016 – Zákon zachování hmotnosti

Zákon zachování hmotnosti říká, že hmotnost není při chemické reakci ani tvořena, ani ničená: atomy přítomné před reakcí jsou přesně tytéž atomy, které jsou přítomny po ní, pouze jsou přeskupeny do jiných molekul. Antoine Laurent de Lavoisier tento princip formuloval v 80. letech 18. století vážením uzavřených reakčních nádob, a je to důvod, proč musí být každá chemická rovnice vyčíslena a proč průmyslový chemik dokáže předem předpovědět hmotnost produktu, kterou proces poskytne.

Dokázat tento zákon je těžší, než to zní, protože reakce, při které se uvolňuje plyn, se zdá ztrácet hmotnost, když probíhá v otevřené nádobě. Hmotnost nezmizela – jednoduše opustila misku vah. Zákon zachování lze proto prokázat pouze v zavřeno systém, v němž je každý produkt, včetně plynů, zadržen a zvážen se vším ostatním. Tento jediný experimentální požadavek je ústřední myšlenkou této laboratoře.

Zákon otestujete dvakrát pomocí dvou reakcí, které se chovají velmi odlišně. V části A reaguje jedlá soda s kyselinou octovou a uvolňuje oxid uhličitý; plyn se zachytí do gumového balónku nasazeného na hrdlo Erlenmeyerovy baňky a svorka na hrdle balónku umožňuje po skončení reakce zvážit zachycený plyn samostatně. V části B se smíchají roztoky chloridu vápenatého a uhličitanu sodného a vytvoří se pevná sraženina uhličitanu vápenatého; z kádinky nemůže nic uniknout, takže hmotnostní bilance přesně vychází. V každém případě zvážíte systém před reakcí a po ní, porovnáte součty a zdůvodníte případný zjištěný rozdíl.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Před zahájením vyhledejte a identifikujte elektronické váhy, váženku, odměrný válec, 250ml Erlenmeyerovu baňku, dvě 50ml kádinky, gumový balónek a dřevěnou svorku a rozeznajte, která část aparatury tvoří uzavřený systém.

Použití ochranných prostředků

• Při manipulaci s 1M kyselinou octovou a oběma roztoky solí používejte rukavice a ochranu očí a zvládněte reakci, která vytváří tlak uvnitř uzavřené nádoby, aniž byste umožnili oddělení balónku od baňky.

Sestavování a testování uzavřeného systému

• Sestavte plynotěsnou reakční nádobu z baňky, balónku a svorky a vysvětlete, proč by táž reakce probíhající v otevřené baňce vypadala, že porušuje zákon zachování hmotnosti.
• Zvažte balón a zachycený plyn zvlášť, abyste mohli přímo změřit hmotnost plynného produktu.

Kvantitativní váhová technika

• Použijte správně funkci tara, aby vážená lodička nepřispívala k zaznamenané hmotnosti prášku, a zaznamenejte každou hmotnost s plnou přesností, kterou váha udává (0,01 g).
• Zvažte celý systém jako jediný objekt a uvědomte si, že svorka, baňka, balónkový uzávěr, reaktanty a vnitřní vzduch tvoří součást celku.

Stöchiometrie a limitní reaktant

• Převést objem a koncentraci na látkové množství, určit, který ze dvou reaktantů se spotřebuje jako první, a předpovědět hmotnost plynu nebo sraženiny, kterou může reakce produkovat.

Interpretace hmotové bilance

• Porovnejte naměřený hmotnostní rozdíl s přesností přístroje a rozhodněte, zda nesrovnalost představuje skutečnou ztrátu hmoty, nebo běžný rozptyl měření.

