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.

Physik

In physikalischen Prozessen bleibt die Gesamtmasse nicht immer erhalten. Ein einfaches Gegenbeispiel ist die Paarvernichtung, bei der ein Elektron und ein Positron vernichtet und zwei Photonen erzeugt werden, deren Masse Null beträgt.

Allgemein besitzt jeder Energiebetrag eine Masse. Gibt ein physikalisches System Energie ab oder nimmt es Energie von außen auf, ändert sich daher seine Masse (Äquivalenz von Masse und Energie). So tritt bei jeder exothermen Kernreaktion der sogenannte Massendefekt auf: Die Summe der Massen der entstehenden Teilchen ist kleiner als die Summe der anfänglichen Kernmassen. 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 freigesetzte Energie kann in Form von Wärme technisch genutzt werden.

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 Ausgangsstoffe (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.

Veranschaulichung der Phlogistontheorie

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.

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, wenngleich dieser Effekt sehr klein ist. Beim Verbrennen von 1000 Gramm Kohlenstoffs mit 2664 Gramm Sauerstoff (Heizwert 32,8 MJ) „verschwinden“ aufgrund des Massendefekts 0,364 µg, d.h. 9,95·10⁻¹¹ der Masse.

Siehe auch

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

Gesetz der konstanten Proportionen (2. Grundgesetz der Chemie)
Gesetz der multiplen Proportionen (3. Grundgesetz der Chemie)

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de