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Massenerhaltungssatz


Der Massenerhaltungssatz (Lomonossow-Lavoisier-Gesetz) ist ein Erhaltungssatz im Bereich der Chemie, der besagt, dass sich bei chemischen Reaktionen die Masse nicht spürbar ändert. In der Physik gilt der Satz jedoch nicht.

Chemie

1748 postulierte Michail Wassiljewitsch Lomonossow das Massenerhaltungsgesetz. Ausformuliert wurde es 1789 von Antoine Laurent de Lavoisier: Bei einer chemischen Reaktion im geschlossenen System ist die Summe der Masse der Edukte gleich der Summe der Masse der Produkte.

Da dieses Gesetz vor der Entdeckung des Sauerstoffs (1772 bzw. 1774) bei Verbrennungen nicht zu gelten schien, wurde als Hilfskonstruktion die Phlogistontheorie entwickelt. Diese schien z. B. die folgenden Beobachtungen zu erklären:

  • Wenn man Kohle verbrennt, bleibt Asche zurück. Die Asche ist leichter als der Ausgangsstoff Kohle.
  • Erhitzt man ein Stück Eisenwolle stark, entsteht ein grau-blauer Feststoff. Er ist deutlich schwerer als der Ausgangsstoff Eisenwolle.

Diese Betrachtungen konnten sinnvoll erscheinen, weil nicht alle Reaktionsprodukte berücksichtigt wurden. Beim Verbrennen von Kohle entsteht Kohlenstoffdioxid (Gas), das eine Masse hat. Erhitzte Eisenwolle verbindet sich mit dem Sauerstoff der umgebenden Luft; auch dieser hat eine Masse. Führt man diese Reaktionen in einem abgeschlossenen Gefäß durch, wird man feststellen, dass die Masse der Stoffe im Gefäß konstant bleibt.

Physik

Die bei exothermen chemischen Reaktionen freiwerdende Energie ist freiwerdende Bindungsenergie der Elektronen. Die Masse bleibt nicht gleich: Durch den Massendefekt sind die Produkte einer exothermen Reaktion leichter als die Edukte, wenngleich dieser Effekt sehr klein ist. Beim Verbrennen von 1000 Gramm Kohlenstoff mit 2664 Gramm Sauerstoff (Heizwert 32,8 MJ) „verschwinden“ aufgrund des Massendefekts 0,364 µg, d.h. 9,95·10−11 (99,5 Billionstel) der Masse.

In physikalischen Prozessen bleibt ganz allgemein die Gesamtmasse im Allgemeinen nicht erhalten. Ein einfaches Gegenbeispiel ist die Paarvernichtung, bei der ein Elektron und ein Positron, also Teilchen mit Masse, vernichtet und dafür zwei Photonen erzeugt werden, deren Masse Null beträgt. Die Masse jedes Systems ändert sich, wenn es Energie abgibt oder aufnimmt (siehe Äquivalenz von Masse und Energie).

So tritt auch bei jeder exothermen Kernreaktion der Massendefekt auf: Die Summe der Massen der entstehenden Teilchen ist kleiner als die Summe der anfänglichen Massen. Da sich an der Masse die Ruheenergie ablesen lässt, haben die entstehenden Teilchen in Ruhe weniger Energie als die anfänglichen Teilchen. Diese Energiedifferenz wird als Photonenenergie und/oder als kinetische Energie freigesetzt. Dabei bleibt die Gesamtenergie erhalten, nicht aber die Masse. Insbesondere die von Kernspaltungs- und Kernfusionsreaktionen aus dem Massendefekt freigesetzte Energie kann nach Umwandlung in Wärme technisch genutzt werden.

Siehe auch

Aus dem Massenerhaltungssatz als dem 1. Grundgesetz der Chemie gingen auch hervor:


Kategorien: Chemische Reaktion

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