol.
Täältä löydämme fosforin massan:
m(P) = v(P) M(P) = 0,1 31 = 3,1 g.
Vastaus: 3,1 g.
4. Mikä massa ammoniumkloridia muodostuu, kun 7,3 g painava kloorivety reagoi 5,1 g painavan ammoniakin kanssa? Mikä kaasu jää ylimääräiseksi? Määritä ylimäärän massa.
Annettu: m(HCl) = 7,3 g; m(NH3) = 5,1 g.
Etsi: m(NH4Cl) =? m(ylimäärä) =?
Ratkaisu: kirjoita reaktioyhtälö.
HCl + NH3 = NH4CI
Tämä tehtävä koskee "ylimäärää" ja "puutetta". Laskemme kloorivedyn ja ammoniakin määrät ja määritämme, mikä kaasu on ylimääräinen.
massakemiallisen atomin säilymislaki
v(HCl) = m(HCl)/M(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 mol;
ν(NH3) = m(NH3)/M(NH3) = 5,1/17 = 0,3 mol.
Ammoniakkia on liikaa, joten laskemme puutteen perusteella, ts. kloorivetyä varten. Reaktioyhtälöstä seuraa, että ν(HCl) = ν(NH 4 Cl) = 0,2 mol. Määritä ammoniumkloridin massa.
m(NH4Cl) = ν(NH4CI)M(NH4CI) = 0,2 53,5 = 10,7 g.
Olemme määrittäneet, että ammoniakkia on ylimäärä (ainemäärän suhteen ylimäärä on 0,1 mol). Lasketaan ylimääräisen ammoniakin massa.
m(NH3) = v(NH3) M(NH3) = 0,1 x 17 = 1,7 g.
Vastaus: 1,7 g.
5. Mikä on 12 moolia alumiinia, joka ei ole jätettä?
Annettu: ν(AL(NO3)3) = 12 mol
Etsi: m (AL(NO3)3)=?
Ratkaisu: herra (AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 g/mol
m = M* v 213 * 12 = 2556 g
Vastaus: 2556g
6. kuinka monta moolia magnesiumkarbonaattia on 64 g:ssa. Magnesiumkarbonaatti?
Annettu: m(Mg Co3) = 64
Etsi: ν(Mg Co3)=?
Liuos: Mr(Mg Co3)=24+12+16*3=36+48=84 g/mol
v = m/M 64/84 = 0,76 mol
Vastaus: 0,76 mol
7. Kuinka monta moolia on 420g:ssa. FeO?
Annettu: m(FeO) = 420 g.
Etsi: ν(FeO)=?
Ratkaisu: Mr(FeO)=56+16=72
v = m/M 420/72 = 5,8 mol
Vastaus: 5,8 mol
8. Mikä on ruokasuolan massa 2,5 moolissa ainetta?
Annettu: ν(NaCl) = 2,5 mol
Etsi: m(NaCl)=?
Ratkaisu: Mr(NaCl)=23+35=58
m = M* v 58 * 2,5 = 145 g.
Vastaus: 145g.
9. Kuinka monta moolia on 250 g:ssa ZnO:ta?
Annettu: m(ZnO) = 250 g
Etsi: ν(ZnO)=?
Liuos: (ZnO)=65+16=81 g/mol
v = m/M 250/81 = 3
Vastaus: 3 moolia
10. Määritä natriumjodidin NaI massa?
Annettu: ν(NaI) = 0,6 mol.
Etsi: m(NaI) =?
Ratkaisu. Natriumjodidin moolimassa on:
M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 g/mol
Määritä NaI:n massa:
m(NaI) = v(NaI) M(NaI) = 0,6 x 150 = 90 g.
Vastaus: 90 g
Ja energiaa ei säilytetä erikseen, vaan yhdessä: kahden näennäisesti erilaisen Newtonin fysiikan säilymislain sijasta yksi toimii relativistisessa fysiikassa - massan ja energian säilymislaissa. Einstein antoi ensimmäisen esimerkin massan ja energian muunnoksista vuonna 1905. Hän keskusteli kehon sähkömagneettisten aaltojen lähettämisestä, ja uskottiin, että aallot lähtivät kehosta symmetrisesti...
