Loi de conservation de la chimie de masse. L'essence d'une réaction chimique

La masse de substances entrant dans une réaction chimique est égale à la masse de substances formées à la suite de la réaction.

La loi de conservation de la masse est un cas particulier de la loi générale de la nature - la loi de conservation de la matière et de l'énergie. Sur la base de cette loi, les réactions chimiques peuvent être représentées à l'aide d'équations chimiques, de formules chimiques de substances et de coefficients stœchiométriques qui reflètent les quantités relatives (nombre de moles) de substances impliquées dans la réaction.

Par exemple, la réaction de combustion du méthane s’écrit comme suit :

Loi de conservation de la masse des substances

(M.V. Lomonossov, 1748 ; A. Lavoisier, 1789)

La masse de toutes les substances impliquées dans une réaction chimique est égale à la masse de tous les produits de réaction.

La théorie atomique-moléculaire explique cette loi comme suit : à la suite de réactions chimiques, les atomes ne disparaissent ni n'apparaissent, mais leur réarrangement se produit (c'est-à-dire qu'une transformation chimique est le processus de rupture de certaines liaisons entre atomes et d'en former d'autres, comme un résultat duquel à partir des molécules originales des substances, des molécules de produits de réaction sont obtenues). Puisque le nombre d’atomes avant et après la réaction reste inchangé, leur masse totale ne devrait pas non plus changer. La masse était comprise comme une quantité caractérisant la quantité de matière.

Au début du XXe siècle, la formulation de la loi de conservation de la masse est révisée à l'occasion de l'avènement de la théorie de la relativité (A. Einstein, 1905), selon laquelle la masse d'un corps dépend de sa vitesse et de sa vitesse. , caractérise donc non seulement la quantité de matière, mais aussi son mouvement. L'énergie E reçue par un corps est liée à l'augmentation de sa masse m par la relation E = m c 2, où c est la vitesse de la lumière. Ce rapport n'est pas utilisé dans les réactions chimiques, car 1 kJ d'énergie correspond à une variation de masse d'environ 10 à 11 g et m ne peut pratiquement pas être mesuré. Dans les réactions nucléaires, où E est ~10 6 fois plus grand que dans les réactions chimiques, m doit être pris en compte.

Sur la base de la loi de conservation de la masse, il est possible d'établir des équations de réactions chimiques et d'effectuer des calculs à l'aide de celles-ci. C'est la base de l'analyse chimique quantitative.

Loi de constance de la composition

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Loi de constance de composition ( J.L. Proust, 1801 -1808.) - tout composé chimiquement pur spécifique, quelle que soit la méthode de préparation, est constitué du même éléments chimiques, et les rapports de leurs masses sont constants, et nombres relatifs leur atomes sont exprimés sous forme d’entiers. C'est l'une des lois fondamentales chimie.

La loi de constance de composition n’est pas satisfaite pour Berthollides(composés de composition variable). Cependant, par souci de simplicité, la composition de nombreux Berthollides est écrite comme constante. Par exemple, la composition oxyde de fer(II)écrit FeO (au lieu de la formule plus précise Fe 1-x O).

LOI DE COMPOSITION CONSTANTE

Selon la loi de constance de composition, toute substance pure a une composition constante, quelle que soit la méthode de préparation. Ainsi, l'oxyde de calcium peut être obtenu des manières suivantes :

Quelle que soit la manière dont la substance CaO est obtenue, elle a une composition constante : un atome de calcium et un atome d'oxygène forment la molécule d'oxyde de calcium CaO.

Déterminer la masse molaire de CaO :

Nous déterminons la fraction massique de Ca à l'aide de la formule :

Conclusion : Dans un oxyde chimiquement pur, la fraction massique de calcium est toujours de 71,4 % et d'oxygène de 28,6 %.

Loi des multiples

La loi des rapports multiples est l'une des stœchiométrique lois chimie: si deux substances (simple ou complexe) forment plus d'un composé les uns avec les autres, alors les masses d'une substance pour une et même masse d'une autre substance sont liées comme nombres entiers, généralement petit.

