قانون پایستگی جرم: شاهکلید درک واکنشهای شیمیایی
مفهوم جرم و نخستین آزمایشها
برای درک این قانون، اول باید بدانیم جرم[4] چیست. جرم مقدار ماده تشکیلدهنده یک جسم است. واحد اندازهگیری جرم معمولاً گرم (g) یا کیلوگرم (kg) است. دانشمندان قدیم فکر میکردند در برخی واکنشها، ماده از بین میرود یا ایجاد میشود. برای مثال، وقتی چوب میسوزد، به نظر میرسد خاکستری که باقی میماند جرم بسیار کمتری از چوب اولیه دارد. یا وقتی فلزی زنگ میزند، جرم آن بیشتر به نظر میرسد.
اما آنتوان لاووازیه، شیمیدان فرانسوی، در قرن هجدهم با دقت و آزمایشهای بسیار دقیق ثابت کرد که این نگاه اشتباه است. او نشان داد در یک سیستم بسته[5] (جایی که هیچ مادهای وارد یا خارج نمیشود)، جرم کل ثابت میماند. آزمایش معروف او سوزاندن جیوه در هوا بود.
پایستگی جرم در سطح اتمها و مولکولها
دلیل اصلی ثابت ماندن جرم، رفتار اتمها[6] است. اتمها واحدهای بنیادی و تجزیهناپذیر (در واکنشهای شیمیایی معمولی) ماده هستند. در یک واکنش شیمیایی، تنها تغییر آرایش و پیوند[7] بین اتمها رخ میدهد. اتمهای قدیمی از بین نمیروند و اتمهای جدیدی از هیچ به وجود نمیآیند. آنها فقط جدا شده و دوباره به شکلهای جدیدی کنار هم قرار میگیرند تا مواد جدیدی بسازند. بنابراین، تعداد و نوع اتمهای موجود در ابتدا و انتهای واکنش یکسان است و چون جرم هر اتم ثابت است، جرم کل نیز ثابت میماند.
بیایید این موضوع را با یک مثال ساده مولکولی بررسی کنیم. واکنش تشکیل آب از عناصر سازندهاش:
توضیح: دو مولکول گاز هیدروژن $(H_2)$ با یک مولکول گاز اکسیژن $(O_2)$ واکنش میدهند و دو مولکول آب $(H_2O)$ تولید میکنند. بشماریم: اتمهای هیدروژن: در سمت چپ (واکنشدهندهها) ۴ اتم H، در سمت راست (فرآوردهها) ۴ اتم H. اتمهای اکسیژن: در سمت چپ ۲ اتم O، در سمت راست ۲ اتم O. تعداد اتمها حفظ شده است.
| واکنش شیمیایی | جرم واکنشدهندهها | جرم فرآوردهها | وضعیت پایستگی |
|---|---|---|---|
| سوزاندن منیزیم در هوا $(2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO)$ | 48.6 گرم | 48.6 گرم | حفظ شده |
| تجزیه کاتالیزوری پراکسید هیدروژن $(2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2)$ | 68 گرم | 68 گرم (آب + اکسیژن) | حفظ شده |
| حل شدن شکر در آب (C12H22O11) | 10 گرم شکر + 100 گرم آب | 110 گرم محلول | حفظ شده |
کاربرد قانون پایستگی جرم در استوکیومتری و صنعت
این قانون تنها یک نظریهٔ زیبا نیست، بلکه ابزاری کاربردی و قدرتمند برای پیشبینی است. شاخهای از شیمی به نام استوکیومتری بر پایهٔ همین قانون بنا شده است. استوکیومتری به ما اجازه میدهد مقدار دقیق مواد مورد نیاز برای یک واکنش یا مقدار محصول تشکیلشده را محاسبه کنیم.
مثال صنعتی: در تولید آمونیاک $(NH_3)$ برای کودهای شیمیایی از واکنش هابر[8] استفاده میشود: $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$. اگر یک کارخانه بخواهد 1000 کیلوگرم آمونیاک تولید کند، مهندسین شیمی با استفاده از قانون پایستگی جرم و جرم مولی مواد، دقیقاً محاسبه میکنند به چه مقدار گاز نیتروژن و هیدروژن نیاز است. این محاسبات از هدررفت مواد خام و هزینهها جلوگیری میکند.
جرم فرآورده: 44 گرم
جرم یکی از واکنشدهندهها (کربن): 12 گرم
جرم اکسیژن مصرفشده = جرم فرآورده - جرم کربن
$44 \text{ g} - 12 \text{ g} = 32 \text{ g}$
بنابراین، 32 گرم اکسیژن در این واکنش شرکت کرده است.
آیا در واکنشهای هستهای هم جرم پایسته میماند؟
این یک نقطهٔ مهم است. قانون پایستگی جرم به شکل کلاسیک، فقط برای واکنشهای شیمیایی معمولی صادق است. در واکنشهای هستهای[9] (مانند شکافت[10] یا همجوشی[11] در خورشید)، هستهٔ اتمها تغییر میکند و بخش کوچکی از جرم به مقدار عظیمی انرژی تبدیل میشود. این پدیده با معادلهٔ مشهور آلبرت انیشتین توضیح داده میشود: $E=mc^2$. در اینجا، جرم و انرژی در مجموع پایسته میمانند. یعنی اگر انرژی تولیدشده را به جرم معادل آن تبدیل کنیم و با جرمهای اولیه و نهایی مقایسه کنیم، یک مقدار ثابت به دست میآید. بنابراین، قانون کلیتر، قانون پایستگی جرم و انرژی است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] قانون پایستگی جرم: Law of Conservation of Mass.
[2] آنتوان لاووازیه: Antoine Lavoisier، پدر شیمی مدرن.
[3] استوکیومتری: Stoichiometry، مطالعهٔ کمی نسبی مواد در واکنشهای شیمیایی.
[4] جرم: Mass.
[5] سیستم بسته: Closed System، سیستمی که تبادل ماده با محیط ندارد.
[6] اتم: Atom، کوچکترین ذرهٔ یک عنصر که خواص شیمیایی آن را حفظ میکند.
[7] پیوند: Chemical Bond، نیرویی که اتمها را در مولکولها کنار هم نگه میدارد.
[8] فرآیند هابر: Haber Process، فرآیند صنعتی برای تولید آمونیاک.
[9] واکنش هستهای: Nuclear Reaction، واکنشی که در هستهٔ اتم اتفاق میافتد.
[10] شکافت: Fission، شکستن هستهٔ سنگین به هستههای سبکتر.
[11] همجوشی: Fusion، ترکیب هستههای سبک برای تشکیل هستهای سنگینتر.
[12] ضریب: Coefficient، عددی در جلوی فرمول شیمیایی در یک معادله، که تعداد واحدهای آن ماده را نشان میدهد.
