2. Стехиометрические законы54

Стехиометрия – учение о массовых или объёмных соотношениях реагирующих веществ (см. сноску 44, с. 25).

Законы стехиометрии обусловлены атомно-молекулярным строением вещества. Соотношения, в которых, согласно этим законам, вступают в реакцию вещества, называются стехиометрическими. Законы стехиометрии используются в расчётах, связанных с формулами веществ и нахождением теоретически возможного выхода продуктов реакции.

2.1. Закон сохранения массы и энергии55

До начала XX в. законы сохранения массы и сохранения энергии обычно рассматривались независимо друг от друга как частные случаи всеобщего естественного закона сохранения материи и движения: закон сохранения массы – в химии, закон сохранения энергии – в физике.

Закон сохранения массы

(М.В. Ломоносов, 1748 г., А. Лавуазье⁵⁶, 1789 г.)

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе продуктов реакции

Формулировка закона М.В. Ломоносова: "Все перемены, в натуре случаются, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимается, столько присовокупляется к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте".

Для реакции

А + В = С + D

m_A + m_B = m_C + m_D.

Закон сохранения массы объясняется тем, что в химических реакциях общее количество атомов не изменяется, а происходит только их перегруппировка. И поскольку атомы обладают постоянной массой, то и масса веществ остаётся неизменной.

На основе закона сохранения массы производят все расчёты по уравнениям химических реакций.

Данный закон не выполняется в ядерных реакциях (см. сноску 59, с. 41).

Закон сохранения энергии

Энергия изолированной системы⁵⁷, включающей вещества, вступившие в химическую реакцию, равна энергии системы, включающей продукты реакции⁵⁸

Взаимосвязь между массой и энергией определяется соотношением (уравнением) Эйнштейна (1905 г.)⁵⁹:

Е = mс²,

где Е – энергия, Дж;

m – масса, кг;

с = 3 ∙10⁸ м/с – скорость света в вакууме (300 000 км/с).

Это соотношение выражает эквивалентность массы и энергии любого объекта, но не тождественность и не взаимопревращаемость вещества и энергии.

Частицы вещества при определённых условиях могут превращаться в частицы поля и, наоборот, частицы поля – в частицы вещества.

Например, при горении наблюдается переход вещества в поле в виде световых фотонов – частиц электромагнитного поля, характеризующихся постоянной скоростью (~300 000 км/с) и отсутствием массы покоя.

Известно также, что при столкновении позитрона с электроном обе частицы исчезают с образованием двух фотонов (е^– + е⁺ = 2hν). Наблюдается и обратный процесс.

Общая масса данного количества материи, также как и общая его энергия, сохраняется во времени.

Философское значение этого закона – естественно-научное доказательство положения диалектического материализма о неотделимости материи и движения. Масса и энергия неотделимы от материи, но они не сводятся друг к другу и не превращаются одно в другое. Может иметь лишь пропорциональное изменение массы с изменением энергии. В любом процессе

ΔЕ = Δmс²

где Δm – дефект массы, равный разности суммы масс продуктов реакции и исходных веществ.

Дефект массы отражает не переход массы в энергию, а превращение массы вещества в массу поля. При этом в системе сохраняется постоянство Σm. Так, масса движущегося тела больше, чем неподвижного, масса горячего – больше, чем холодного.

Поскольку масса пропорциональна энергии, то можно её выражать в единицах энергии и сформулировать общий закон – закон сохранения массы и энергии.

В изолированной системе сумма масс и энергий постоянна и возможны лишь превращения в эквивалентных соотношениях одних форм энергии в другие и эквивалентно связанные друг с другом изменения массы и энергии.