Loi de conservation de la masse et de l'énergie

Après avoir prouvé l'existence d'atomes et de molécules, la découverte la plus importante de la théorie atomique-moléculaire fut la loi de conservation de la masse, formulée comme concept philosophique par le grand scientifique russe Mikhaïl Vassilievitch Lomonossov (1711-1765) en 1748 et confirmé expérimentalement par lui-même en 1756 et indépendamment de lui par le chimiste français A.L. Lavoisier en 1789.

La masse de toutes les substances impliquées dans une réaction chimique est égale à la masse de tous les produits de réaction.

Les expériences sur la combustion de substances réalisées avant Lomonosov ont suggéré que la masse des substances n'est pas conservée pendant la réaction. Lorsqu'il est chauffé dans l'air, le mercure se transforme en écaille rouge dont la masse est supérieure à la masse du métal. La masse de cendres formée lors de la combustion du bois, au contraire, est toujours inférieure à la masse de la substance d'origine.

Lomonossov a mené une expérience simple qui a montré que la combustion d'un métal est une réaction d'addition et que l'augmentation de la masse du métal est due à l'ajout d'une partie de l'air. Il a calciné des métaux dans un récipient en verre scellé et a constaté que la masse du récipient ne changeait pas, bien qu'une réaction chimique se produise. Après l’ouverture du navire, l’air s’est précipité et la masse du navire a augmenté. Ainsi, avec une mesure minutieuse de la masse de tous les participants à la réaction, il s'avère que la masse des substances lors d'une réaction chimique est conservée. La loi de conservation de la masse revêtait une grande importance pour la théorie atomique et moléculaire. Il a confirmé que les atomes sont indivisibles et ne changent pas lors des réactions chimiques. Les molécules échangent des atomes au cours d'une réaction, mais le nombre total d'atomes de chaque type ne change pas et la masse totale des substances pendant la réaction est donc maintenue.

La loi de conservation de la masse est un cas particulier d'une loi générale de la nature - la loi de conservation de l'énergie, qui stipule que l'énergie d'un système isolé est constante. L'énergie est une mesure du mouvement et de l'interaction de différents types de matière. Au cours de tout processus dans un système isolé, l'énergie n'est ni produite ni détruite, elle ne peut que passer d'une forme à une autre.

Une forme d'énergie est ce qu'on appelle l'énergie de repos, qui est liée à la masse par la relation d'Einstein

où c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3 108 m/s). Cette relation montre que la masse peut être convertie en énergie et vice versa. C'est exactement ce qui se produit dans toutes les réactions nucléaires et la loi de conservation de la masse dans les processus nucléaires est donc violée. Cependant, la loi de conservation de l'énergie reste valable dans ce cas, si l'on prend en compte l'énergie restante.

Dans les réactions chimiques, le changement de masse provoqué par la libération ou l’absorption d’énergie est très faible. L'effet thermique typique d'une réaction chimique, par ordre de grandeur, est de 100 kJ/mol. Calculons comment la masse change :

∆m = ∆E/s2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 kg/mol = 10-9 g/mol.

Exemples de résolution de problèmes

1. Déterminez la masse d'iodure de sodium NaI avec une quantité de substance de 0,6 mol.

Étant donné : ν(NaI)= 0,6 mol.

Trouver : m(NaI) =?

Déterminer la masse de NaI :

Réponse : 90 g.

2. Déterminez la quantité de bore atomique contenue dans le tétraborate de sodium Na 2 B 4 O 7 pesant 40,4 g.

Étant donné : m(Na 2 B 4 O 7) = 40,4 g.

Trouver : ν(B)=?

Solution. La masse molaire du tétraborate de sodium est de 202 g/mol. Déterminer la quantité de substance Na 2 B 4 O 7 :

ν(Na 2 B 4 O 7) = m(Na 2 B 4 O 7)/ M(Na 2 B 4 O 7) = 40,4/202 = 0,2 mol.

Rappelons que 1 mole de molécule de tétraborate de sodium contient 2 moles d'atomes de sodium, 4 moles d'atomes de bore et 7 moles d'atomes d'oxygène (voir la formule du tétraborate de sodium). Alors la quantité de substance atomique borée est égale à :

ν(B)= 4 ν (Na 2 B 4 O 7) = 4 0,2 = 0,8 mol.

