Тема 1. Основні поняття хімії. Будова атома. Хімічний звʼязок

матеріал 7

Закон збереження маси речовин. Закон збереження енергії. Закон сталості складу

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 7. Закон збереження маси речовин. Закон збереження енергії. Закон сталості складу

Очікувані результати навчання

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: пригадати формулювання законів збереження маси, сталості складу речовини та збереження енергії, навчитися виводити молекулярну формулу складної сполуки за відомим співвідношенням мас атомів елементів, з якої вона складається, попрактикуватися у розв’язуванні розрахункових задач на застосування законів збереження маси та енергії.

Очікувані результати для вчителя:

учні знають формулювання та практичне значення законів збереження маси та енергії, а також закону сталості складу речовини
учні застосовують закони збереження маси та енергії під розв’язування розрахункових задач
учні розрізняють реакції за тепловим ефектом, а також розуміють природу теплових явищ, що супроводжують хімічні перетворення

Очікувані результати для учнівства:

знають формулювання законів збереження маси та енергії
закону сталості складу, застосовують закони під час розв’язування розрахункових задач
наводять приклади повсякденного застосування законів збереження маси та енергії
розрізняють реакції за значенням теплового ефекту та розуміють природу теплових явищ, що супроводжують хімічні перетворення

План уроку

Мотивація (4 хв.).
Закон збереження маси. Закон сталості складу (12 хв.).
Закон збереження енергії (10 хв.)
Практикуємось (17 хв.).
Рефлексія (2 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 4 хв.

Завдання 1

Перегляньте демонстрацію або виконайте дослід за описаною методикою:

У мірну склянку помістіть 50 мл столового оцту (9 %-ий розчин оцтової кислоти). Перелийте відміряний об’єм оцту в скляну (або пластикову) пляшку. У повітряну кульку помістіть 2-3 чайні ложки питної соди. Обережно, не допускаючи потрапляння соди в середину пляшки, прикріпіть кульку до отвору посудини з оцтом. Зважте зібраний таким чином «пристрій» на лабораторних або кухонних вагах. Зафіксуйте визначену масу: ___________________

Висипте питну соду з повітряної кульки в середину пляшки та спостерігайте за змінами. Складіть рівняння реакції в молекулярній та йонній формах:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Після закінчення реакції знову зважте «пристрій». Запишіть нову масу: ________________. Сформулюйте гіпотезу, яка пояснить спостереження та результати вимірювання:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Спрогнозуйте, чи зміняться результати дослідження, якщо соду засипати без використання повітряної кульки, безпосередньо в пляшку:__________________________________________.

Важливо! Це спостереження ілюструє закон збереження маси.

Унаслідок хімічних реакцій одні речовини перетворюються на інші: атоми або йони початкових речовин не зникають, не з’являються нізвідки й не перетворюються з одного хімічного елемента на атоми іншого, а лише перегруповуються, утворюючи нові речовини. Сьогодні це твердження, як і результат попереднього досліду «гасіння соди», здається очевидним, про те в XVII столітті спостереження деяких науковців суперечили йому.

2. Закон збереження маси. Закон сталості складу

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 12 хв.

Ілюстрацією закону збереження маси є хімічні рівняння. Добираючи коефіцієнти в рівнянні реакції, слід пам’ятати такі правила:

коефіцієнт позначає кількість молекул, окремих атомів або формульних одиниць у рівнянні реакції;
коефіцієнт ставлять лише перед хімічною формулою;
коефіцієнт стосується всіх атомів, із яких складається молекула, перед якою він стоїть, наприклад: запис 2H₂O означає дві молекули води, у яких міститься 4 атоми Гідрогену (по два в кожній молекулі) та 2 атоми Оксигену (по одному в кожній молекулі);
коефіцієнт 1, як і індекс 1, не записують;
індекс показує кількість атомів елемента (або груп атомів) у складі молекули, а коефіцієнт — кількість окремих атомів чи молекул

Завдання 2

Попрактикуйтеся та доберіть коефіцієнти, перетворюючи наведені схеми перетворень на хімічні рівняння за покликанням https://www.liveworksheets.com/worksheet/uk/chemistry/1379460

У 1799 році французький вчений Жозеф Пруст сформулював закон сталості складу, відповідно до якого будь-яка хімічно чиста речовина має сталий якісний і кількісний склад незалежно від способу її одержання та місця знаходження в природі. Піддавши аналізу склад речовин Жозеф Пруст прийшов до висновку, що співвідношення кількостей атомів та їхніх мас у складних речовинах є сталими.

