قانون پایستگی جرم: از فکر تا آزمایش
یک ایدهٔ انقلابی: ماده از هیچ پدید نمیآید
برای قرنها، انسانها فکر میکردند که میتوان ماده را به وجود آورد یا آن را نابود کرد. به نظر میرسید وقتی چوب میسوزد، بخشی از آن ناپدید میشود و تنها خاکستر کمی باقی میماند. اما در اواخر سدهٔ هجدهم میلادی، دانشمندی فرانسوی به نام آنتوان لاووازیه، با آزمایشهای دقیق و کیفی، ثابت کرد که این نگاه اشتباه است. او نشان داد که در هر تغییر فیزیکی و شیمیایی، جرم کل مواد شرکتکننده ثابت میماند. او این کشف را با آزمایشهایی در ظروف دربسته انجام داد تا هیچ مادهای وارد یا خارج نشود. این اصل، امروزه به نام قانون پایستگی جرم یا قانون لاووازیه شناخته میشود.
پشت پردهٔ واکنش: اتمها بازیگران اصلی هستند
چرا جرم ثابت میماند؟ پاسخ در دنیای بسیار ریز اتمها نهفته است. همهٔ مواد از اتم ساخته شدهاند. در یک واکنش شیمیایی، مانند بازی با آجرهای لگو، اتمهای مواد اولیه (واکنشدهندهها) از هم جدا شده و به شیوهای جدید کنار هم قرار میگیرند تا مواد جدیدی (فرآوردهها) بسازند. در این فرآیند، نه اتم جدیدی خلق میشود و نه اتمی از بین میرود. تنها چیزی که تغییر میکند، نحوهٔ اتصال و آرایش اتمهاست. بنابراین، تعداد و نوع اتمها در آغاز و پایان یکسان است و در نتیجه جرم کل تغییر نمیکند.
برای درک بهتر، یک مثال ساده میزنیم: واکنش بین گاز هیدروژن ($H_2$) و گاز اکسیژن ($O_2$) برای تولید آب ($H_2O$). اگر 2 مولکول هیدروژن و 1 مولکول اکسیژن داشته باشیم، پس از واکنش، 2 مولکول آب تشکیل میشود. همان اتمهای هیدروژن و اکسیژن فقط به شکل جدیدی درآمدهاند.
یک قدم فراتر: پایستگی در معادلههای شیمیایی
وقتی یک واکنش شیمیایی را به صورت نمادین مینویسیم (معادلهٔ شیمیایی)، باید قانون پایستگی جرم در آن رعایت شود. این کار با موازنهٔ معادله انجام میشود. یعنی تعداد اتمهای هر عنصر در دو سمت معادله (سمت واکنشدهندهها و سمت فرآوردهها) باید برابر باشد. این موازنه، بازتاب مستقیم قانون پایستگی جرم در نوشتار است.
| واکنش (نموزانده) | وضعیت موازنه | توضیح |
|---|---|---|
| $H_2 + O_2 \rightarrow H_2O$ | ناموزون | اکسیژن: 2 اتم در چپ، 1 اتم در راست. |
| $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ | موزون | هر دو طرف: 4 اتم H و 2 اتم O. قانون پایستگی رعایت شده است. |
آزمایش در خانه: ببینید که جرم ناپدید نمیشود!
برای درک عملی این قانون، یک آزمایش ساده در نظر بگیرید: یک بادکنک را با مقداری جوش شیرین (سدیم بیکربنات) پر کنید. سپس یک بطری پلاستیکی خالی را با مقداری سرکه پر کنید. حالا دهانهٔ بادکنک را با دقت روی دهانهٔ بطری قرار دهید، طوری که جوش شیرین وارد بطری نشود. کل این مجموعه (بطری+سرکه+بادکنک+جوش شیرین) را روی ترازو بگذارید و جرم اولیه را یادداشت کنید. سپس بادکنک را بلند کنید تا جوش شیرین داخل سرکه بریزد. واکنش شدیدی رخ میدهد و گاز دیاکسید کربن تولید میشود که بادکنک را باد میکند. اگر به عدد ترازو نگاه کنید، جرم کل تغییر نمیکند! گاز تولید شده داخل سیستم محبوس است و جرمش به جرم کل اضافه میشود.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. در این حالت سیستم بسته نیست. وقتی چوب میسوزد، با اکسیژن هوا واکنش میدهد و گازهایی مانند دیاکسید کربن و بخار آب تولید میکند که به هوا میروند. اگر بتوانید همهٔ این گازهای خارج شده را جمعآوری کنید و جرم آنها را به جرم خاکستر اضافه کنید، مجموع با جرم اولیهٔ چوب و اکسیژن مصرفشده برابر خواهد بود.
پاسخ: در واکنشهای شیمیایی معمولی، بله. اما در واکنشهای هستهای، مقدار بسیار ناچیزی از جرم طبق معادلهٔ معروف آلبرت انیشتین ($E=mc^2$) به انرژی عظیمی تبدیل میشود. بنابراین در این سطح، جرم و انرژی با هم پایستگی دارند (قانون پایستگی جرم و انرژی). در کتابهای شیمی مدرسه، معمولاً فقط به پایستگی جرم در واکنشهای شیمیایی میپردازیم.
پاسخ: در هر دو نوع تغییر، قانون پایستگی جرم برقرار است. در تغییر فیزیکی (مانند ذوب یخ یا پاره کردن کاغذ)، تنها شکل یا حالت ماده تغییر میکند و مولکولها یکسان میمانند. در تغییر شیمیایی (مانند زنگ زدن آهن یا پختن غذا)، مولکولهای جدیدی تشکیل میشوند، اما تعداد کل اتمهای هر عنصر ثابت میماند و در نتیجه جرم کل حفظ میشود.
پاورقی
[1]قانون پایستگی جرم (The Law of Conservation of Mass).
[2]آنتوان لاووازیه (Antoine Lavoisier)، شیمیدان فرانسوی قرن هجدهم، پدر شیمی مدرن.
[3]واکنشدهنده (Reactant): مادهای که در آغاز یک واکنش شیمیایی حضور دارد.
[4]فرآورده (Product): مادهای که در پایان یک واکنش شیمیایی تشکیل میشود.
[5]موازنهٔ معادله (Balancing the Chemical Equation): تنظیم ضرایب در یک معادلهٔ شیمیایی به گونهای که تعداد اتمهای هر عنصر در دو طرف برابر شود.