Réponse : 0,8 mole

3. Quelle masse de phosphore faut-il brûler pour obtenir de l'oxyde de phosphore (V) pesant 7,1 g ?

Étant donné : m(P 2 O 5) = 7,1 g.

Trouver : m(P) = ?

Solution : notez l'équation de la réaction de combustion du phosphore et arrangez les coefficients stoechiométriques.

4P+ 5O 2 = 2P 2 O 5

Déterminez la quantité de substance P 2 O 5 résultant de la réaction.

ν(P 2 O 5) = m(P 2 O 5)/ M(P 2 O 5) = 7,1/142 = 0,05 mol.

De l'équation de réaction, il s'ensuit que ν(P 2 O 5) = 2 ν(P), donc la quantité de phosphore nécessaire dans la réaction est égale à :

ν(P 2 O 5)= 2 ν(P) = 2 0,05= 0,1 mol.

De là on trouve la masse de phosphore :

m(P) = ν(P) M(P) = 0,1 31 = 3,1 g.

Réponse : 3,1 g.

4. Quelle masse de chlorure d'ammonium se forme lorsque du chlorure d'hydrogène pesant 7,3 g réagit avec de l'ammoniac pesant 5,1 g ? Quel gaz restera en excès ? Déterminez la masse de l'excédent.

Étant donné : m(HCl) = 7,3 g ; m(NH 3 ) = 5,1 g.

Trouver : m(NH 4 Cl) = ? m(excès) =?

Solution : notez l’équation de la réaction.

HCl + NH 3 = NH 4 Cl

Cette tâche concerne les « excès » et les « carences ». Nous calculons les quantités de chlorure d’hydrogène et d’ammoniac et déterminons quel gaz est en excès.

loi de conservation chimique de masse des atomes

ν(HCl) = m(HCl)/M(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 mole ;

ν(NH 3) = m(NH 3)/ M(NH 3) = 5,1/ 17 = 0,3 mol.

L'ammoniac est en excès, nous calculons donc en fonction de la carence, c'est-à-dire pour le chlorure d'hydrogène. De l'équation de réaction, il s'ensuit que ν(HCl) = ν(NH 4 Cl) = 0,2 mol. Déterminez la masse de chlorure d’ammonium.

m(NH 4 Cl) = ν(NH 4 Cl) М(NH 4 Cl) = 0,2 · 53,5 = 10,7 g.

Nous avons déterminé qu'il y a un excès d'ammoniac (en termes de quantité de substance, l'excès est de 0,1 mole). Calculons la masse d'ammoniac en excès.

m(NH 3) = ν(NH 3) M(NH 3) = 0,1 17 = 1,7 g.

Réponse : 1,7 g.

5.Quelle est la masse de 12 moles d’aluminium non déchet ?

Étant donné : ν(AL(NO3)3)= 12 mol

Trouver : m (AL(NO3)3)=?

Solution : Mr (AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 g/mol

m=M* ν 213*12=2556g

Réponse : 2556g

6. combien y a-t-il de moles de carbonate de magnésium dans 64 g. Du carbonate de magnésium ?

Étant donné : m(Mg Co3)=64

Trouver : ν(Mg Co3)=?

Solution : Mr(Mg Co3)=24+12+16*3=36+48=84 g/mol

ν = m/M 64/84 = 0,76 mole

Réponse : 0,76 mole

7. Combien y a-t-il de taupes dans 420 g. FeO?

Étant donné : m(Fe O)=420g.

Trouver : ν(FeO)=?

Solution : M(FeO)=56+16=72

ν = m/M 420/72 = 5,8 moles

Réponse : 5,8 moles

8.Quelle est la masse de sel de table dans 2,5 moles de la substance ?

Étant donné : ν(NaCl)=2,5 mol

Trouver : m(NaCl)=?

Solution : Mr(NaCl)=23+35=58

m=M* ν 58*2,5=145g.

Réponse : 145g.

9. Combien de moles y a-t-il dans 250 g de ZnO ?

Étant donné : m(ZnO)=250g

Trouver : ν(ZnO)=?

Solution : (ZnO)=65+16=81 g/mol

ν = m/M 250/81 = 3

Réponse : 3 taupes

10. Déterminer la masse d'iodure de sodium NaI ?

Étant donné : ν(NaI)= 0,6 mol.

