Закон сохранения массы

Закон сохранения массы — один из фундаментальных законов физики и химии, согласно которому масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. В более широком смысле, в изолированной системе масса остается постоянной во времени, независимо от происходящих в ней процессов (химических, ядерных, физических). Этот закон является частным случаем более общего закона сохранения энергии-массы.

История открытия

Античные и средневековые представления

Идея о неизменности материи восходит к античной философии. Древнегреческие атомисты (Левкипп, Демокрит) полагали, что атомы вечны и не могут быть созданы или уничтожены, лишь перегруппировываются. Однако экспериментального подтверждения эта идея не имела. В средневековой алхимии господствовало представление о возможности трансмутации элементов, что фактически отрицало сохранение массы.

Экспериментальное подтверждение в XVIII веке

Первые количественные эксперименты, приблизившиеся к формулировке закона, провел русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. В 1748 году в письме к Леонарду Эйлеру он изложил принцип сохранения материи и движения. В 1756 году Ломоносов провел знаменитый опыт по прокаливанию металлов (свинца, железа) в запаянных стеклянных сосудах. Он взвешивал сосуды до и после нагревания и обнаружил, что их общая масса не изменилась. Результаты были опубликованы в 1760 году в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел». Ломоносов сформулировал закон так: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения».

Независимо от Ломоносова, к аналогичным выводам пришел французский химик Антуан Лоран Лавуазье. В 1770-х годах он провел серию точных экспериментов, в частности, по сжиганию фосфора и серы, а также по разложению воды. Лавуазье использовал герметичные сосуды и чувствительные весы. В 1789 году в своем учебнике «Начальный курс химии» он окончательно сформулировал закон сохранения массы применительно к химическим реакциям, назвав его «принципом сохранения материи». Лавуазье писал: «Ничто не создается ни в искусственных процессах, ни в природных; можно утверждать как принцип, что во всякой операции количество материи одинаково до и после операции...». Именно благодаря авторитету Лавуазье закон вошел в химию как фундаментальный.

Формулировка и математическое выражение

Классическая формулировка

В химии закон сохранения массы формулируется так:

Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Математически это выражается равенством:

Σ m(реагентов) = Σ m(продуктов)

где m — масса соответствующих веществ.

Следствия для химических уравнений

Из закона сохранения массы вытекает необходимость расстановки стехиометрических коэффициентов в уравнениях химических реакций. Число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения должно быть одинаково. Например, реакция горения метана: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O Здесь масса 1 молекулы CH₄ и 2 молекул O₂ (16 + 64 = 80 а.е.м.) равна массе 1 молекулы CO₂ и 2 молекул H₂O (44 + 36 = 80 а.е.м.).

Релятивистское обобщение

В начале XX века специальная теория относительности Альберта Эйнштейна показала, что масса и энергия эквивалентны (E = mc²). Это означает, что закон сохранения массы в точном виде выполняется только для систем, где не происходит выделения или поглощения энергии, сравнимого с энергией покоя частиц. В ядерных реакциях и при аннигиляции частиц масса не сохраняется, но сохраняется полная энергия (включая энергию покоя). Например, при делении ядра урана масса продуктов реакции меньше массы исходного ядра на величину дефекта массы, которая переходит в кинетическую энергию осколков и излучение.

Для химических реакций релятивистские поправки ничтожно малы (порядка 10⁻¹⁰ от исходной массы), поэтому классический закон сохранения массы в химии выполняется с высокой точностью.

Значение в науке и технике

В химии

Закон сохранения массы является основой количественного анализа и стехиометрии. Он позволяет:

• рассчитывать массы реагентов и продуктов реакции;
• составлять материальные балансы технологических процессов;
• разрабатывать методы синтеза веществ с заданными свойствами.

Нарушение закона в эксперименте указывает на ошибку измерений или на протекание побочных процессов (например, улетучивание газа).

В физике

Закон сохранения массы (вместе с законом сохранения энергии) лежит в основе механики сплошных сред, гидродинамики, термодинамики. В ядерной физике он заменен законом сохранения энергии-импульса.

В технике и промышленности

Принцип материального баланса используется при проектировании химических реакторов, печей, теплообменников. В металлургии, нефтепереработке, фармацевтике расчет массовых потоков — обязательный этап разработки технологии.

Критика и границы применимости

Экспериментальные проверки

В XIX веке закон неоднократно проверялся. Немецкий химик Ганс Ландольт в 1893 году провел серию опытов с особо точными весами и не обнаружил отклонений. В 1908 году американский химик Теодор Ричардс подтвердил сохранение массы с точностью до 10⁻⁶.

Ограничения

• Ядерные реакции: при делении и синтезе ядер масса не сохраняется, переходя в энергию.
• Релятивистские скорости: при скоростях, близких к скорости света, масса тела возрастает, что учитывается в релятивистской механике.
• Аннигиляция: при столкновении частицы и античастицы их масса полностью превращается в энергию.

Тем не менее, в повседневной жизни и в подавляющем большинстве химических процессов закон сохранения массы остается абсолютно точным.

Интересные факты

• Лавуазье использовал закон для опровержения теории флогистона, согласно которой при горении выделялось невесомое вещество.
• Ломоносов опередил Лавуазье на 30 лет, но его работы не были широко известны в Европе из-за языкового барьера.
• В 2010 году физики из Национального института стандартов и технологий (США) провели эксперимент, подтвердивший сохранение массы с точностью до 10⁻¹⁴ для химических реакций.

Источники

• Ломоносов М.В. «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760)
• Лавуазье А.Л. «Начальный курс химии» (1789)
• Ландольт Г. «О точности закона сохранения массы» (1893)
• Эйнштейн А. «К электродинамике движущихся тел» (1905)
• Физическая энциклопедия / под ред. А.М. Прохорова. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.