Protokol

Část A: Reakce mezi hydrogenuhličitanem sodným a kyselinou octovou

1. Zvažte gumový balónek na váze.
2. Pomocí odvážecí lodičky odvažte přibližně 2,2 g hydrogenuhličitanu sodného (NaHCO₃).
3. Vážený prášek vložte do gumového balónku.
4. Připevněte dřevěnou svorku k podstavci baňky.
5. Odměřte 25 ml kyseliny octové (CH₃Změřte 1M roztok kyseliny šťavelové v odměrném válci a nalijte jej do Erlenmeyerovy baňky.
6. Připevněte balónek k hrdlu Erlenmeyerovy baňky, přičemž dbejte na to, aby se pevná látka nedostala do kapaliny.
7. Zvažte systém (balónek, svorka, Erlen­meyerova baňka a dvě reaktanty) před reakcí. Hmotnost naleznete v tabulce výsledků.
8. Odpojte klip od balónku.
9. Stlačením skleněné tyčinky na balónek nechte pevný materiál spadnout do Erlenmeyerovy baňky.
10. Roztok jemně protřepávejte, dokud se úplně nerozpustí, otáčením baňky zleva doprava.
11. Připevněte svorku k základně balónku.
12. Zvažte systém znovu, až bude reakce dokončena. Hmotnost najdete v tabulce výsledků.
13. Odpojte balón od Erlenmeyerovy baňky a ponechte svorku připevněnou k základně balónu.
14. Zvažte balónek s připevněnou svorkou.

Část B: Reakce dichloridu vápenatého s uhličitanem sodným

1. Odeberte 15 ml 1M roztoku chloridu vápenatého (CaCl₂) roztok v odměrném válci.
2. Nalijte roztok do 50ml kádinky 1.
3. Zvažte kádinku 1 na váze.
4. Odměřte 15 ml 1M roztoku uhličitanu sodného (Na2CO₃) roztok pomocí odměrného válce.
5. Nalejte roztok do kádinky 2 o objemu 50 ml.
6. Zvažte kádinku 2 na váze.
7. Nalejte obsah kádinky 1 do kádinky 2.
8. Zamíchejte obsah kádinky 2 skleněnou tyčinkou.
9. Zvažte kádinku 2 po reakci a zaznamenejte hmotnost do tabulky výsledků.

Předvídané výsledky

Část A – jedlá soda a kyselina octová v uzavřené baňce

Reakce je kyselo-uhličitanová reakce, která produkuje oxid uhličitý, vodu a octan sodný:

NaHCO₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Oba reaktanty jsou přítomny v srovnatelném množství, takže omezující reaktant musí být identifikován předtím, než lze předpovědět jakoukoliv hmotnost produktu. Pro kyselinu platí n = c × V = 1,00 mol/l × 0,0250 l = 0,0250 mol. Pro uhličitan platí n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mol. Kyselina octová reaguje jako první, takže určuje rozsah reakce: 0,0250 mol CO₂ vzniká o hmotnosti m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Na dně baňky zůstává zhruba 0,0012 mol (0,10 g) zreagovaného hydrogenuhličitanu sodného.

V kroku 14 se tento plyn izoluje. Odečteme-li od konečné hmotnosti balonek a svorku, zjistíme, že v balonku zůstalo 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g plynu, zatímco stechiometrie předpokládá 1,10 g. Tyto dvě hodnoty se shodují s odchylkou přibližně 8 %. Důležitým bodem je srovnání hodnot 237,09 g a 237,12 g: kdyby byla stejná reakce provedena v otevřené baňce, uniklo by asi 1,10 g a váha by ukázala ztrátu zhruba 0,47 % z celkového množství — malou, ale mnohem větší než odchylka 0,03 g při měření v uzavřeném systému, a snadno by se to mohlo zaměnit za porušení zákona.

Část B — chlorid vápenatý a uhličitan sodný v otevřené kádince

Jedná se o srážecí reakci (reakci výměny), která je poháněna velmi nízkou rozpustností uhličitanu vápenatého:

CaCl₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → CaCO₃(s) + 2 NaCl(aq)

Použijí se stejné objemy o stejných koncentracích, takže oba reaktanty jsou dodány přesně v poměru 1:1, který rovnice vyžaduje: n = 1,00 mol/l × 0,0150 l = 0,0150 mol od každého. Žádný z nich není v nadbytku a reakce může v principu proběhnout do úplného konce. Vzniklá sraženina je m = n × M = 0,0150 mol × 100,09 g/mol = 1,50 g CaCO₃, přičemž v supernatantním roztoku zůstalo rozpuštěno 0,0300 mol NaCl (1,75 g). V okamžiku, kdy se roztoky setkají, se objeví bílá zakalená suspenze, která se po zastavení míchání usadí v jemnou bílou pevnou látku.