Trouver : m(NaI) =?

Solution. La masse molaire de l'iodure de sodium est :

M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 g/mol

Déterminer la masse de NaI :

m(NaI) = ν(NaI) M(NaI) = 0,6 150 = 90 g.

Réponse : 90 g

Et l'énergie ne se conserve pas séparément, mais ensemble : au lieu de deux lois de conservation apparemment différentes de la physique newtonienne, l'une opère dans la physique relativiste - la loi combinée de conservation de la masse et de l'énergie. Einstein a donné le premier exemple de transformations de masse et d'énergie en 1905. Il a discuté de l'émission d'ondes électromagnétiques par un corps, et on pensait que les ondes quittaient le corps symétriquement vers...

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La loi de conservation de la masse des substances est l’une des lois les plus importantes de la chimie. Il a été découvert par M.V. Lomonossov, puis confirmé expérimentalement par A. Lavoisier. Alors, quelle est l’essence de cette loi ?

Histoire

La loi de conservation de la masse des substances a été formulée pour la première fois par M.V. Lomonossov en 1748 et l'a confirmée expérimentalement en utilisant l'exemple de la cuisson de métaux dans des récipients scellés en 1756. Lomonossov a relié la loi de conservation de la masse des substances à la loi de conservation de l'énergie (quantité de mouvement). Il considérait ces lois dans l'unité comme une loi universelle de la nature.

Riz. 1. M.V. Lomonossov.

Mais même avant Lomonossov, il y a plus de 20 siècles, le scientifique grec Démocrite supposait que tout ce qui est vivant et non vivant était constitué de particules invisibles. plus tard au XVIIe siècle, ces suppositions furent confirmées par R. Boyle. Il a mené des expériences avec du métal et du bois et a constaté que le poids du métal augmentait après chauffage et que le poids des cendres, au contraire, diminuait par rapport au bois.

Indépendamment de M.V. Lomonossov, la loi de conservation de la masse d'une substance a été établie en 1789 par le chimiste français A. Lavoisier, qui a montré que lors de réactions chimiques, non seulement la masse totale des substances est conservée, mais aussi la masse de chacune des substances. éléments qui composent les substances en interaction.

Les vues de Lomonosov et de Lavoisier ont été confirmées par la science moderne. En 1905, A. Einstein montra qu'il existe une relation entre la masse d'un corps (m) et son énergie (E), exprimée par l'équation :

où c est la vitesse de la lumière dans le vide.

Riz. 2. Albert Einstein.

Ainsi, la loi de conservation de la masse fournit une base matérielle pour l'élaboration d'équations de réactions chimiques.

L'essence de la loi de conservation de la masse de matière

La loi de conservation de la masse d'une substance est la suivante : la masse des substances entrant dans une réaction chimique est égale à la masse des substances formées à la suite de la réaction.

Riz. 3. Loi de conservation de la masse de matière.

Lorsque vous écrivez des équations pour des réactions chimiques, vous devez vous assurer du respect de cette loi. Le nombre d'atomes d'un élément dans les côtés gauche et droit des réactions doit être le même, car les particules atomiques dans les transformations chimiques sont indivisibles et ne disparaissent nulle part, mais sont simplement transférées d'une substance à une autre. L’essence d’une réaction chimique est la rupture de certaines liaisons et la formation d’autres liaisons. Étant donné que ces processus sont associés à la dépense et à la production d'énergie, un signe égal dans les réactions peut être mis si les facteurs énergétiques, les conditions de réaction et les états globaux des substances sont pris en compte.

Très souvent, le signe égal, notamment dans les réactions inorganiques, est mis sans tenir compte des facteurs nécessaires, ce qui constitue une notation simplifiée. Lors de l'égalisation des coefficients, ils égalisent d'abord le nombre d'atomes de métal, puis de non-métal, puis d'hydrogène et enfin, ils vérifient la présence d'oxygène.

Qu'avons-nous appris ?

La loi de conservation de la masse d'une substance est étudiée à l'école de chimie de 8e année, car la compréhension de son essence est nécessaire à la préparation correcte des équations de réaction. Le fait que toute matière sur terre soit constituée de particules invisibles a été suggéré par l'ancien scientifique grec Démocrite, et ses disciples plus modernes Lomonossov, Lavoisier et Einstein l'ont prouvé expérimentalement.