Useat kappaleet ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vain gravitaatio- ja kimmovoimilla, eikä ulkoisia voimia vaikuta, jolloin kappaleiden kineettisten ja potentiaalisten energioiden summa pysyy vakiona. Tätä väitettä kutsutaan mekaanisten prosessien energian säilymisen laiksi. Kappaleiden kineettisten ja potentiaalisten energioiden summaa kutsutaan mekaaniseksi kokonaisenergiaksi. Siksi...
Uusi tutkimuksen suunta - kemiallinen fysiikka, tieteenala fysiikan ja kemian välissä. 4. Ympäristön saastuminen. Ilmakehä, vesi, maaperä, ruoka Yleisin ja merkittävin on ympäristön kemiallinen saastuminen sille epätavallisilla kemiallisilla aineilla. Niiden joukossa ovat teollisuus- ja kotitalousperäiset kaasumaiset ja aerosoliset epäpuhtaudet. Edistyy ja...
Avaruus noudattaa luonnon peruslakia - liikemäärän säilymislakia: suljetun järjestelmän kulmaliikemäärä säilyy, eli se ei muutu ajan myötä. Symmetria ja kognitioprosessi Yhteyden avaruuden symmetrian ja säilymislakien välillä loi saksalainen matemaatikko Emmy Noether (1882-1935). Hän muotoili ja todisti matemaattisen fysiikan peruslauseen...
Molekyylien ja atomien löytäminen oli tärkein tapahtuma atomi-molekyyliteorian kehityksessä. Vuonna 1748 suuri venäläinen tiedemies Mihail Vasilyevich Lomonosov muotoili massan säilymisen lain filosofiseksi käsitteeksi. Hän itse tarjosi myöhemmin tehokkaan käytännöllisen ja teoreettisen perustan sen todistamiselle, ja tämä tapahtui vuonna 1756. Samanaikaisesti venäläisen tiedemiehen kanssa ranskalainen kemisti A. L. Lavoisier työskenteli tämän ongelman parissa. Hän ehdotti versionsa todistuksesta vuonna 1789.
Aineen massan säilymislaki sanoo, että kaikkien kemialliseen reaktioon osallistuvien aineiden massojen summa on numeerisesti yhtä suuri kuin niiden aineiden massa, jotka ovat reaktiotuotteita. Alkuperäiset menetelmät, joilla tuolloin vielä pidetty oletus massojen säilymisestä todettiin käytännössä, eivät kruunannut menestystä. Tosiasia on, että jo ennen Lomonosovia suoritetut kokeet perustuivat aineiden palamiseen. Punnitustulokset ennen reaktiota ja sen jälkeen eivät olleet millään tavalla yhdenmukaisia ilmeisen, mutta ei käytännössä vahvistettu teorian kanssa. Elohopean kuumentaminen ilmassa johti punaiseen kalkkiin, ja sen massa oli suurempi kuin reagoivan metallin massa. Puun palamisen jälkeen ilmaantunut tuhka oli päinvastainen, kun tuotteen massa oli aina pienempi kuin aineen massa ennen reaktion tapahtumista.
Asia on siinä, että todistaakseen massan säilymisen lain hän suoritti ensimmäisenä kokeita suljetuilla järjestelmillä. Kokeen yksinkertaisuus osoitti jälleen kerran venäläisen tiedemiehen nerouden. Lomonosov laittoi kalsinoitavat metallit suljettuun lasiastiaan. Onnistuneen reaktion jälkeen astian paino pysyi ennallaan. Ja vasta kun alus rikkoutui ja ilma ryntäsi sisään, aluksen massan havaittiin lisääntyneen.
Kokeen teoreettisen selityksen antoi metallin palamisreaktion lisäysluonne. Massan kasvu johtui happiatomien lisäyksestä hapetustuotteeseen. Todistettuaan massan säilymisen lain Lomonosov antoi merkittävän panoksen atomi-molekyyliteorian kehitykseen. Käytännössä hän osoitti jälleen, että atomit ovat kemiallisesti jakamattomia. Molekyylien rakenteet muuttuvat reaktioiden aikana, ne vaihtavat atomeja keskenään, mutta niiden kokonaismäärä (atomit) suljetussa järjestelmässä pysyy ennallaan. Näin ollen aineen kokonaismassa on vakioarvo.