Так, відносна атомна маса Гідрогену і Оксигену відповідно дорівнює 1,008 і 15,999, звідки випливає, що співвідношення мас атомів Гідрогену і Оксигену становить 1 : 16. У молекулі води H₂O міститься два атоми Гідрогену і один атом Оксигену, отже, масове відношення Гідрогену і Оксигену в молекулі води становить:

m(H) : m(O) = 2 : 16 = 1 : 8.

І навпаки, знаючи співвідношення мас елементів, можна вивести хімічну формулу складної речовини.

Приклад 1. У молекулі одного з антиоксидантів співвідношення мас атомів хімічних елементів таке: m(C) : m(H) : m(O) = 9 : 1 : 14. Молярна маса цієї речовини в шість разів більша за молярну масу кисню. Виведіть молекулярну формулу антиоксиданту (за матеріалами комплекту ЗНО з хімії 2020 року).

Розв’язання:

Відобразимо склад молекули антиоксиданту у форматі C_xH_yO_z, де x, y та z – індекси, які відповідають співвідношенню кількості атомів Карбону, Гідрогену та Оксигену відповідно:

x : y : z = N(C) : N(H) : N(O) = n(C) : n(H) : n(O) (1)

Нехай співвідношення мас атомів елементів відповідає абсолютним значенням їхніх мас. Тобто,
- m(C) = 9 г
- m(H) = 1 г
- m(O) = 14 г.

Розрахуємо кількості речовин (у молях) кожного елемента:
- n(C) = m / M = 9 г / 12 г/моль = 3/4 моль
- n(H) = 1 г / 1 г/моль = 1 моль
- n(О) = 14 г / 16 г/моль = 7/8 моль
Підставляємо обчисленні кількості речовин у рівняння (1) та виводимо найпростішу (емпіричну) формулу:

(1) $\begin{equation*}x : y : z = \frac{3}{4} : 1 : \frac{7}{8} = 6 : 8 : 7\end{equation*}$

Найпростіша формула – С₆Н₈О₇

Відповідно до умови задачі відносна молекулярна маса антиоксиданту становить: M_r(C_xH_yO_z) = 6∙M_r(O₂) = 6∙32 = 192. Обчислимо відносну молекулярну масу, що відповідає найпростішій формулі: M_r(C₆H₈O₇) = 192. Значить найпростіша формула є молекулярною формулою антиоксиданту.

Відповідь: С₆Н₈О₇

Завдання 3.

Виведіть молекулярну формулу органічної речовини, співвідношення мас Карбону, Гідрогену та Оксигену в молекулі якої становить 18 : 3 : 4 відповідно. Відносна густина пари цієї речовини за воднем дорівнює 50 (за матеріалами комплекту ЗНО з хімії 2014 року).

3. Закон збереження енергії

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 7 хв.

Ви вже знаєте, що під час хімічних реакцій реакційна суміш може виділяти енергію в навколишнє середовище або поглинати її з нього. У більшості хімічних реакцій енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти, а в деяких у вигляді світла.

Такий енергетичний ефект перебігу хімічних перетворень є яскравою ілюстрацією закону збереження енергії, відповідно до якого енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а лише перетворюється з одного виду на інший.

Тож, під час хімічної реакції відбувається перерозподіл енергії між речовинами:

екзотермічні реакції – реакції, що супроводжується виділенням теплоти у навколишнє середовище;
ендотермічні реакції – реакції, що супроводжуються поглинанням теплоти із навколишнього середовища.

