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vom 15.09.2014, aktuelle Version,

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

Die Summe der (Ruhe-)Massen der beteiligten Teilchen bleibt nicht in allen Prozessen erhalten. Die Paarvernichtung, bei der ein Elektron und ein Positron vernichtet und zwei Photonen erzeugt werden, deren Masse Null beträgt, ist ein einfaches Gegenbeispiel.

Bei der Kernspaltung und bei manchen Kernfusions-Reaktionen tritt 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 bei der Kernspaltung oder Kernfusion in Wärme und Strahlung umgewandelt; dabei bleibt die Gesamtenergie erhalten, nicht aber die (Ruhe-)Masse.

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 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. Er 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 Gas 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, 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