016 – Prawo zachowania masy

Zasada zachowania masy głosi, że w reakcji chemicznej materia nie jest ani tworzona, ani niszczona: atomy obecne przed reakczeniem są dokładnie tymi samymi atomami, które są obecne po niej, są jedynie przegrupowane w inne cząsteczki. Antoine Laurent de Lavoisier ustanowił tę zasadę w latach 80. XVIII wieku poprzez ważenie zamkniętych naczyń reakcyjnych, i jest to powód, dla którego każde równanie chemiczne musi być uzgodnione, oraz powód, dla którego chemik przemysłowy może przewidzieć masę produktu, jaką proces przyniesie przed jego przeprowadzeniem.

Wykażenie tego prawa jest trudniejsze, niż się wydaje, ponieważ reakcja wydzielająca gaz wydaje się tracić masę, gdy jest prowadzona w otwartym naczyniu. Masa nie zniknęła – po prostu opuściła szalkę wagi. Z tego powodu zachowanie masy można wykazać jedynie w zamknięte system, w którym każdy produkt, łącznie z gazami, jest zatrzymywany i ważony wraz z resztą. Ten jeden wymóg eksperymentalny jest centralną ideą tego laboratorium.

Przetestujesz prawo dwukrotnie, używając dwóch reakcji, które zachowują się w bardzo odmienny sposób. W części A wodorowęglan sodu reaguje z kwasem octowym i wydziela dwutlenek węgla; gaz jest przechwytywany w gumowym balonie zamontowanym na szyjce kolby Erlenmeyra, a zacisk na szyjce balona pozwala na zważenie uwięzionego gazu osobno po zakończeniu reakcji. W części B roztwory chlorku wapnia i węglanu sodu są mieszane i powstaje stały osad węglanu wapnia; nic nie może wydostać się z zlewki, więc bilans masowy zamyka się dokładnie. W każdym przypadku zważysz układ przed reakcją i po niej, porównasz sumy i wyjaśnisz wszelkie stwierdzone różnice.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Przed rozpoczęciem zlokalizuj i zidentyfikuj wagę elektroniczną, szalkę wagową, cylinder miarowy, kolbę stożkową o pojemności 250 ml, dwie zlewki o pojemności 50 ml, gumowy balonik oraz drewniany uchwyt, a także rozpoznaj, który element aparatury czyni układ zamkniętym.

Stosowanie środków ochrony indywidualnej

• Podczas pracy z 1 M kwasem octowym oraz dwoma roztworami soli należy nosić rękawice i okulary ochronne, a także kontrolować reakcję powodującą wzrost ciśnienia w zamkniętym naczyniu w taki sposób, aby nie dopuścić do oddzielenia się balonu od kolby.

Budowa i testowanie systemu zamkniętego

• Zmontuj gazoszczelne naczynie reakcyjne z kolby, balonu i zacisku oraz wyjaśnij, dlaczego ta sama reakcja przeprowadzona w otwartej kolbie mogłaby wydawać się naruszająca zasadę zachowania masy.
• Zaważ balon i uwięziony w nim gaz osobno, aby bezpośrednio zmierzyć masę gazowego produktu.

Technika ważenia ilościowego

• Użyj prawidłowo funkcji tarowania, aby szalka wagowa nie miała wpływu na rejestrowaną masę proszku, i zapototuj każdą masę z pełną precyzją wskazywaną przez wagę (0,01 g).
• Zważ kompletny układ jako pojedynczy obiekt, pamiętając, że zacisk, kolba, balon, substraty i znajdujące się wewnątrz powietrze – wszystko to stanowi część całości.

Stechiometria i odczynnik ograniczający

• Przelicz objętość i stężenie na liczbę moli, zidentyfikuj, który z dwóch reagentów skończy się jako pierwszy, i przewidź masę gazu lub osadu, jaką reakcja może wytworzyć.

Interpretacja bilansu masowego

• Porównaj zmierzoną różnicę masy z precyzją przyrządu i zdecyduj, czy rozbieżność stanowi rzeczywistą utratę materii, czy zwykły rozrzut odczytów.

