กฎการอนุรักษ์สสาร: การทดลองและตัวอย่าง - เคมี - 2025

กฎหมายของการอนุรักษ์ของเรื่องหรือมวลเป็นหนึ่งที่กำหนดว่าในการทำปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ไม่ว่าจะไม่สร้างหรือทำลาย กฎนี้ตั้งอยู่บนพื้นฐานของข้อเท็จจริงที่ว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้ในปฏิกิริยาประเภทนี้ ในขณะที่อยู่ในปฏิกิริยานิวเคลียร์อะตอมจะถูกแยกส่วนซึ่งเป็นสาเหตุที่ไม่ถือว่าเป็นปฏิกิริยาเคมี

ถ้าอะตอมไม่ถูกทำลายเมื่อธาตุหรือสารประกอบทำปฏิกิริยาจำนวนอะตอมก่อนและหลังปฏิกิริยาจะต้องคงที่ ซึ่งแปลเป็นมวลคงที่ระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง

ปฏิกิริยาเคมีระหว่าง A และ B2 ที่มา: Gabriel Bolívar

เป็นเช่นนี้เสมอหากไม่มีการรั่วไหลที่ทำให้สูญเสียวัสดุ แต่ถ้าเครื่องปฏิกรณ์ปิดสนิทอะตอมจะไม่ "หายไป" ดังนั้นมวลที่มีประจุจะต้องเท่ากับมวลหลังปฏิกิริยา

หากผลิตภัณฑ์เป็นของแข็งในทางกลับกันมวลของมันจะเท่ากับผลรวมของสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัว สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับผลิตภัณฑ์ที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ แต่มีแนวโน้มที่จะทำผิดพลาดมากกว่าเมื่อวัดมวลที่เกิดขึ้น

กฎหมายนี้เกิดจากการทดลองในหลายศตวรรษที่ผ่านมาซึ่งได้รับความเข้มแข็งจากการมีส่วนร่วมของนักเคมีที่มีชื่อเสียงหลายคนเช่น Antoine Lavoisier

พิจารณาปฏิกิริยาระหว่าง A และ B ₂เพื่อสร้าง AB ₂ (ภาพบนสุด) ตามกฎการอนุรักษ์สสารมวลของ AB ₂จะต้องเท่ากับผลรวมของมวลของ A และ B ₂ตามลำดับ ดังนั้นหาก 37g ของ A ทำปฏิกิริยากับ 13g ของ B ₂ผลิตภัณฑ์ AB ₂จะต้องมีน้ำหนัก 50g

ดังนั้นในสมการเคมีมวลของสารตั้งต้น (A และ B ₂ ) จะต้องเท่ากับมวลของผลิตภัณฑ์ (AB ₂ ) เสมอ

ตัวอย่างที่คล้ายกันมากกับที่อธิบายไว้คือการก่อตัวของออกไซด์ของโลหะเช่นสนิมหรือสนิม สนิมหนักกว่าเหล็ก (แม้ว่าจะดูไม่เหมือนก็ตาม) เนื่องจากโลหะทำปฏิกิริยากับมวลของออกซิเจนเพื่อสร้างออกไซด์

กฎการอนุรักษ์สสารหรือมวลคืออะไร?

กฎนี้ระบุว่าในปฏิกิริยาทางเคมีมวลของสารตั้งต้นจะเท่ากับมวลของผลิตภัณฑ์ กฎหมายระบุไว้ในวลี "สสารไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายทุกสิ่งจะถูกเปลี่ยน" ตามที่ Julius Von Mayer (1814-1878) บัญญัติไว้

กฎหมายนี้ได้รับการพัฒนาโดยอิสระโดย Mikhail Lamanosov ในปี 1745 และโดย Antoine Lavoisier ในปี 1785 แม้ว่างานวิจัยของ Lamanosov จะทำงานเกี่ยวกับ Law of the Conservation of Mass ที่มีมาก่อน Lavoisier's แต่ก็ไม่เป็นที่รู้จักในยุโรป สำหรับการเขียนเป็นภาษารัสเซีย

การทดลองที่ดำเนินการในปี 1676 โดย Robert Boyle ทำให้พวกเขาชี้ให้เห็นว่าเมื่อวัสดุถูกเผาในภาชนะเปิดวัสดุจะมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากวัสดุเอง

การทดลองของ Lavoiser เกี่ยวกับการเผาวัสดุในภาชนะที่มีปริมาณอากาศ จำกัด แสดงให้เห็นว่าน้ำหนักตัวเพิ่มขึ้น ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับที่ Boyle ได้รับ