Viditelná změna je dramatická — dvě čiré kapaliny se změní v bílou kaši — a přesto se váha ani o kousek nehne, když se vezme v úvahu kádinka. To je přesně ten bod: změna stavu a změna chemické identity nejsou změnou hmotnosti. Vydělením obsahu jejich objemy získáme také hustoty dvou zásobních roztoků, 16,25 g ÷ 15,0 ml = 1,08 g/ml pro chlorid vápenatý a 16,59 g ÷ 15,0 ml = 1,11 g/ml pro uhličitan sodný, přičemž oba jsou hustší než čistá voda, jak se u 1M solných roztoků očekává.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Fokus — pozorování, že chemická změna mění vzhled, aniž by měnila hmotnost, a osvojování si související slovní zásoby: reaktant, produkt, sraženina, uzavřený systém, zachování.
• Aktivity — proveďte obě části, zapište všech sedm hmotností z Části A a všechny tři hmotnosti z Části B do tabulky výsledků, popište, co je vidět v okamžiku reakce (bublání a nafukující se balón v Části A, bílý oblak v Části B), a jedním větou uveďte, zda se hmotnost změnila. Odpovězte na naváděcí otázku: kam by oxid uhličitý unikl bez balónu?

11. ročník

• Fokus — kvantitativní pojetí experimentu s vyčíslenými rovnicemi a predikcí založenou na molech namísto kvalitativního srovnání.
• Aktivity — vyvažte obě rovnice; převeďte 25 ml 1M kyseliny octové a 2,20 g NaHCO₃ na moly a určete limitní reagens; předpovězte hmotnost CO₂ a porovnejte to s 1,19 g zváženými v balónku v kroku 14; předpovězte 1,50 g CaCO₃ vytvořené v Části B; aritmeticky dkažte, že 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g, a vysvětlete, proč se musí odečíst hmotnost jedné kádinky.

12. ročník / Úroveň college

• Fokus — analýza chyb a interpretace nesrovnalosti namísto jejího ignorování.
• Aktivity — vyjádřete obě hmotnostní bilance jako procentuální rozdíly a porovnejte je s rozlišením vážek; vysvětlete 0,09 g, o které zachycený plyn převyšuje své stoichchiometrické maximum, a odhadněte, kolik vodní páry by mohl nést nasycený objem plynu při pokojové teplotě; použijte stavovou rovnici ideálního plynu k předpovědi objemu, kterého by měl balón dosáhnout při 101 kPa a 22 °C z n = 0,0250 mol; diskutujte CO₂/H₂CO₃/HCO₃⁻ rovnováha a kolik uhlíku může zůstat v roztoku; a navrhněte úpravu Části A, která by poskytla obhajitelné plynotěsné těsnění, s vysvětlením, co by to vylepšilo.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Elektronické váhy (s přesností na 0,01 g, s tarem)
• Vážicí lodička (0,5 g)
• Obracečka
• Gumový balónek (7,5 g)
• Dřevěná svorka (0,45 g)
• Skleněná tyč
• Erlenmayerova baňka 250 ml (200 g)
• 2 × 50ml kahance (každý 75 g)
• 25ml odměrný válec

Produkty

• Hydrogenuhličitan sodný NaHCO3₃ (přisada, 2,2 g)
• Kyselina octová CH₃COOH 1 M (25 ml roztoku)
• Chlorid vápenatý CaCl2₂ 1 M (15 ml roztoku)
• Uhličitan sodný Na₂CO₃ 1 M (15 ml roztoku)