Prawo zachowania masy

Prawo zachowania masy – prawo przyrody opisujące zachowanie (pozostawanie stałą) wielkości fizycznej – masy w układzie zamkniętym i układzie izolowanym podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych.

Antyczne początki

Za prekursora tej zasady uznać można starożytnego filozofa Empedoklesa: „W przyrodzie nie powstaje nic, co może umrzeć; nie ma całkowitego unicestwienia; nie dzieje się nic oprócz zmian i rozpadu tego co połączone”^[a].

Prawo zachowania masy w mechanice klasycznej

W fizyce pojęcie masy jako wielkości zachowywanej i opisującej „ilość materii” zostało wprowadzone przez Newtona (1687 Philosophiae naturalis principia mathematica)^[b]. W mechanice klasycznej masa ciała i układu ciał nie zmienia się podczas przemian i oddziaływań fizycznych, a masa układu jest sumą mas ciał wchodzących w jego skład (addytywność masy).

Prawo zachowania masy w chemii

Zachowanie masy podczas reakcji chemicznych stwierdzili i prawo zachowania masy w chemii sformułowali, niezależnie od siebie Rosjanin Michaił Łomonosow (1756) i Francuz Antoine Lavoisier (1785).

Tradycyjne sformułowanie prawa zachowania masy w obrębie chemii:

„Łączna masa wszystkich substancji przed reakcją (tzw. substratów) jest równa łącznej masie wszystkich substancji powstałych w reakcji (tzw. produktów)”^[1] lub:

„Całkowita masa substancji uczestniczących w reakcji chemicznej pozostaje niezmienna”^[2]

dotyczy układu zamkniętego, ale niekoniecznie izolowanego i zakłada domyślnie nie tylko zachowanie masy, ale i jej addytywność:

„W reakcji chemicznej sumy mas produktów i substratów są sobie równe”^[2].

Wynika ono stąd, że liczba atomów danego pierwiastka chemicznego podczas reakcji chemicznej i masa pojedynczego atomu nie zmieniają się, więc łączna masa atomów w układzie reakcyjnym po reakcji jest taka sama jak przed jej zajściem^[2] – (jest to tzw. mikroskopowa interpretacja prawa zachowania masy).

Prawo zachowania masy współcześnie

W fizyce współczesnej, zgodnie ze szczególną teorią względności obowiązuje prawo zachowania całkowitej masy spoczynkowej układu izolowanego^[3]:

„Masa spoczynkowa układu nie ulega zmianie”^[4].

Jednakże ze względu na to, że do masy spoczynkowej układu swój wkład wnoszą nie tylko masy spoczynkowe składników, ale też wszelkie formy energii wewnętrznej (równoważność masy i energii), w tym energia kinetyczna składników i energia potencjalna ich wzajemnych oddziaływań, masa spoczynkowa nie jest wielkością addytywną, tzn. masa spoczynkowa układu nie jest sumą mas spoczynkowych jego składników. W szczególności, w układzie odniesienia, w którym całkowity pęd układu jest zerowy (tzw. układ środka pędu), masa spoczynkowa układu jest równa sumie mas spoczynkowych jego składników, ich energii kinetycznych i energii ich oddziaływań^[5].

Podczas przemian i oddziaływań fizycznych oraz reakcji chemicznych może zmieniać się struktura masy spoczynkowej układu^[4], np. przez zmniejszenie sumy mas spoczynkowych jego składników i zwiększenie sumy ich energii kinetycznych (zmianę energii spoczynkowej w energię kinetyczną).

Dla układów zamkniętych, lecz nieizolowanych prawo zachowania masy spoczynkowej nie jest spełnione, gdyż następuje przepływ energii między układem a otoczeniem, co niesie za sobą zmianę masy spoczynkowej układu^[4].

Jednakże podczas reakcji chemicznych wymieniane ilości energii są na tyle małe, że zmiana masy układu nie jest wykrywalna standardowymi metodami, stąd przyjmuje się stałość masy układu reakcyjnego.

Przemiana 1 g masy (energii) spoczynkowej na energię kinetyczną daje energię Δm·c² = 9·10¹⁰ kJ. Trudny do zmierzenia deficyt masy rzędu 0,000001 (10⁻⁶) jednostki masy atomowej odpowiada ok. 90 MJ/mol, czyli 90000 kJ/mol, a więc około 100 do 1000 razy więcej niż energia typowej reakcji chemicznej.

Odmienna interpretacja

Niektórzy fizycy sądzą, że aby można było stwierdzać „zachowanie masy”, nie wystarczy pozostawanie jej stałą w układzie izolowanym, ale konieczna jest jej addytywność – musi zachowywać się suma mas spoczynkowych składników układu (tak rozumiał je Newton)^[6]. Takie definiowanie prawa zachowania masy prowadzi ich do wniosku, że według fizyki współczesnej „masa spoczynkowa nie jest zachowana, nie istnieje zasada zachowania masy spoczynkowej”^[7].

Zobacz też

• zasada zachowania energii

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

• K.-H. Lautenschlaeger, W. Schroeter, A. Wenninger: Nowoczesne kompendium chemii. 2007.
• K.M. Pazdro: Chemia dla kandydatów na wyższe uczelnie. 1980.
• Zbigniew Płochocki: Atomistyka współczesna. Wyd. 2. Cz. 1: Historia atomu i elementy mechaniki kwantowej. Warszawa: 1986. ISBN 83-02-02340-X.
• E.F. Taylor, J. A. Wheeler: Fizyka czasoprzestrzeni. 1975.
• W.A. Ugarow: Szczególna teoria względności. 1985.
• A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. T. 1. 1984.
• Fridrich S. Zawielski: Masa w fizycznym obrazie świata. Zbigniew Płochocki (tłum.). Warszawa: 1979. ISBN 83-214-0041-8.