Prawo zachowania masy mówi, że w układzie zamkniętym łączna masa substratów jest równa łącznej masie produktów, dlatego masa przed reakcją i po reakcji pozostaje taka sama.
To prawo wydaje się oczywiste, ale większość błędów w zadaniach bierze się z porównywania mas w układzie otwartym. Wyjaśniam, kiedy prawo zachowania masy działa, jak liczyć brakującą masę i czym różni się od prawa stałości składu.
Czym jest prawo zachowania masy?
Prawo zachowania masy stwierdza, że w układzie zamkniętym lub izolowanym całkowita masa nie ulega zmianie podczas przemian fizycznych i reakcji chemicznych. W chemii najczęściej formułuje się je tak: łączna masa substratów równa się łącznej masie produktów.
Przykładowo, jeśli w zamkniętym naczyniu przereaguje 4 g wodoru z 32 g tlenu, to powstanie 36 g wody. Nie ma tu utraty ani przyrostu masy, chociaż substancje na końcu wyglądają zupełnie inaczej niż na początku.
Układ zamknięty, otwarty i izolowany – różnice
Warunek dotyczący układu jest ważniejszy niż sama definicja, bo to on decyduje, czy porównanie mas ma sens. W praktyce wyróżnia się trzy typy układów.
- Układ otwarty – wymienia masę i energię z otoczeniem, dlatego obserwowana masa naczynia może się zmienić.
- Układ zamknięty – nie wymienia masy, może wymieniać energię, to typowy przypadek w zadaniach szkolnych.
- Układ izolowany – nie wymienia ani masy, ani energii, jest idealizacją rzadko osiąganą w praktyce.
W chemii szkolnej najczęściej wystarcza układ zamknięty. W fizyce czasem używa się układu izolowanego, żeby podkreślić stałość masy w całkowicie odciętym modelu. Prawo zachowania masy odnosi się również do przemian fizycznych, a nie tylko do reakcji chemicznych.
Dlaczego masa reagentów się nie zmienia?
Wyjaśnienie jest proste. W reakcji chemicznej atomy nie znikają i nie powstają z niczego. Zmienia się tylko sposób, w jaki są ze sobą połączone. Liczba atomów każdego pierwiastka po stronie substratów i produktów pozostaje taka sama.
To dlatego masa całego układu nie może się zmienić. Z tej samej liczby atomów o takich samych masach otrzymujemy po reakcji dokładnie taką samą łączną masę, choć inaczej rozłożoną między poszczególne substancje.
Prawo dotyczy masy całego układu, a nie masy pojedynczej substancji. W zadaniu należy sumować wszystkie substraty i wszystkie produkty, a nie tylko wybrane składniki.
Jak obliczyć brakującą masę substratu lub produktu?
Najczęstsze zastosowanie prawa to proste równanie bilansu masy. Jeśli znasz masy wszystkich substratów, suma mas produktów musi być taka sama.
Oto przykład. W zamkniętym naczyniu w reakcji węgla z tlenem powstało 44 g tlenku węgla(IV), a masa węgla wynosiła 12 g. Równanie wygląda tak: 12 g węgla plus x g tlenu dają 44 g produktu.
Obliczenie jest proste: x = 44 g – 12 g = 32 g. Zużyto więc 32 g tlenu. Zanim wykonasz takie obliczenie, upewnij się, że układ jest zamknięty i że uwzględniasz wszystkie składniki po obu stronach reakcji.
Co z gazami i reakcjami w otwartym naczyniu?
Reakcje z wydzieleniem gazu są najczęstszym źródłem pozornego naruszenia prawa. Jeśli prowadzisz reakcję w otwartym naczyniu i ulatnia się dwutlenek węgla, masa zawartości maleje. To nie znaczy, że masa zniknęła. Oznacza tylko, że gaz opuścił układ.
W zamkniętej butelce ta sama reakcja zachowa stałą masę, bo gaz pozostanie w środku. Dlatego zanim wyciągniesz wniosek, sprawdź, co dokładnie wchodzi do układu i co z niego wychodzi.
Podobna zasada dotyczy dopływu materii. Jeśli do układu coś wpływa, masa może wzrosnąć, ale to nadal nie łamie prawa zachowania masy dla całego układu uwzględniającego ten przepływ.
Wydzielający się gaz nie jest wyjątkiem od prawa. Jest tylko sygnałem, że układ nie był zamknięty albo że zapomniałeś uwzględnić część masy.
Prawo zachowania masy a prawo stałości składu
Te dwa prawa bywają omawiane razem, ale odpowiadają na inne pytania. Prawo zachowania masy dotyczy sumy mas w reakcji. Prawo stałości składu dotyczy proporcji pierwiastków w konkretnym związku chemicznym.
| Cecha | Prawo zachowania masy | Prawo stałości składu |
|---|---|---|
| Opisuje | całkowitą masę substratów i produktów | stały stosunek masowy pierwiastków w związku |
| Przydatne w | zadaniach bilansowych z reakcjami | analizie składu i wzorach związków |
| Częsty błąd | stosowanie do układu otwartego | traktowanie jak prawa zachowania masy |
Przykład różnicy. Woda zawsze ma ten sam stosunek masowy wodoru do tlenu, co wynika z prawa stałości składu. Natomiast to, że masa całej mieszaniny wodoru i tlenu przed reakcją równa się masie powstałej wody, to właśnie prawo zachowania masy.
FAQ – pytania i odpowiedzi
Na czym polega prawo zachowania masy?
W układzie zamkniętym łączna masa substratów jest równa łącznej masie produktów.
W jakim układzie obowiązuje to prawo?
W układzie zamkniętym, a w ujęciu fizycznym także w układzie izolowanym.
Czy masa może zniknąć podczas reakcji chemicznej?
Nie w układzie zamkniętym. Masa tylko zmienia postać, nie przestaje istnieć.
Czy prawo działa, gdy wydziela się gaz?
Tak, jeśli gaz pozostaje w układzie. Jeśli ucieka do otoczenia, układ nie jest zamknięty.
Czy to samo co prawo stałości składu?
Nie, to dwa odrębne prawa. Jedno dotyczy sumy mas, drugie stałego składu związku.
Co zrobić, gdy masa w doświadczeniu nie zgadza się z obliczeniami?
Zamiast szukać wyjątku od prawa, sprawdź kilka rzeczy po kolei. Zwykle problem tkwi w granicach układu albo w niekompletnym bilansie.
- Określ, co dokładnie stanowi układ i czy nie wymienia masy z otoczeniem.
- Zsumuj masy wszystkich substratów, także tych w roztworach i gazowych.
- Zsumuj masy wszystkich produktów, nie pomijając osadu ani pary.
- Sprawdź, czy nie pomyliłeś prawa z prawem stałości składu, bo ono odpowiada na inne pytanie.
Jeżeli po tych korektach wynik nadal się nie zgadza, najprawdopodobniej część masy dostała się z zewnątrz albo opuściła układ, a naczynie nie było szczelne.
Pełna izolacja jest w praktyce rzadko osiągalna. W rzeczywistych doświadczeniach częściej mówimy o układzie zamkniętym, a przy małych różnicach masy pierwsze podejrzenie kieruj na nieszczelność i ucieczkę gazu.