ผลงานของ Lavoisier

อย่างไรก็ตามข้อสรุปของ Lavoisier นั้นแตกต่างออกไป เขาคิดว่าในระหว่างการเผาจะมีการสกัดมวลจำนวนหนึ่งออกจากอากาศซึ่งจะอธิบายถึงการเพิ่มขึ้นของมวลที่สังเกตได้ในวัสดุที่อยู่ภายใต้การเผา

Lavoiser เชื่อว่ามวลของโลหะคงที่ในระหว่างการเผาและการลดลงของการเผาในภาชนะปิดไม่ได้เกิดจากการลดลงของแนวคิดที่หลวม (แนวคิดที่ไม่ใช้แล้ว) ซึ่งเป็นสาระสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการผลิตความร้อน

Lavoiser ชี้ให้เห็นว่าการลดลงที่สังเกตได้เกิดจากการลดลงของความเข้มข้นของก๊าซในภาชนะปิด

กฎนี้ใช้ในสมการเคมีอย่างไร?

กฎการอนุรักษ์มวลมีความสำคัญเหนือชั้นใน stoichiometry ซึ่งหมายถึงการคำนวณความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ในปฏิกิริยาเคมี

หลักการของ stoichiometry ได้รับการตีพิมพ์ในปี 1792 โดยJeremías Benjamin Richter (1762-1807) ซึ่งกำหนดให้เป็นวิทยาศาสตร์ที่วัดสัดส่วนเชิงปริมาณหรือความสัมพันธ์ของมวลขององค์ประกอบทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา

ในปฏิกิริยาเคมีมีการดัดแปลงสารที่มีส่วนร่วม เป็นที่สังเกตว่ามีการใช้สารตั้งต้นหรือสารตั้งต้นเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์

ในระหว่างปฏิกิริยาเคมีมีการแตกของพันธะระหว่างอะตอมเช่นเดียวกับการสร้างพันธะใหม่ แต่จำนวนอะตอมที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยายังคงไม่เปลี่ยนแปลง นี่คือสิ่งที่เรียกว่ากฎการอนุรักษ์สสาร

หลักการพื้นฐาน

กฎหมายนี้กล่าวเป็นนัยถึงหลักการพื้นฐานสองประการ:

- จำนวนอะตอมทั้งหมดของแต่ละชนิดมีค่าเท่ากันในสารตั้งต้น (ก่อนเกิดปฏิกิริยา) และในผลิตภัณฑ์ (หลังปฏิกิริยา)

- ผลรวมของประจุไฟฟ้าก่อนและหลังปฏิกิริยายังคงที่

เนื่องจากจำนวนอนุภาคย่อยของอะตอมยังคงคงที่ อนุภาคเหล่านี้คือนิวตรอนที่ไม่มีประจุไฟฟ้าโปรตอนที่มีประจุบวก (+) และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ (-) ดังนั้นประจุไฟฟ้าจึงไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างปฏิกิริยา

สมการทางเคมี

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้นเมื่อแสดงปฏิกิริยาเคมีโดยใช้สมการ (เช่นเดียวกับในภาพหลัก) ต้องเคารพหลักการพื้นฐาน สมการทางเคมีใช้สัญลักษณ์หรือตัวแทนขององค์ประกอบหรืออะตอมที่แตกต่างกันและวิธีการจัดกลุ่มเป็นโมเลกุลก่อนหรือหลังปฏิกิริยา

สมการต่อไปนี้จะถูกใช้อีกครั้งเป็นตัวอย่าง:

A + B ₂ => AB ₂

ตัวห้อยคือตัวเลขที่วางอยู่ทางด้านขวาขององค์ประกอบ (B ₂และ AB ₂ ) ที่ด้านล่างซึ่งระบุจำนวนอะตอมขององค์ประกอบที่มีอยู่ในโมเลกุล ตัวเลขนี้ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้หากไม่มีการสร้างโมเลกุลใหม่ที่แตกต่างไปจากเดิม

สัมประสิทธิ์สโตอิชิโอเมตริก (1 ในกรณีของ A และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ) คือตัวเลขที่อยู่ทางด้านซ้ายของอะตอมหรือโมเลกุลซึ่งบ่งบอกถึงจำนวนของพวกมันที่มีส่วนในปฏิกิริยา

ในสมการทางเคมีถ้าปฏิกิริยากลับไม่ได้จะมีการวางลูกศรเดียวซึ่งระบุทิศทางของปฏิกิริยา หากปฏิกิริยาย้อนกลับได้จะมีลูกศรสองลูกในทิศทางตรงกันข้าม ทางด้านซ้ายของลูกศรคือสารตั้งต้นหรือสารตั้งต้น (A และ B ₂ ) ส่วนทางด้านขวาคือผลิตภัณฑ์ (AB ₂ )

ที่แกว่ง

การปรับสมดุลสมการทางเคมีเป็นขั้นตอนที่ทำให้จำนวนอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่มีอยู่ในสารตั้งต้นเท่ากับผลิตภัณฑ์ได้

