قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی | به زبان ساده

در زمان انجام یک واکنش شیمیایی، با یک یا چند تغییر شیمیایی، مواد واکنش‌دهنده به فرآورده تبدیل می‌شوند. تمامی واکنش‌ها از قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی تبعیت می‌کنند. این قانون بیان می‌کند فارغ از واکنش‌های شیمیایی و تبدیلات فیزیکی، جرم در این فرآیندها ثابت می‌ماند. به عبارت دیگر در یک سیستم بسته جرم نه از بین می رود و نه ایجاد می‌شود و به بیان ساده‌تر، جرم فرآورده‌ها همواره با جرم واکنش‌دهنده‌ها یکسان خواهند بود.

موازنه بودن واکنش های شیمیایی

همانطور که می‌دانید، واکنش‌های شیمیایی به کمک معادلات شیمیایی بیان می‌شوند. به طور مثال واکنشی ساده مانند سوختن متان را در نظر بگیرید. در این واکنش سوختن، متان با گاز اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شود و گاز دی‌اکسید کربن و بخار آب تولید می‌کند. این واکنش را با معادله زیر نشان می‌دهند.

$$\begin{equation} \mathrm{CH}_{4}+2 \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{equation}$$

این معادله نشان می‌دهد یک مولکول از متان با دو مولکول از اکسیژن ترکیب می‌شود تا یک مولکول دی‌اکسید کربن و ۲ دو مولکول بخار آب تولید کند. برای این‌که پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی را بررسی کنیم باید تمامی این واکنش‌ها به صورت موازنه شده باشند یعنی باید تعداد برابر از هر نوع اتم در دو طرف معادله واکنش داشته باشیم. بنابراین اولین سوالی که باید به هنگام بررسی پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی بپرسید این است که آیا معادله واکنش موازنه شده است یا خیر. با نگاهی به معادله بالا درمی‌یابیم که این معادله به صورت موازنه شده است چراکه یک اتم کربن، ۴ اتم هیدروژن و چهار اتم اکسیژن در هر دو طرف معادله داریم. سکس از روش‌های موازنه واکنش‌های شیمیایی، روش وارسی است.

اما چرا باید موازنه بودن معادله شیمیایی را کنترل کنیم. دلیل آن وجود قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی است که بیان می‌کند در طول واکنش شیمیایی، هیچ ماده‌ای تولید نمی‌شود یا از بین نمی‌رود. در نتیجه، در هر یک از واکنش‌های شیمیایی باید به میزان همان جرمی که واکنش‌دهنده داریم، فرآورده نیز داشته باشیم. با این تعریف، زمانی که استوکیومتری واکنش را بررسی می‌کنیم می‌بینیم که ضرایبی باید در معادلات قرار بگیرند تا تعداد اتم‌ها در هر دو طرف معادله واکنش و به دنبال آن جرم فرآورده و واکنش‌دهنده یکسان باشند.

لاوازیه و پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی

تا قرن هجدهم، با وجود این‌که پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی به صورت یک اصل ارائه نشده بود اما توسط دانشمندان مختلف به عنوان یک فرض مورد استفاده قرار می‌گرفت. این اصل برای اولین بار در سال 1756 توسط دانشمند روسی، «میخاییل لومونسف» (Mikhail Lomonosov) مطرح شد. البته او پیش‌تر به نتایجی مشابه دست پیدا کرده بود.

فیلم آموزش فرآورده و واکنش‌ دهنده + ویژگی‌ و کاربرد (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

آزمایش‌های دقیق‌تری که در قرن هجدهم توسط دانشمند فرانسوی «آنتوان لاوازیه» (Antoine Lavoisier) به انجام رسید در فهم قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی بسیار موثر بود. لاوازیه جرم فرآورده‌ها و واکنش‌دهنده‌ها را در چندین واکنش شیمیایی به دقت اندازه‌گیری کرد. او تمامی آزمایش‌ها را در ظرفی عایق همچون تصویر زیر انجام داد. در هریک از آزمایش‌ها، جرم مواد موجود در ظرف آزمایش، قبل و بعد از واکنش، برابر بودند. در نتیجه این آزمایش‌ها نشان دادند که نه جرمی تولید شده و نه جرمی از بین رفته است.

بعد از فهم این قانون، پایستگی انرژی در واکنش های شیمیایی سبب شد تا علم شیمی از کیمیاگری به علمی تبدیل شود که به امروز به عنوان شیمی مدرن می‌شناسیم. زمانی که دانشمندان متوجه شدند مواد شیمیایی هیچ‌گاه از بین نمی‌روند بلکه به مواد دیگری با جرم برابر تبدیل می‌شوند، مطالعاتی کمی را در رابطه با تبدیل مواد مختلف به یکدیگر انجام دادند.

اهمیت درک واکنش های شیمیایی و قانون پایستگی جرم

اهمیت این قانون در بررسی موازنه انرژی و مواد در واکنش‌های شیمیایی و به خصوص در صنعت دو چندان می‌شود. اما اگر بخواهیم این قانون را به شکلی ساده‌تر بیان کنیم می‌توان با مثال‌های ساده‌ای این موضوع را توضیح داد. سوختن تنه درختی با وزن ۳۰۰ کیلوگرم را در نظر بگیرید. زمانی که این کنده درخت به طور کامل بسوزد، وزن نهایی خاکستر آن شاید در حدود ۱۰ کیلوگرم باشد. اگر قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی را به خوبی درک کرده باشید می‌دانید که ۲۹۰ کیلوگرم باقی‌مانده باید به نحوی در جای دیگری وجود داشته باشد چراکه جرم کل در نهایت باید با جرم تنه درخت برابر باشد. با کمی دقت متوجه خواهید شد که این جرم باقیمانده به صورت دوده و گرد و غبار به اتمسفر یا همان جو زمین وارد شده است.