Massan säilymisen laista tuli ensimmäinen panos globaalimman luonnonlain tuntemiseen. Tämänsuuntainen lisätutkimus paljasti, että suljetuissa järjestelmissä ei tapahdu vain massan säilymistä. Eristetyn järjestelmän energia on myös vakiosuure. Mikään prosessissa tapahtuva prosessi ei tuota tai tuhoa massaa tai energiaa. Ja tunnistettu kuvio sai myöhemmin nimen: massan ja energian säilymisen laki. siitä tuli vain todiste luonnon suurimman lain erikoistapauksesta.
Mutta ympäröivän maailman ymmärtäminen ei lopu tähän. Einsteinin teokset kehittivät tiedettä entisestään teoriassaan, hän ei ainoastaan osoittanut energian ja massan välistä suhdetta, vaan teki myös rohkean oletuksen niiden muuttumisen mahdollisuudesta. Se, mikä nyt näyttää tavalliselle koululaiselle ymmärrettävältä, muodostui käytännön kokeiden ja teoreettisen tutkimuksen aikana viimeisen kolmen vuosisadan aikana. Luonnontieteen eri alojen tutkijat keräsivät pala palalta tehokkaan alustan mallien todistamiseen ja käsitteiden "energia" ja "massa" ymmärtämiseen.
Ei vain fysiikka ja kemia, vaan myös monet muut tieteet käyttävät aktiivisesti massan ja energian säilymisen suhdetta ja periaatetta. Biologia, maantiede ja tähtitiede löytävät sovelluksen massan ja energian säilymisen lakiin. Jopa filosofia muotoili tämän lain vaikutuksesta ihmisen nykyaikaisen käsityksen olemassaolosta.
Atomi-molekyylitiede
Vuonna 1858, lähes 50 vuotta Avogadron löydön jälkeen, italialainen kemisti S. Cannizzaro (1826–1910) löysi Avogadron työn ja näki, että sen avulla oli mahdollista erottaa selkeästi käsitteet "atomi" ja "molekyyli" kaasumaisille aineille. Cannizzaro ehdotti atomin ja molekyylin määritelmät ja toi täydellisen selkeyden "atomipainon" ja "molekyylipainon" käsitteisiin.
Vuonna 1860 Karsluhessa (Saksa) pidettiin ensimmäinen kansainvälinen kemian kongressi, jossa pitkien keskustelujen jälkeen päämääräykset muotoiltiin. atomi-molekyylitiede:
· aineet koostuvat molekyyleistä - aineen pienimmistä hiukkasista, joilla on sen kemialliset ominaisuudet;
· molekyylit koostuvat atomeista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa tietyissä suhteissa;
· atomi – alkuaineen pienin hiukkanen kemiallisissa yhdisteissä;
· eri alkuaineet vastaavat eri atomeja;
· atomit ja molekyylit ovat jatkuvassa spontaanissa liikkeessä;
· kemiallisten reaktioiden aikana joidenkin aineiden molekyylit muuttuvat muiden aineiden molekyyleiksi;
· atomit eivät muutu kemiallisten reaktioiden aikana;
· yksinkertaisten aineiden molekyylit koostuvat identtisistä atomeista ( O2, P2, N2 jne.), monimutkaisten aineiden molekyylit - eri atomeista ( H20, HСl jne.);
· molekyylien ominaisuudet eivät riipu pelkästään niiden koostumuksesta, vaan myös tavasta, jolla atomit ovat sitoutuneet toisiinsa.
Nykytiede on kehittänyt klassisen atomi-molekyyliteorian, ja joitakin sen säännöksiä on tarkistettu. Todettiin, että atomi ei ole jakamaton rakenteeton muodostuma. Kävi ilmi, että kaikissa tapauksissa aineen muodostavat hiukkaset eivät ole molekyylejä. Monilla kemiallisilla yhdisteillä, erityisesti nestemäisissä ja kiinteissä olomuodoissa, on ionirakenne, kuten suoloilla. Jotkut aineet, esimerkiksi jalokaasut, koostuvat yksittäisistä atomeista, jotka ovat heikosti vuorovaikutuksessa keskenään.