กล่าวอีกนัยหนึ่งจำนวนอะตอมของแต่ละองค์ประกอบจะต้องเท่ากันทางด้านสารตั้งต้น (ก่อนลูกศร) และด้านผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (หลังลูกศร)

กล่าวกันว่าเมื่อปฏิกิริยามีความสมดุลกฎแห่งการกระทำมวลชนจะได้รับการเคารพ

ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องสร้างสมดุลระหว่างจำนวนอะตอมและประจุไฟฟ้าทั้งสองด้านของลูกศรในสมการเคมี ในทำนองเดียวกันผลรวมของมวลของสารตั้งต้นต้องเท่ากับผลรวมของมวลของผลิตภัณฑ์

สำหรับกรณีของสมการที่เป็นตัวแทนมันมีความสมดุลอยู่แล้ว (จำนวน A และ B เท่ากันทั้งสองด้านของลูกศร)

การทดลองที่พิสูจน์กฎหมาย

การเผาโลหะ

Lavoiser สังเกตการเผาโลหะเช่นตะกั่วและดีบุกในภาชนะปิดที่มีอากาศเข้า จำกัด สังเกตว่าโลหะถูกปกคลุมด้วยการเผา และยิ่งไปกว่านั้นน้ำหนักของโลหะในช่วงเวลาที่กำหนดของการให้ความร้อนจะเท่ากับน้ำหนักเริ่มต้น

เนื่องจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะสังเกตได้เมื่อเผาโลหะ Lavoiser จึงคิดว่าน้ำหนักส่วนเกินที่สังเกตได้สามารถอธิบายได้จากมวลบางอย่างที่ถูกกำจัดออกจากอากาศในระหว่างการเผา ด้วยเหตุนี้มวลจึงคงที่

ข้อสรุปนี้ซึ่งสามารถพิจารณาได้ด้วยพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่สมเหตุสมผลนั้นไม่เป็นเช่นนั้นโดยคำนึงถึงความรู้ที่ Lavoiser มีเกี่ยวกับการมีอยู่ของออกซิเจนในเวลาที่เขาประกาศใช้กฎหมายของเขา (1785)

การปลดปล่อยออกซิเจน

Carl Willhelm Scheele ค้นพบออกซิเจนในปี 1772 ต่อมา Joseph Priesley ได้ค้นพบโดยอิสระและตีพิมพ์ผลการวิจัยของเขาสามปีก่อนที่ Scheele จะเผยแพร่ผลการวิจัยของเขาเกี่ยวกับก๊าซชนิดเดียวกันนี้

Priesley ให้ความร้อนปรอทมอนอกไซด์และรวบรวมก๊าซที่ช่วยเพิ่มความสว่างของเปลวไฟ นอกจากนี้เมื่อหนูถูกวางไว้ในภาชนะที่มีแก๊สพวกมันก็มีความกระตือรือร้นมากขึ้น Priesley เรียกก๊าซนี้ว่า dephlogistized

Priesley รายงานการสังเกตของเขาต่อ Antoine Lavoiser (1775) ซึ่งการทดลองของเขาซ้ำแล้วซ้ำอีกแสดงให้เห็นว่าก๊าซถูกพบในอากาศและในน้ำ Lavoiser ยอมรับว่าก๊าซเป็นองค์ประกอบใหม่โดยตั้งชื่อให้ว่าออกซิเจน

เมื่อ Lavoisier ใช้เป็นข้อโต้แย้งในการระบุกฎหมายของเขาว่ามวลส่วนเกินที่สังเกตได้ในการเผาโลหะนั้นเกิดจากสิ่งที่สกัดจากอากาศเขาคิดถึงออกซิเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบที่รวมกับโลหะในระหว่างการเผา

ตัวอย่าง (แบบฝึกหัด)

การสลายตัวของสารปรอทโมโนออกไซด์

ถ้า 232.6 ของปรอทมอนอกไซด์ (HgO) ถูกทำให้ร้อนจะสลายตัวเป็นปรอท (Hg) และโมเลกุลออกซิเจน (O ₂ ) ตามกฎการอนุรักษ์มวลและน้ำหนักอะตอม: (Hg = 206.6 g / mol) และ (O = 16 g / mol) ระบุมวลของ Hg และ O ₂ที่ก่อตัวขึ้น

HgO => Hg + O ₂

232.6 ก. 206.6 ก. 32 ก

การคำนวณนั้นตรงไปตรงมามากเนื่องจากมีการย่อยสลาย HgO เพียงหนึ่งโมล

การเผาสายพานแมกนีเซียม

การเผาริบบิ้นแมกนีเซียม ที่มา: ร.อ. John Yossarian จาก Wikimedia Commons

ริบบิ้นแมกนีเซียม 1.2 กรัมถูกเผาในภาชนะปิดที่มีออกซิเจน 4 กรัม หลังจากเกิดปฏิกิริยาแล้วออกซิเจนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยายังคงอยู่ 3.2 กรัม เกิดแมกนีเซียมออกไซด์มากแค่ไหน?