مثال کاربرد قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی

اگر حرارت دادن به ۱۰ گرم کلسیم کربنات با فرمول $$CaCO_3$$ سبب تولید ۴/۴ گرم دی‌اکسید کربن و ۵/۶ گرم کلسیم اکسید $$CaO$$ شود نشان دهید که مشاهدات حاصل از این واکنش سوختن، منطبق بر قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی است.

قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی به ما می‌گویند که جرم واکنش‌دهنده‌ها با جرم فرآورده‌ها برابر است. بنابراین خواهیم داشت:

جرم فرآورده‌ها = جرم واکنش‌دهنده‌ها

جرم کلسیم اکسید + جرم دی‌اکسید کربن = جرم کلسیم کربنات

۵/۶ + ۴/۴ = 10

10 = 10

با توجه به این‌که جرم واکنش‌دهنده‌ها با جرم فرآورده‌ها یکسان است، در نتیجه، مشاهدات ما بیان می‌کنند که این واکنش مطابق با قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی است.

توجه داشته باشید که این قانون را می‌توان هم برای تغییرات شیمیایی و هم برای تغییرات فیزیکی بکار برد. به طور مثال اگر یک قطعه یخ داشته باشید که ذوب و به آب تبدیل شود و در ادامه آن‌را حرارت دهید و به گاز تبدیل کنید در هریک از این تغییرات، جرم اولیه با جرم نهایی برابر خواهد بود.

بیان ریاضی قانون پایستگی جرم

قانون پایستگی جرم را به صورت ریاضی در شاخه‌های مکانیک سیالات از طریق معادله پیوستگی به شکل دیفرانسیلی زیر تعریف می‌کنند.

$$\begin{equation} \frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot(\rho \mathbf{v})=0 \end{equation}$$

در رابطه بالا:

• «$$\rho$$»: چگالی
• «$$t$$»: زمان
• «$$\nabla$$»: عملگر دِل
• «$$v$$»: سرعت جریان

معادله بالا را برای جرم به این صورت می‌توان توصیف کرد که برای سیستمی بسته، جرم کل M یعنی مجموع جرم تمامی اجزا با زمان تغییر نمی‌کند در نتیجه می‌توان آن‌را به شکل زیر نشان داد.

$$\begin{equation} \frac{\mathrm{d} M}{\mathrm{~d} t}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} t} \int \rho \mathrm{d} V=0 \end{equation}$$

معرفی فیلم آموزش موازنه انرژی و مواد

همانطور که در طول متن هم به آن اشاره شد، موازنه انرژی و مواد از جمله موضوعات مهمی است که در محاسبات خوراک ورودی به پالایشگاه‌ها و موضوعاتی مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل، فرادرس دوره‌ای آموزشی با مدت زمان حدود ۱۰ ساعت را در پنج درس تدوین کرده است که در ادامه به توضیح این دروس خواهیم پرداخت.

در درس یکم از این آموزش، کمیت‌های مختلف و نحوه تبدیل واحد آموزش داده می‌شود و پارامترهای فیزیکی همچون مول، جرم مولی، حجم مولی، حجم مخصوص و پارامترهایی مشابه مورد بررسی قرار می‌گیرد. علاوه بر این، نحوه محاسبات استوکیومتری نیز مباحث مهم درس اول را تشکیل می‌دهند.

درس دوم از این آموزش به موازنه ماده اختصاص دارد. در این درس انواع تقسیم‌بندی سیستم‌ها از نگاه تبادل جرم و انرژی بررسی می‌شود و خواص شدتی و مقداری به همراه معادلات موازنه جرم مرور می‌شوند. همچنین، نحوه تجزیه و تحلیل مسائل موازنه مواد و انواع جریان از جمله جریان برگشتی، کنارگذر و زدایشی در این درس آموزش داده خواهد شد. در درس سوم، خواص سیالات بررسی می‌شوند که از جمله مباحث مهم آن باید به گاز کامل، ثابت جهانی گازها و همچنین قوانین حاکم در بررسی رفتار گازها اشاره کرد. گاز واقعی و معادلات مربوط به آن نیز در همین درس بررسی خواهند شد.

درس چهارم به موازنه انرژی اختصاص دارد. مباحثی همچون انرژی جنبشی، پتانسیل و انرژی درونی به همراه مفاهیم کار، گرما و آنتالپی در این درس بررسی می‌شوند. مباحث ترمودینامیکی از جمله قانون اول ترمودینامیک و توابع حالت و مسیر، مباحث دیگر این درس را تشکیل می‌دهند. درس آخر این آموزش نیز موازنه انرژی و مواد در حالت‌ ناپایدار را بررسی می‌کند. از جمله مباحث مهم این درس نیز می‌توان به تعریف سیستم ناپایدار و همچنین بررسی حالت‌ ناپایدار در موازنه مواد و انرژی اشاره کرد.

قانون پایستگی جرم و انرژی

این قانون بعدها توسط انیشتین اصلاح شد و به قانون پایستگی جرم و انرژی تغییر پیدا کرد. قانون بقای جرم و انرژی بیان می‌کند که جرم و انرژی کل در یک سیستم بدون تغییر باقی می‌مانند. اصلاح این قانون شامل تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر می‌شود. با این وجود، قانون پایستگی جرم در واکنش های شیمیایی همچنان به عنوان مفهومی کاربردی در این علم مورد استفاده قرار می‌گیرد.