Ja lopuksi, kun se kuumennetaan tuhansien ja miljoonien asteiden lämpötiloihin, aine muuttuu erityiseen tilaan - plasmaan, joka on atomien, positiivisten ionien, elektronien ja atomiytimien seos.
Luonnontieteen peruslaki on aineen massan säilymisen laki, jonka suuri venäläinen tiedemies M.V. muotoili filosofisen konseptin muodossa vuonna 1748. Lomonosov (1711–1765) ja vahvisti kokeellisesti itse vuonna 1756 sekä itsenäisesti ranskalainen kemisti A.L. Lavoisier vuonna 1789
Aineen massan säilymislaki sanoo: kemialliseen reaktioon joutuvien aineiden massa on yhtä suuri kuin kaikkien reaktiotuotteiden massa.
Ennen Lomonosovia suoritetut aineiden palamiskokeet viittaavat siihen, että aineiden massa ei säily reaktion aikana. Ilmassa kuumennettaessa elohopea muuttui punaiseksi asteikkoksi, jonka massa oli suurempi kuin metallin massa. Puun palamisen aikana muodostuneen tuhkan massa on päinvastoin aina pienempi kuin alkuperäisen aineen massa. Saksalainen lääkäri ja kemisti Ernst Stahl (1660–1734) yritti selittää näitä ilmiöitä sillä, että syttyvät aineet sisältävät tietyn aineen - flogiston, joka haihtuu tai siirtyy aineesta toiseen palamisprosessin aikana. Tämä tarkoitti, että aineen palaminen on hajoamisreaktio flogistoniksi ja palamattomaksi jäännökseksi. Mutta sitten kävi ilmi, että on olemassa positiivista flogistonia (sisältyy puuhun), joka johtaa massan vähenemiseen palamisen aikana, ja negatiivista (metalleissa), mikä johtaa massan kasvuun.
Lomonosov suoritti yksinkertaisen kokeen, joka osoitti, että metallin palaminen on lisäysreaktio, ja metallin massan kasvu johtuu osan ilmasta lisäämisestä. Hän kalsinoi metalleja suljetussa lasiastiassa ja havaitsi, että astian massa ei muuttunut, vaikka kemiallinen reaktio tapahtui.
Valitettavasti ulkomaiset tutkijat eivät huomanneet Lomonosovin löytöä, ja aineen massan säilymislaki vahvistettiin kemiassa vasta Lavoisierin kokeiden jälkeen. Hän suoritti metallien palamisen ja metallioksidien pelkistysreaktioita hiilen kanssa eikä koskaan löytänyt reaktiotuotteiden massan kasvu tai väheneminen alkuperäisiin aineisiin verrattuna.
Aineen massan säilymislaki oli erittäin tärkeä atomi-molekyyliteorialle. Hän vahvisti, että atomit ovat jakamattomia eivätkä muutu kemiallisten reaktioiden aikana. Molekyylit vaihtavat atomeja reaktion aikana, mutta kunkin tyypin atomien kokonaismäärä ei muutu ja siksi aineiden kokonaismassa säilyy reaktion aikana. Aineen massan säilymislaki on yleisen luonnonlain erikoistapaus - energian säilymisen laki, joka väittää sen eristetyn järjestelmän energia on vakio. Energiaa on erilaisten aineiden liikkeen ja vuorovaikutuksen mitta. Eristetyn järjestelmän prosessien aikana energiaa ei tuoteta tai tuhoudu, se voi siirtyä tyypistä toiseen. Esimerkiksi molekyyliin vaikuttavan sähkömagneettisen säteilyn energia voidaan muuntaa molekyylin pyörimisliikkeen tai atomien translaatioliikkeen energiaksi; päinvastoin, kemiallisen vuorovaikutuksen energia voidaan muuntaa säteilyenergiaksi.
Energian säilymisen laki filosofisena periaatteena ei johdu yleisemmistä postulaateista. Fysikaalisesta näkökulmasta energian säilymisen laki on seuraus ajan homogeenisuus, eli se tosiasia, että luonnonlait eivät muutu ajan myötä.