Protokół

Część A: Reakcja pomiedzy wodorowęglanem sodu a kwasem octowym

1. Zważ gumowy balon na wadze.
2. Używając szalki wagowej, odważ około 2,2 g wodorowęglanu sodu (NaHCO₃).
3. Wprowadź odważony proszek do gumowego balonu.
4. Przymocuj drewniany uchwyt do podstawy kolby.
5. Odmierz 25 ml kwasu octowego (CH₃(COOH) 1M za pomocą cylindra miarowego i wlać do kolby stożkowej.
6. Przymocuj balon do otworu kolby stożkowej, uważając, aby nie upuścić ciała stałego do cieczy.
7. Zważ system (balon, zacisk, kolbę stożkową i dwa reagenty) przed reakcją. Masę znajdziesz w tabeli wyników.
8. Odczep klips od balonu.
9. Po przyciśnięciu szklanego pręta do balonu, pozwól stałej substancji opaść do kolby Erlenmeyera.
10. Delikatnie zamieszać roztwór, aż do całkowitego rozpuszczenia, kołysząc kolbą stożkową z lewej do prawej.
11. Przymocuj zacisk do podstawy balonu.
12. Ponownie zważ układ po zakończeniu reakcji. Masę znajdziesz w tabeli wyników.
13. Odłącz balon od kolby stożkowej i pozostaw zacisk przymocowany do podstawy balonu.
14. Zważ balon z przymocowanym zaciskiem.

Część B: Reakcja między chlorkiem wapnia a węglanem sodu

1. Odmierz 15 mL 1M chlorku wapnia (CaCl₂).₂roztwór w cylindrze miarowym.
2. Przelej roztwór do zlewki 1 o pojemności 50 mL.
3. Zważ zlewkę 1 na wadze.
4. Odmierz 15 ml 1M roztworu węglanu sodu (Na2CO₃) roztwór za pomocą cylindra miarowego.
5. Przelać roztwór do zlewki 2 o pojemności 50 ml.
6. Zważ zlewkę 2 na wadze.
7. Przelej zawartość z probówki 1 do probówki 2.
8. Zamieszaj zawartość zlewki nr 2 szklaną bagietką.
9. Zważ zlewkę 2 po reakcji i zanotuj masę w tabeli wyników.

Przewidywane wyniki

Część A — wodorowęglan sodu i kwas octowy w zamkniętej kolbie

Reakcja ta jest reakcją kwasu z węglanem, w wyniku której powstaje dwutlenek węgla, woda i octan sodu:

Wodorowęglan sodu₃(s) + CH₃COOH(aq) → CH₃COONa(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)

Oba reagenty występują w porównywalnych ilościach, więc reagent ograniczający musi zostać zidentyfikowany, zanim będzie można przewidzieć jakąkolwiek masę produktu. Dla kwasu: n = c × V = 1,00 mol/L × 0,0250 L = 0,0250 mola. Dla wodorowęglanu: n = m / M = 2,20 g ÷ 84,01 g/mol = 0,0262 mola. Kwas octowy wyczerpuje się jako pierwszy, więc to on określa stopień przereagowania: 0,0250 mola CO₂ powstaje, o masie m = n × M = 0,0250 mol × 44,01 g/mol = 1,10 g. Mniej więcej 0,0012 mol (0,10 g) wodorowęglanu sodu pozostaje przereagowane na dnie kolby.

W kroku 14 izoluje się ten gaz. Odejmując masę balonu i zacisku od końcowego wyniku ważenia, otrzymujemy, że w balonie pozostało 9,14 g − 7,50 g − 0,45 g = 1,19 g gazu, w porównaniu z 1,10 g przewidzianymi przez stechiometrię. Te dwie wartości różnią się o około 8 %. Istotne jest porównanie wartości 237,09 g i 237,12 g: gdyby tę samą reakcję przeprowadzono w otwartej kolbie, wyleciałoby około 1,10 g, a waga wskazałaby stratę wynoszącą z grubsza 0,47 % całości — niewielką, ale znacznie większą niż rozrzut wynoszący 0,03 g w pomiarze w warunkach hermetycznych i łatwą do pomylenia z naruszeniem prawa.

