قانون پایستگی جرم: راز پنهان تغییرات جهان
قانون پایستگی جرم چیست؟
این قانون می‌گوید: در یک واکنش شیمیایی، جرم کل مواد اولیه (واکنش‌دهنده‌ها۳) با جرم کل مواد تولید شده (فرآورده‌ها۴) برابر است. به بیان ساده‌تر، هیچ ذره‌ای از بین نمی‌رود و هیچ ذره‌ای از هیچ به وجود نمی‌آید؛ فقط مواد به شکل دیگری تبدیل می‌شوند. این قانون یکی از مهم‌ترین قوانین در شیمی و فیزیک است.
کشف قانون توسط لاووازیه
آنتوان لاووازیه، دانشمند فرانسوی، در قرن هجدهم با انجام آزمایش‌های دقیق به این نتیجه رسید. او در آزمایش معروف خود، قلع را در یک ظرف دربسته حرارت داد. پس از واکنش، مشاهده کرد که اگرچه قلع با اکسیژن ترکیب شده و خاکستری رنگ شده (اکسید قلع)، اما جرم کلی ظرف و محتویاتش تغییر نکرده است. این آزمایش، پایه‌ای برای قانون پایستگی جرم شد.
مثال‌هایی از محیط اطراف ما
این قانون را می‌توان در اتفاقات ساده‌ی اطرافمان به راحتی مشاهده کرد:
سوختن چوب در شومینه: وقتی چوب می‌سوزد، به خاکستر، گاز دی‌اکسید کربن و بخار آب تبدیل می‌شود. اگر بتوانیم تمام این مواد را جمع‌آوری و وزن کنیم، جرم کل آن‌ها با جرم چوب اولیه و اکسیژن مصرف‌شده برابر خواهد بود. ما فقط خاکستر را می‌بینیم، اما گازها نیز جرم دارند.
زنگ زدن میخ آهنی: وقتی یک میخ آهنی در هوای مرطوب قرار می‌گیرد، با اکسیژن هوا ترکیب شده و "زنگ آهن" یا اکسید آهن تشکیل می‌دهد. اگر میخ را قبل و بعد از زنگ زدن با دقت وزن کنید، متوجه می‌شوید که میخ زنگ‌زده سنگین‌تر شده است. این افزایش جرم به خاطر اضافه شدن جرم اکسیژن به آهن است.
| نام واکنش | واکنش‌دهنده‌ها | فرآورده‌ها | نتیجه پایستگی جرم |
|---|---|---|---|
| سوختن چوب | چوب + اکسیژن | خاکستر + دی‌اکسید کربن + آب | جرم برابر است |
| زنگ زدن آهن | آهن + اکسیژن + آب | زنگ آهن (اکسید آهن) | جرم برابر است |
| درست کردن آب | گاز هیدروژن + گاز اکسیژن | آب | جرم برابر است |
نگاهی به یک معادله شیمیایی ساده
برای درک بهتر این قانون، به واکنش تشکیل آب نگاه کنید. این واکنش به صورت زیر نوشته می‌شود:
این معادله نشان می‌دهد که دو مولکول گاز هیدروژن ($ H_{2} $) با یک مولکول گاز اکسیژن ($ O_{2} $) ترکیب می‌شوند تا دو مولکول آب ($ H_{2}O $) به وجود بیاورند. اگر جرم اتم‌های هیدروژن و اکسیژن را بدانیم، می‌توانیم محاسبه کنیم که جرم در دو طرف این معادله کاملاً برابر است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، نقض نمی‌شود. وقتی کاغذ می‌سوزد، بخشی از آن به گازهای دی‌اکسید کربن و بخار آب تبدیل می‌شود که به هوا می‌روند. اگر بتوانیم تمام این گازها را به دام بیندازیم و همراه با خاکستر وزن کنیم، جرم کل دقیقاً برابر با جرم کاغذ و اکسیژن مصرفی خواهد بود.
پاسخ: بله، حتماً. در یک انفجار، یک واکنش شیمیایی بسیار سریع رخ می‌دهد که در آن مواد منفجره به حجم زیادی گاز تبدیل می‌شوند. جرم کل این گازها و بقایای جامد، برابر با جرم مواد منفجره‌ی اولیه است.
پاسخ: خیر. قانون پایستگی جرم برای واکنش‌های شیمیایی معمولی صادق است. در واکنش‌های هسته‌ای (مانند آنچه در خورشید رخ می‌دهد)، طبق نظریه آلبرت اینشتین، مقدار کمی از جرم به مقدار بسیار زیادی انرژی تبدیل می‌شود ($ E=mc^2 $). در این موارد، جرم کل حفظ نمی‌شود، اما جرم و انرژی با هم، در مجموع، پایسته می‌مانند.
پاورقی
۱قانون پایستگی جرم (Law of Conservation of Mass): قانونی در شیمی و فیزیک که بیان می‌دارد جرم کل یک سیستم بسته، در طی هرگونه تغییر فیزیکی یا شیمیایی، ثابت می‌ماند.
۲آنتوان لاووازیه (Antoine Lavoisier): دانشمند فرانسوی قرن هجدهم که به عنوان "پدر شیمی مدرن" شناخته می‌شود.
۳واکنش‌دهنده‌ها (Reactants): موادی که یک واکنش شیمیایی را آغاز می‌کنند و در آن شرکت دارند.
۴فرآورده‌ها (Products): موادی که در نتیجه یک واکنش شیمیایی به وجود می‌آیند.