Aineen massan säilymislaki ei täyty ydinreaktioissa, mikä selitetään Einsteinin muotoileman massan ja energian vastaavuusperiaatteen perusteella ja ilmaistaan maailman tunnetuimmalla kaavalla: E = mc 2.
Tämä suhde osoittaa, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin, mitä tapahtuu ydinreaktioissa. Kemiallisissa reaktioissa energian vapautumisen tai imeytymisen aiheuttama massan muutos on hyvin pieni eikä sitä voida mitata kokeellisesti. Siksi voidaan väittää, että kemiallisissa reaktioissa massan säilymisen laki toteutuu erittäin suurella tarkkuudella.
Todistettuaan atomien ja molekyylien olemassaolon atomi-molekyyliteorian tärkein löytö oli massan säilymisen laki, jonka suuri venäläinen tiedemies Mihail Vasilyevich Lomonosov (1711-1765) muotoili filosofiseksi käsitteeksi vuonna 1748 ja vahvisti kokeellisesti itse vuonna 1756 ja hänestä riippumattomasti ranskalainen kemisti A. L. Lavoisier vuonna 1789.
Kaikkien kemialliseen reaktioon osallistuvien aineiden massa on yhtä suuri kuin kaikkien reaktiotuotteiden massa.
Ennen Lomonosovia suoritetut aineiden palamiskokeet viittaavat siihen, että aineiden massa ei säily reaktion aikana. Ilmassa kuumennettaessa elohopea muuttui punaiseksi asteikkoksi, jonka massa oli suurempi kuin metallin massa. Puun palamisen aikana muodostuneen tuhkan massa on päinvastoin aina pienempi kuin alkuperäisen aineen massa.
Lomonosov suoritti yksinkertaisen kokeen, joka osoitti, että metallin palaminen on lisäysreaktio, ja metallin massan kasvu johtuu osan ilmasta lisäämisestä. Hän kalsinoi metalleja suljetussa lasiastiassa ja havaitsi, että astian massa ei muuttunut, vaikka kemiallinen reaktio tapahtui. Aluksen avaamisen jälkeen ilma ryntäsi sisään ja aluksen massa kasvoi. Siten kaikkien reaktioon osallistuneiden massojen huolellisella mittauksella käy ilmi, että aineiden massa kemiallisen reaktion aikana säilyy. Massan säilymisen lailla oli suuri merkitys atomi-molekyyliteorialle. Hän vahvisti, että atomit ovat jakamattomia eivätkä muutu kemiallisten reaktioiden aikana. Molekyylit vaihtavat atomeja reaktion aikana, mutta kunkin tyypin atomien kokonaismäärä ei muutu, ja siksi aineiden kokonaismassa reaktion aikana säilyy.
Massan säilymislaki on yleisen luonnonlain erikoistapaus - energian säilymislaki, jonka mukaan eristetyn järjestelmän energia on vakio. Energia on erilaisten aineiden liikkeen ja vuorovaikutuksen mitta. Minkään eristetyn järjestelmän prosessien aikana energiaa ei synny eikä tuhoudu, se voi vain siirtyä muodosta toiseen.
Eräs energiamuoto on ns. lepoenergia, joka liittyy massaan Einsteinin suhteella
E 0 = m 0 s 2,
missä c on valon nopeus tyhjiössä (c = 3 10 8 m/s). Tämä suhde osoittaa, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin. Juuri näin tapahtuu kaikissa ydinreaktioissa, ja siksi ydinprosessien massan säilymisen lakia rikotaan. Energian säilymisen laki pysyy kuitenkin voimassa tässä tapauksessa, jos otamme huomioon loppuenergian.
Kemiallisissa reaktioissa energian vapautumisen tai imeytymisen aiheuttama massan muutos on hyvin pieni. Kemiallisen reaktion tyypillinen lämpövaikutus suuruusluokaltaan on 100 kJ/mol. Lasketaan kuinka massa muuttuu:
∆m = ∆E/s 2 = 10 5 / (3 10 8) 2 ~ 10 -12 kg/mol = 10 -9 g/mol.
