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Massenerhaltungssatz
Er besagt, dass sich bei chemischen Reaktionen die Gesamt-Masse der beteiligten Stoffe nicht nennenswert ändert. Aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie …
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Grundidee und Geltungsbereich
Der Massenerhaltungssatz, manchmal auch Lomonossow-Lavoisier-Gesetz genannt, ist ein grundlegender Erhaltungssatz der Chemie. Er besagt, dass sich bei chemischen Reaktionen die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe nicht nennenswert ändert.
In moderner Form lautet die Regel: Bei einer chemischen Reaktion in einem geschlossenen System ist die Summe der Massen der Edukte gleich der Summe der Massen der Produkte. Edukte sind die Ausgangsstoffe einer Reaktion, Produkte die dabei entstehenden Stoffe. Die Atome werden bei der Reaktion also neu angeordnet, ohne dass im chemischen Modell Masse verloren geht oder hinzukommt.
Exakt gilt die Massenerhaltung nur in einem abgeschlossenen System, das weder Energie an seine Umgebung abgibt noch Energie aus ihr aufnimmt. Der Grund dafür ist die Äquivalenz von Masse und Energie. Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen sind die dadurch verursachten Massenänderungen jedoch so klein, dass sie bisher nicht gemessen werden konnten.
Bedeutung für die quantitative Chemie
Der Massenerhaltungssatz trug dazu bei, die Chemie zu einer quantitativen Wissenschaft zu machen, in der Stoffmengen und Massen rechnerisch und experimentell bestimmt werden. Dabei wirkte er mit zwei weiteren Gesetzen zusammen: dem Gesetz der konstanten Proportionen von Proust aus dem Jahr 1797 und dem Gesetz der multiplen Proportionen von Dalton aus dem Jahr 1808. Eine theoretische Grundlage erhielten diese drei Gesetze durch Daltons Atomhypothese.
Anfang des 20. Jahrhunderts bestätigten Hans Landolt und Roland von Eötvös die Massenerhaltung bei chemischen Reaktionen jeweils mit hoher Messgenauigkeit.
Anwendungsbeispiel Kraftstoffverbrennung
Mithilfe der Massenerhaltung lässt sich beispielsweise aus Kraftstoffart und Kraftstoffverbrauch bestimmen, wie viel Kohlenstoffdioxid ein Pkw pro Kilometer ausstößt. Ein Liter Diesel enthält etwa 700 g Kohlenstoff. Dieser verbindet sich bei der Verbrennung mit 1880 g Sauerstoff zu 2580 g Kohlenstoffdioxid.
Verbraucht ein Auto 6 Liter Diesel auf 100 km, ergibt sich daraus ein Ausstoß von 155 g CO₂ pro gefahrenem Kilometer. Die Masse des Sauerstoffs muss dabei mitgerechnet werden, obwohl er nicht im Kraftstoff enthalten ist, sondern aus der Luft aufgenommen wird.
Masse und Energie
Nach Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie gilt die Massenerhaltung nicht unabhängig von der Energieerhaltung. Die Ruheenergie eines Systems ist gemäß E₀ = mc² seiner Masse äquivalent. Dabei bezeichnet E₀ die Ruheenergie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit.
In einem abgeschlossenen System bleibt die Masse aufgrund der Energieerhaltung streng erhalten. Gibt ein System dagegen Energie nach außen ab, verändert sich seine Masse. Bei einer exothermen Reaktion, also einer Reaktion mit Energieabgabe, nimmt sie geringfügig ab.
Beim Verbrennen von 1000 g Kohlenstoff mit 2664 g Sauerstoff beträgt der Heizwert 32,8 MJ. Die Masse des entstehenden Kohlenstoffdioxids ist wegen der abgegebenen Energie um 0,364 μg geringer. Das entspricht nur einem Zehnmilliardenstel, also 10⁻¹⁰, der beteiligten Masse. Solche Massenänderungen konnten bei chemischen Reaktionen bisher nicht gemessen werden. In der Kern- und Teilchenphysik sind die sogenannten Massendefekte dagegen wesentlich größer und wurden bereits in den 1930er Jahren nachgewiesen.
Historische Entwicklung
Die erste ausdrückliche Formulierung des Massenerhaltungsprinzips wird meist Antoine Lavoisier zugeschrieben. Er überprüfte es in zahlreichen Experimenten mit Waagen und formulierte es 1789 in seinem Traité élémentaire de chimie ausdrücklich, hatte es aber bereits früher verwendet.
Die Vorstellung von der Erhaltung der Masse ist älter und reicht als Naturprinzip bis in die Antike zurück. Jean Rey formulierte sie 1630; auch Edme Mariotte im Jahr 1678 und Jean Pierre Chardenon im Jahr 1764 äußerten entsprechende Gedanken. Joseph Black, Henry Cavendish und Michail Lomonossow verwendeten das Prinzip ebenfalls.
Später behaupteten sowjetische Wissenschaftler, Lomonossow habe das Gesetz vor Lavoisier formuliert und um 1756 experimentell bestätigt; Lavoisier habe es von ihm übernommen. Philip Pomper wies diese Behauptungen zurück. Lomonossow erklärte die Gewichtszunahme von Metallen bei der Kalzination in Gegenwart von Luft jedoch richtig durch die Aufnahme von Bestandteilen der Luft. Als Kalzination bezeichnete man damals das trockene Erhitzen an Luft.