สิ่งแรกที่ต้องคำนวณคือมวลของออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยา สามารถคำนวณได้อย่างง่ายดายโดยใช้การลบ:

มวลของ O ₂ที่ทำปฏิกิริยา = มวลเริ่มต้นของ O ₂ - มวลสุดท้ายของ O ₂

(4 - 3.2) ก. ₂

0.8 ก. ₂

ตามกฎการอนุรักษ์มวลสามารถคำนวณมวลของ MgO ที่เกิดขึ้นได้

มวลของ MgO = มวลของ Mg + มวลของ O

1.2 ก. + 0.8 ก

2.0 กรัม MgO

แคลเซียมไฮดรอกไซด์

แคลเซียมออกไซด์ (CaO) มวล 14 กรัมทำปฏิกิริยากับน้ำ 3.6 กรัม (H ₂ O) ซึ่งถูกใช้อย่างสมบูรณ์ในปฏิกิริยาเพื่อสร้างแคลเซียมไฮดรอกไซด์ 14.8 กรัม Ca (OH) ₂ :

แคลเซียมออกไซด์มีปฏิกิริยาอย่างไรจึงจะเกิดแคลเซียมไฮดรอกไซด์?

แคลเซียมออกไซด์เหลืออยู่เท่าไหร่?

ปฏิกิริยาสามารถสรุปได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

CaO + H ₂ O => Ca (OH) ₂

สมการมีความสมดุล ดังนั้นจึงเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์มวล

มวลของ CaO ที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา = มวลของ Ca (OH) ₂ - มวลของ H ₂ O

14.8 ก. - 3.6 ก

11.2 ก. CaO

ดังนั้น CaO ที่ไม่ตอบสนอง (อันที่เหลือ) จะถูกคำนวณโดยการลบ:

มวลของ CaO ส่วนเกิน = มวลที่มีอยู่ในปฏิกิริยา - มวลที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา

14 ก. CaO - 11.2 ก. CaO

2.8 กรัม CaO

ทองแดงออกไซด์

ทองแดงออกไซด์ (CuO) จะเกิดขึ้นได้เท่าใดเมื่อทองแดง (Cu) 11 กรัมทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (O ₂ ) อย่างสมบูรณ์? ต้องการออกซิเจนเท่าใดในการทำปฏิกิริยา?

ขั้นตอนแรกคือการปรับสมดุลของสมการ สมการสมดุลมีดังนี้:

2Cu + O ₂ => 2CuO

สมการมีความสมดุลดังนั้นจึงเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์มวล

น้ำหนักอะตอมของ Cu เท่ากับ 63.5 g / mol และน้ำหนักโมเลกุลของ CuO เท่ากับ 79.5 g / mol

จำเป็นต้องกำหนดปริมาณ CuO ที่เกิดขึ้นจากการเกิดออกซิเดชันที่สมบูรณ์ของ Cu 11 กรัม:

มวล CuO = (11 g Cu) ∙ (1mol Cu / 63.5 g Cu) ∙ (2 mol CuO / 2mol Cu) ∙ (79.5 g CuO / mol CuO)

มวลของ CuO เกิดขึ้น = 13.77 g

ดังนั้นความแตกต่างของมวลระหว่าง CuO และ Cu จึงให้ปริมาณออกซิเจนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา:

มวลออกซิเจน = 13.77 ก. - 11 ก

1.77 ก. ₂

การก่อตัวของโซเดียมคลอไรด์

มวลของคลอรีน (Cl ₂ ) 2.47 กรัมถูกทำปฏิกิริยากับโซเดียม (Na) ที่เพียงพอและโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) 3.82 กรัม Na มีปฏิกิริยาอย่างไร?

สมการสมดุล:

2Na + Cl ₂ => 2NaCl

ตามกฎการอนุรักษ์มวล:

มวลของ Na = มวลของ NaCl - มวล Cl ₂

3.82 ก. - 2.47 ก

1.35 กรัม Na

อ้างอิง

1. Flores, J. Química (2002). กองบรรณาธิการ Santillana
2. วิกิพีเดีย (2018) กฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์สสาร สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
3. สถาบันโปลีเทคนิคแห่งชาติ. (เอสเอฟ) กฎการอนุรักษ์มวล. CGFIE กู้คืนจาก: aev.cgfie.ipn.mx
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (18 มกราคม 2562). กฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์มวล. สืบค้นจาก: thoughtco.com
5. Shrestha B. (18 พฤศจิกายน 2018). กฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์สสาร เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org