Część B — dichlorek wapnia i węglan sodu w otwartej zlewce

To jest reakcja podwójnej wymiany (strąceniowa), napędzana bardzo małą rozpuszczalnością węglanu wapnia:

CaCl₂₂(aq) + Na₂CO₃(aq) → CaCO₃(s) + 2 NaCl(aq)

Użyto jednakowych objętości o jednakowych stężeniach, więc oba substraty dostarczono w dokładnie takim stosunku 1:1, jakiego wymaga równanie: n = 1,00 mol/L × 0,0150 L = 0,0150 mola każdego z nich. Żaden z nich nie znajduje się w nadmiarze i reakcja może w zasadzie przebiec do końca. Powstały osad to m = n × M = 0,0150 mola × 100,09 g/mol = 1,50 g CaCO₃, pozostawiając 0,0300 mola NaCl (1,75 g) rozpuszczonego w roztworze nadsączonym. W momencie zetknięcia się roztworów pojawia się biała, mętna zawiesina, która po zatrzymaniu mieszania opada w postaci drobnokrystalicznego, białego ciała stałego.

Widoczna zmiana jest drastyczna — dwa przejrzyste płyny stają się białą zawiesiną — a jednak waga w ogóle się nie zmienia, gdy uwzględni się zlewkę. W tym właśnie sęk: zmiana stanu skupienia i zmiana tożsamości chemicznej nie są zmianą masy. Podzielenie zawartości przez ich objętości daje również gęstości dwóch roztworów wyjściowych: 16,25 g ÷ 15,0 ml = 1,08 g/ml dla dichlorku wapnia oraz 16,59 g ÷ 15,0 ml = 1,11 g/ml dla węglanu sodu; oba roztwory są gęstsze od czystej wody, czego należało się spodziewać w przypadku 1-molowych roztworów soli.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie — zauważenie, że zmiana chemiczna zmienia wygląd bez zmiany masy, oraz poznanie powiązanego z tym słownictwa: substrat, produkt, osad, układ zamknięty, zachowanie (zasada zachowania).
• Aktywności — wykonaj obie części, zanotuj wszystkie siedem mas z części A i wszystkie trzy masy z części B w tabeli wyników, opisz, co zaobserwowano w momencie reakcji (powstawanie pęcherzyków i nadmuchiwanie się balonu w części A, biały obłok w części B), i stwierdź w jednym zdaniu, czy masa uległa zmianie. Odpowiedz na pytanie pomocnicze: dokąd ulotniłby się dwutlenek węgla bez balonu?

Klasa 11

• Skupienie — traktowanie eksperymentu ilościowo, za pomocą zbilansowanych równań i przewidywań opartych na molach, zamiast porównania jakościowego.
• Aktywności — uzgodnij oba równania; przekształć 25 ml 1 M kwasu octowego i 2,20 g NaHCO₃₃ na mole i zidentyfikować odczynnik ograniczający; przewidzieć masę CO₂ i porównaj to z 1,19 g odważonym w balonie w kroku 14; przewidź 1,50 g CaCO₃ utworzone w części B; pokaż arytmetycznie, że 91,25 + 91,59 − 75,00 = 107,84 g, i wyjaśnij, dlaczego należy odjąć masę jednej z zlewek.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie — analiza błędów oraz interpretacja rozbieżności zamiast jej ignorowania.
• Aktywności — wyraź oba bilanse masowe jako różnice procentowe i porównaj je z rozdzielczością wagi; uwzględnij 0,09 g, o które uwięziony gaz przewyższa swoje maksimum stechiometryczne, szacując, jak dużo pary wodnej mogłaby unieść objętość nasyconego gazu w temperaturze pokojowej; użyj równania stanu gazu doskonałego, aby przewidzieć objętość, jaką balon powinien osiągnąć przy 101 kPa i 22 °C z n = 0,0250 mol; omów CO₂/H₂CO₃/HCO₃^– równowaga oraz ile węgla może pozostać w roztworze; oraz zaprojektować modyfikację części A, która zapewniłaby uzasadnione uszczelnienie gazoszczelne, wyjaśniając, co by to poprawiło.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Waga elektroniczna (dokładność do 0,01 g, z funkcją tarowania)
• Talerzyk wagowy (0,5 g)
• Łopatka
• Balon gumowy (7,5 g)
• Drewniany zacisk (0,45 g)
• Szklany pręt
• Kolba Erlenmeyera 250 ml (200 g)
• 2 × zlewozmywki 50 mL (po 75 g każda)
• 25 ml cylindra miarowego

Produkty

• Wodorowęglan sodu NaHCO3₃ (proszek, 2,2 g)
• Kwas octowy CH₃COOH 1 M (25 mL roztworu)
• Chlorek wapnia CaCl₂₂ 1 M (15 mL roztworu)
• Węglan sodu Na₂CO₃ 1 M (15 mL roztworu)