Massenerhaltungssatz

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

Physik

Es gibt keinen allgemein gültigen Erhaltungssatz, der besagt, dass in allen Prozessen die Summe der (Ruhe-)Massen der beteiligten Teilchen erhalten bleibt. Die Paarvernichtung, bei der ein Elektron und ein Positron vernichtet werden und zwei Photonen erzeugt werden, deren Masse Null beträgt, ist ein einfaches Gegenbeispiel.

Bei der Kernspaltung und bei der Kernfusion tritt der sogenannte Massendefekt auf, dass die anfängliche Summe der Kernmassen größer ist als die Summe der Massen der entstehenden Teilchen. Da sich an der Masse die Ruheenergie ablesen lässt, zeigt der Massendefekt, dass die entstehenden Teilchen in Ruhe weniger Energie als die anfänglichen Teilchen haben. Diese Energiedifferenz wird bei der Kernspaltung oder Kernfusion in Wärme und Strahlung umgewandelt, dabei bleibt die Energie erhalten, nicht aber die (Ruhe-)Masse. Die Gesamtbilanz des Systems aus Masse und Energie ist immer konstant (siehe Noether-Theorem).

Chemie

1748 war es Michail Wassiljewitsch Lomonossow, der dieses Gesetz postulierte. Ausformuliert wurde das Gesetz der Erhaltung der Massen 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 vor der Entdeckung des Sauerstoffs (1772 bzw. 1774) bei Verbrennungen dieses Gesetz nicht angewandt werden konnte, wurde als Hilfskonstruktion die Phlogistontheorie entwickelt.

Veranschaulichung der Phlogistontheorie

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

Was bei einer solchen Betrachtung nicht beachtet wurde ist, dass nicht alle Reaktionsprodukte berücksichtigt wurden. Wenn Kohle verbrennt, entsteht Kohlenstoffdioxid (Gas). Auch dieses hat eine Masse.

Wenn Eisenwolle erhitzt wird, verbindet sie sich mit dem Sauerstoff der sie umgebenden Luft. Auch der Sauerstoff hat eine Masse. Wenn man diese Reaktionen in einem abgeschlossenen Gefäß durchführt, wird man feststellen, dass die Masse der Stoffe im Gefäß konstant bleibt.

Die bei exothermen chemischen Reaktionen freiwerdende Energie ist freiwerdende Bindungsenergie der Elektronen. Tatsächlich bleibt die Masse nicht gleich: Durch den Massendefekt sind die Produkte einer exothermen Reaktion in der Tat leichter als die Edukte, wennauch dieser Effekt sehr klein ist. Beim Verbrennen eines Kilogramms Kohle (angenommerner Heizwert ca. 35 MJ) „verschwinden“ aufgrund des Massendefekts knapp 0,4 µg.

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