Massan säilymislaki

Massan säilymislaki (Lomonosovin-Lavoisier'n laki), myös aineen häviämättömyyden laki, on yleinen luonnonlaki, jonka mukaan massa pysyy suljetussa systeemissä muuttumattomana, erityisesti myös kemiallisissa reaktioissa. Se voidaan ilmaista myös niin, että ainetta ei synny eikä häviä, vaikkakin se voi muuttaa muotoaan. Niinpä kemiallisissa reaktioissakin reaktiotuotteiden yhteenlaskettu massa on yhtä suuri kuin lähtöaineiden yhteenlaskettu massa.

Ennen radioaktiivisuuden keksimistä oletettiin lisäksi, että massan säilymislaki pätee jokaiselle alkuaineelle erikseen ja että jokaisen alkuaineen atomien lukumäärä säilyy kaikissa ilmiöissä. Kemiallisissa reaktioissakin atomit vain järjestyvät uudella tavalla molekyyleiksi. Nykyisin kuitenkin tiedetään, että radioaktiivisissa ja muissa ydinfysikaalisissa ilmiöissä atomit muuttuvat toisen alkuaineen atomeiksi ja osa niiden massasta poistuu säteilynä. Suhteellisuusteorian mukaan massa ja energia ovat muunnettavissa toisikseen. Näin ollen massan ja energian säilymislait liittyvät erottamattomasti toisiinsa.

Aineen häviämättömyyden lailla on kuitenkin yhä suuri merkitys varsinkin kemiassa, mekaniikassa ja hydrodynamiikassa.

Varhaisen, joskin epätäydellisen teorian aineen häviämättömyydestä esitti jo Nasir al-Din Tusi (1201–1274). Hän kirjoitti, että aineellinen kappale voi muuttua mutta ei hävitä^[1].

Massan säilymislain keksijänä on yleisesti pidetty Antoine Laurent Lavoisier'ta, joka esitti sen kokeellisesti todennettuna vuonna 1789. Osittain tästä syystä häntä pidetään yleensä nykyaikaisen kemian isänä. Kuitenkin jo vuonna 1748 Mihail Lomonosov (1711–1765) oli jo esittänyt saman asian ja osoittanutkin sen kokeellisesti. Myös John Rey (1583–1645), Joseph Black (1728–1799) ja Henry Cavendish (1731–1810), olivat päätyneet samaan tulokseen jo ennen Lavoisier'ta, joskaan heidän esittämiään todisteita ei vielä ollut pidetty niin vakuuttavina, että asia olisi tullut yleisesti hyväksytyksi^[2].

Ettei massan (tai painon) säilyminen ollut selvä asia ikimuistoisista ajoista saakka, johtui siitä, että monissa tavallisissa kemiallisissa reaktioissa, esimerkiksi palamisessa, lähtöaineista, reaktiotuotteista tai molemmistakin ainakin osa on kaasuja, jotka tulevat ilmakehästä tai leviävät sinne. Kaasuja on ollut niiden näkymättömyyden vuoksi vaikea tunnistaa, jota paitsi ilmakehän nosteen vuoksi ne ovat erehdyttävästi vaikuttaneet painottomilta. Lisäksi käsitteellinen ero massan ja painon välillä ei ollut selvä ennen kuin Isaac Newton vuonna 1687 esitti yleisen gravitaatiolain. Koska esimerkiksi polttopuista jäävä tuhka painaa paljon vähemmän kuin alkuperäiset polttopuut, vaikuttaa siltä kuin massaa häviäisi. Entisajan kemistit olettivat, että puun sisältämä hypoteettinen alkuaine, flogiston, poistuisi ilmakehään palamisen yhteydessä. Toisaalta myös metallien hapettumista, esimerkiksi raudan ruostumista, pidettiin flogistonin poistumisena, vaikka tuolloin jo tiedettiin, että syntyvä ruoste painaa enemmän kuin alkuperäinen rauta. Tämän vuoksi olikin oletettava, ettei aineen paino (massa) pysy kemiallisissa reaktioissa ennallaan.

Vasta kun tällaiset kemialliset reaktiot voitiin saada aikaan ilmatiiviisti suljetussa astiassa, voitiin huolellisilla mittauksilla todeta kokonaismassan säilyvän. Ilmapumpun keksiminen teki myös osaltaan mahdolliseksi kaasujen punnitsemisen. Massan säilymislain keksiminen liittyikin läheisesti palamisilmiön luonteen selvittämiseen.

Massan säilymislakia on pidetty ratkaisevana keksintönä, joka merkitsi siirtymistä alkemiasta nykyiaikaiseen kemiaan. Vasta se teki mahdolliseksi tarkemmin tutkia kemiallisia ilmiöitä kvantitatiiviseksi. Tämä teki myös mahdolliseksi tunnistaa, mitkä aineet olivat alkuaineita. Voitiin myös todeta, että kaikissa kemiallisissa ilmiöissä, palaminen ja eliöiden aineenvaihdunta mukaan luettuina, nämä alkuaineet vain liittyivät toisiinsa uudella tavalla.

Erityinen suhteellisuusteoria osoitti, että massan säilyminen pitää vain likipitäen paikkansa avoimissa systeemeissä, joista energiaa poistuu ympäristöön. Hiukkasten muodostaman systeemin massa ei yleensä ole yhtä suuri kuin hiukkasten massojen (lepomassojen) summa niiden ollessa toisistaan erillään, sillä asiaan vaikuttaa myös niiden välisestä vuorovaikutuksista johtuva potentiaalienergia. Tällaisia systeemejä ovat esimerkiksi nukleoneista muodostuvat atomiytimet, mutta myös atomeista muodostuvat molekyylit. Massan ja energian välisen yhteyden osoittaa Einsteinin kaava E=mc². Niinpä jos systeemin muodostuessa vapautuva sidosenergia pääsee poistumaan systeemistä, kokonaissysteemin massa on pienempi kuin sen osien. Erotusta sanotaan massakadoksi, ja se on suoraan verrannollinen systeemin sidosenergiaan, joka samalla osoittaa, minkä verran energiaa tarvitaan systeemin hajottamiseen alkuperäisiin osiinsa.^[3]. Jos kuitenkin otetaan huomioon myös systeemistä poistunutta energiaa vastaava massa, säilymislaki pätee. Näin ollen massan ja energian säilymistä ei voi pitää kahtena eri luonnonlakina, vaan ne ovat saman lain ilmenemismuotoja.

Kemiallisissa reaktioissa tämä sitoutuva tai vapautuva on kuitenkin niin pieni, ettei sitä vastaavaa massan muutosta voi käytännössä havaita. Esimerkiksi kun 12 grammaa hiiltä ja 32 grammaa happea reagoivat muodostaen 44 grammaa (1 moolin) hiilidioksidia, energiaa vapautuu noin 393 kilojoulea, mitä vastaava massakato on vain noin 4,4 pikogrammaa. Sitä vastoin ydinreaktioissa massakato on jo sen verran suuri, että se on voitu tarkoin mitata ja sen on todettu täsmäävän Einsteinin kaavan kanssa.

• Energian säilymislaki