Такий тепловий ефект хімічної реакції є результатом того, що в процесі перетворення потрібно розірвати деякі наявні хімічні зв’язки речовин-реактантів та, навпаки, утворити нові зв’язки в ході утворення продуктів. Якщо переважає енергія розриву «старих» зв’язків, то реакція є ендотермічною, а якщо переважає енергія утворення «нових» зв’язків – екзотермічною:

Як ви уже знаєте, кількісно усі види взаємодій – енергія хімічних зв’язків, міжмолекулярні взаємодії тощо – у речовині визначають спеціальною величиною – ентальпією, Н (від грец. нагріваю). Абсолютне значення ентальпії речовини виміряти неможливо, а тому на практиці використовують величину, що характеризує зміну ентальпії ∆Н під час хімічних (або фізичних) перетворень. Кількість теплоти, що виділяється або поглинається у процесі перетворення становить тепловий ефект реакції, ∆Н.

Тепловий ефект реакції, ∆Н – це різниця між ентальпією (енергія хімічних зв’язків, міжмолекулярні взаємодії тощо) продуктів реакції та ентальпією реактантів:

Завдання 4.

Визначте, які з наведених термохімічних рівнянь відповідають екзотермічним процесам, а які ендотермічним?

S (тв.) + O₂ (г.) = SO₂(г.); ∆Н = –297 кДж/моль __________________________________________________
2H₂ (г.) + O₂ (г.) = 2H₂O (г.); ∆Н = –483,6 кДж/моль _____________________________________________
N₂(г.) + O₂ (г.) = 2NO (г.); ∆Н = +180,8 кДж/моль _______________________________________________
2HgO (тв.) = 2Hg (р.) + O₂(г.); ∆Н = +362,34 кДж/моль _________________________________________
H₂ (г.) + Cl₂ (г.) = 2HCl (г.); ∆Н = –184,6 кДж/моль _______________________________________________

Ознайомся з прикладом розв’язування задачі із застосуванням теплового ефекту реакції

Приклад 2. Знаючи, що тепловий ефект реакції згоряння сірки в атмосфері кисню дорівнює 297 кДж/моль, обчисліть кількість теплоти, яка виділиться під час згоряння 0,2 моль сірки.

Розв’язання:

Записуємо термохімічне рівняння реакції:

S (тв.) + O₂(г.) = SO₂ (г.); ∆H = –297 кДж/моль.

Відповідно до термохімічного рівняння 1 моль (коефіцієнт у рівнянні реакції) сірки при згорянні виділяє 297 кДж теплоти.

Виникає питання, а скільки теплоти виділиться під час згоряння 0,2 моль цієї речовини?

Складаємо пропорцію:

1 моль — 297 кДж;

0,2 моль — Q кДж.

Визначаємо Q:

(2) $\begin{equation*}Q = \frac{0,2 \text{ моль} \cdot 297 \text{ кДж}}{1 \text{ моль}} = 59,4 \text{ кДж}\end{equation*}$

Відповідь: виділиться 59,4 кДж теплоти.

Приклад 3. Обчисліть масу вуглецю, який згоряє в атмосфері кисню, якщо під час згоряння виділяється 1967,5 кДж теплоти. Тепловий ефект реакції дорівнює 393,5 кДж/моль.

Розв’язання:

Записуємо рівняння реакції, указуємо тепловий ефект:

С (тв.) + O₂(г.) = СO₂(г.); ∆H = –393,5 кДж/моль.

Енергія, що відповідає тепловому ефекту реакції, виділяється під час згоряння 1 моль вуглецю. А тому складемо пропорцію:

1 моль — 393,5 кДж;

n(C) моль — 1967,5 кДж.

Визначимо кількість речовини вуглецю:

(3) $\begin{equation*}n(C) = \frac{1 \text{ моль} \cdot 1967,5 \text{ кДж}}{393,5 \text{ кДж}} = 5 \text{ моль}\end{equation*}$

Розрахуємо масу вуглецю:

(4) $\begin{equation*}m(C) = n \cdot M = 5 \text{ моль} \cdot 12 \frac{\text{г}}{\text{моль}} = 60 \text{ г}\end{equation*}$

Відповідь: згоряє 60 г вуглецю.

4. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 17 хв.

Виконуємо вправи і завдання.

4.1. Юні хіміки Артемка та Іванко у лабораторії досліджували процес поглинання вуглекислого газу вапняною водою. Для досліду вони підготували насичений розчин кальцій гідроксиду. Потім крізь скляну трубку, опущено у вапняну воду, пропускали багате на вуглекислий газ повітря, що видихали з власних легень. Через певні проміжки часу вимірювали масу посудини з вапняною водою. Результати заносили в таблицю:

Час,с	0	30	60	120	240
Маса розчину, г	200	200,17	200,22	200,33	200,40

4.1.1. Складіть рівняння хімічних реакцій, які відбуваються в процесі досліду, якщо перетворення представляє собою дві послідовні реакції, в результаті яких спочатку утворюється малорозчинна середня сіль, а потім розчинна кисла сіль:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

4.1.2. Обчисліть масову частку (у %) кальцій гідроксиду у вапняній воді, якщо розчинність кальцій гідроксиду за 20 °С становить 0,185 г на 100 води.

4.1.3. Розрахуйте масу солі (г), утвореної в результаті пропускання вуглекислого газу протягом перших 30 с.

4.1.4. Обчисліть максимальний об’єм (за н. у.) вуглекислого газу, який може бути поглинутий таким розчином вапняної води.

4.1.5. Визначте масу середньої солі (г), утвореної в результаті пропускання вуглекислого газу протягом 240 с.

4.2. Героїня світового бестселера «Уроки хімії» (авт. Бонні Гармус) хімікиня Елізабет Зотт у якості прикладу «молекули щастя» запропонувала поліпептид, структурна формула якого має вигляд:

4.2.1. Обчисліть та укажіть молярну масу (г/моль) «молекули щастя».

4.2.2. Визначте та укажіть співвідношення мас атомів Карбону, Гідрогену, Сульфуру, Нітрогену та Оксигену в «молекулі щастя».

4.3. Запишіть термохімічні рівняння за їхнім описом:
- Під час згоряння магнію в атмосфері повітря, що містить 1 моль кисню, виділяється 1205 кДж теплоти.
- Під час утворення взаємодії 1 моль водню із достатньою кількістю хлору з утворенням хлороводню виділяється 184 кДж теплоти.

Молекулярна формула – C₄₃H₆₅N₁₁O₁₂S₂

М(C₄₃H₆₅N₁₁O₁₂S₂) = 991 г/моль

m(C) : m(H) : m(S) : m(N) : m(O) = 516 : 65 : 154 : 192 : 64

4.4. За термохімічним рівнянням синтезу амоніаку N₂ (г.) + 3H₂ (г.) = 2NH₃ (г.); ∆Н = -92 кДж/моль. Обчисліть, скільки теплоти виділиться під час:

а) витрачання азоту об’ємом 22,4 л (за н. у.)

б) утворення амоніаку масою 34 г

5. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 2 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Пропонуємо учням завершити речення:

Сьогодні я дізнався…
Тепер я розрізняю реакції…
У повсякденному житті закон збереження маси / енергії / сталості складу речовини діє, коли…

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 7. Закон збереження маси речовин. Закон збереження енергії. Закон сталості складу

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Мета уроку: пригадати формулювання законів збереження маси, сталості складу речовини та збереження енергії, навчитися виводити молекулярну формулу складної сполуки за відомим співвідношенням мас атомів елементів, з якої вона складається, попрактикуватися у розв’язуванні розрахункових задач на застосування законів збереження маси та енергії.

Очікувані результати для учнівства:

Я розумію поняття закону.
Я знаю формулювання законів збереження маси та енергії, а також практичне значення закону сталості складу речовини.
Я розв’язую задачі на обчислення із застосуванням законів збереження маси та енергії, умію виводити найпростішу формулу складної речовини за відомим співвідношенням мас елементів, що її утворюють.

План уроку

Мотивація (4 хв.).
Закон збереження маси. Закон сталості складу (12 хв.).
Закон збереження енергії (10 хв.)
Практикуємось (17 хв.).
Рефлексія (2 хв.).