نویسنده: ندا علی‌خانی
بروزرسانی: 1 آبان 1402
یکی از قوانین مهم فیزیک، قانون پایستگی جرم یا قانون بقای جرم نام دارد. بر طبق این قانون، در یک واکنش فیزیکی یا شیمایی، جرم واکنش‌دهنده‌ها با جرم محصولات به دست آمده از آن واکنش برابر است و تغییری در آن ایجاد نمی‌شود. برای مثال در فرآیند احتراق یا سوختن، جرم چوب و اکسیژن مصرفی با جرم بخار آب، دی‌اکسیدکربن، دود و خاکستر حاصل از سوختن برابر است. برای آشنایی بیشتر با قانون پایستگی جرم که موضوع تحقیق کتاب علوم پایه نهم دانش‌آموزان است، تا انتهای مطلب پیش رو با ما همراه شوید.
قانون پایستگی جرم در واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی
بر طبق قانون پایستگی جرم در واکنش‌های شیمیایی جرم مواد واکنش‌دهنده با جرم مواد حاصل از واکنش برابر است. بر این اساس تعداد اتم‌های هر دو طرف یک معادله شیمیایی برابر خواهدبود. چگونگی و روش ترکیب مواد تاثیری بر تعداد اتم‌های حاضر در فرآیند ندارد. برای مثال اکسیدکلسیم از ترکیب یک مولکول اکسیژن و دو اتم کلسیم به دست می‌آید.
۲Ca + O2 → ۲CaO
در معادله‌ای که می‌بینید، واکنش‌دهنده‌ها دارای یک مولکول اکسیژن حاوی دو اتم اکسیژن و دو اتم کلسیم هستند. محصول نهایی این فرآیند هم دو مولکول اکسیدکلسیم بوده که هر کدام دارای یک اتم کلسیم و یک اتم اکسیژن است. ترتیب قرار گفتن عناصر در محصول نهایی متفاوت از آغاز واکنش است. با این حال مقدار و جرم مواد در طول فرآیند از ابتدا تا پایان برابر و یکسان است.
قانون پایستگی جرم در واکنش‌های فیزیکی هم وجود دارد. با وجود تغییرات فیزیکی مواد در طی یک واکنش فیزیکی، جرم آن‌ها در محصول نهایی همچنان ثابت باقی می‌ماند. به عنوان مثال آب با فرمول شیمیایی H2O که از ترکیب اتم‌های هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌است، در سه حالت جامد (یخ)، مایع و گاز (آب و بخار آب) در طبیعت یافت می‌شود. زمانی که یک گرم آب از حالت مایع به حالت جامد (یخ) تبدیل می‌شود، جرم آب در هر دو حالت یکسان بوده و تغییری نخواهدداشت. تعداد اتم‌های این ماده هم در تمام حالت‌ها پیش از تغییر و پس از آن همچنان ثابت خواهدماند.
قانون پایستگی جرم در واکنش‌های طبیعت
قانون پایستگی جرم را در چرخه‌های گوناگون طبیعت هم می‌توان دید. چرخه کربن و همچنین فرآیند فتوسنتز گیاهان نمونه‌هایی از چرخه‌های مهم در طبیعت هستند که از این قانون پیروی می‌کنند.
در فرآیند چرخه کربن، کربن مصرفی در نهایت دوباره به طبیعت بازمی‌گردد که نشانی از برقراری قانون پایستگی جرم است. به این مثال توجه کنید. منبع کربنی که موجودات زنده مصرف می‌کنند در کربن دی‌اکسید موجود در هوا یا محلول در آب است. گیاهان در طی فرآیند فتوسنتز از کربن دی‌اکسید موجود در هوا برای تولید غذا و کربوهیدرات استفاده می‌کنند. در مرحله بعد، سایر موجودات زنده همچون انسان‌ها و جانوران، گیاهان را برای ادامه بقا و زنده ماندن مصرف می‌کنند. از سوی دیگر تنفس سلولی فرآیندی است که در سیستم‌های بدن تمامی موجودات زنده انجام می‌شود. این اتفاق همان مرحله‌ای است که کربن‌دی‌اکسیدی که در ابتدا توسط گیاهان برای انجام فتوسنتز مصرف شده‌بود، دوباره به طبیعت بازمی‌گردد. که در واقع همان کربن مصرفی دوباره آزاد می‌شود.
از سوی دیگر بخشی از کربن‌های مصرفی در چرخه کربن به صورت سوخت‌های فسیلی مانند ذغال سنگ و نفت ذخیره می‌شود. سوزاندن این سوخت‌ها هم در نهایت منجر به آزادسازی کربن می‌شود. بنابراین با نگاهی به فرآیندهای گفته شده می‌توان نتیجه گرفت که قانون پایستگی جرم در طبیعت و درباره حرکت عناصر در سیستم‌های موجودات زنده هم صدق می‌کند.
قانون پایستگی جرم-انرژی
در سال ۱۹۰۵ نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین قانون جرم را نقض کرد. این نظریه مدعی شد که جرم و انرژی می‌توانند به یک‌دیگر تبدیل شوند. بر طبق این نظریه مقدار جرم در طول تمامی واکنش‌ها یکسان نخواهدبود. بلکه در طی برخی از واکنش‌های شیمیایی و واکنش‌های هسته‌ای ممکن است مقدار محصولات به دست آمده از فرآیند کمی بیشتر یا کمتر شده و تغییر کند. البته این نظریه بیشتر بر روی تغییر جرم در واکنش‌های هسته‌ای تاکید دارد؛ چراکه معتقد است میزان تغییر جرم مواد در طی واکنش‌های شیمیایی بسیار ناچیز بوده و هنوز هم می‌توان گفت که قانون پایستگی در طی چنین واکنش‌هایی برقرار است. اما واکنش‌های هسته‌ای گاهی می‌توانند منجر به تغییرات بیش از اندازه‌ای در میزان جرم و انرژی مواد حاصل از واکنش‌ها شوند و به همین دلیل قانون پایستگی جرم را نقض می‌کند. در نهایت این نظریه منجر به پدید آمدن قانون بقای جرم-انرژی شد.
جمع‌بندی
بر طبق قانون پایستگی جرم یا قانون بقای جرم مقدار و جرم مواد در طی واکنش‌های شیمیایی و فیزیکی، از ابتدای فرآیند تا انتها ثابت و یکسان خواهدبود و جرم مواد واکنش‌دهنده با مواد حاصل از واکنش برابر و مساوی هستند. قانونی که در بسیاری از فرآیندهای موجود در طبیعت همچون چرخه کربن هم صدق می‌کند.
برگرفته از: conservation of mass