Test sur le sujet

Évaluation du rapport

Note moyenne: 4.1. Notes totales reçues : 162.

La masse de toutes les substances impliquées dans une réaction chimique est égale à la masse de tous les produits de réaction.

Une forme d'énergie est ce qu'on appelle l'énergie de repos, qui est liée à la masse par la relation d'Einstein

∆m = ∆E/s2 = 105 / (3 108)2 ~ 10-12 kg/mol = 10-9 g/mol.

Exemples de résolution de problèmes

1 .Déterminer la masse d'iodure de sodium NaI avec une quantité de substance de 0,6 mol.

Donné: ν(NaI)= 0,6 mole.

Trouver: m(NaI) =?

Solution

Déterminer la masse de NaI :

Réponse : 90 g.

2 .Déterminer la quantité de bore atomique contenue dans le tétraborate de sodium Na2 B4 O7 pesant 40,4 g.

Donné: m(Na2B4O7)=40,4g.

Trouver: ν(B)=?

Solution. La masse molaire du tétraborate de sodium est de 202 g/mol. Déterminez la quantité de substance Na2 B4 O7 :

ν(Na2 B4 O7)= m(Na2 B4 O7)/ M(Na2 B4 O7) = 40,4/202=0,2 mol.

ν(B)= 4 ν (Na2 B4 O7)=4 0,2 = 0,8 mol.

Réponse : 0,8 mole

3. Quelle masse de phosphore faut-il brûler pour obtenir de l'oxyde de phosphore (V) pesant 7,1 g ?

Donné: m(P2O5)=7,1 g.

Trouver:m(P) =?

Solution: nous écrivons l'équation de la réaction de combustion du phosphore et organisons les coefficients stoechiométriques.

4P+5O2 = 2P2O5

Déterminez la quantité de substance P2 O5 obtenue dans la réaction.

ν(P2 O5) = m(P2 O5)/ М(P2 O5) = 7,1/142 = 0,05 mol.

De l'équation de réaction, il s'ensuit que ν(P2 O5) = 2 ν(P), donc la quantité de phosphore nécessaire dans la réaction est égale à :

ν(P2 O5)= 2 ν(P) = 2 0,05= 0,1 mol.

De là on trouve la masse de phosphore :

m(P) = ν(P) M(P) = 0,1 31 = 3,1 g.

Réponse : 3,1 g.

Donné: m(HCl) = 7,3 g ; m(NH3) = 5,1g.

Trouver: m(NH4Cl) =? m(excès) =?

Solution: notez l’équation de la réaction.

HCl + NH3 = NH4Cl

Cette tâche concerne les « excès » et les « carences ». Nous calculons les quantités de chlorure d’hydrogène et d’ammoniac et déterminons quel gaz est en excès.

loi de conservation chimique de masse des atomes

ν(HCl) = m(HCl)/M(HCl) = 7,3/36,5 = 0,2 mole ;

ν(NH3) = m(NH3)/ М(NH3) = 5,1/ 17 = 0,3 mol.

L'ammoniac est en excès, nous calculons donc en fonction de la carence, c'est-à-dire pour le chlorure d'hydrogène. De l’équation de réaction, il résulte que ν(HCl) = ν(NH4 Cl) = 0,2 mol. Déterminez la masse de chlorure d’ammonium.

m(NH4 Cl) = ν(NH4 Cl) М(NH4 Cl) = 0,2 53,5 = 10,7 g.

Nous avons déterminé qu'il y a un excès d'ammoniac (en termes de quantité de substance, l'excès est de 0,1 mole). Calculons la masse d'ammoniac en excès.

m(NH3) = ν(NH3) М(NH3) = 0,1 17 = 1,7 g.

Réponse : 1,7 g.

5. Quelle est la masse de 12 moles d’aluminium non-déchet ?

Donné : ν(AL(NO3)3)= 12 moles

Trouver : m(AL(NO3)3)=?

Solution: M(AL(NO3)3= 27+14*3+16*9=27+42+144=213 g/mol

m=M* ν 213*12=2556g

Réponse : 2556g

6 .combien de moles de carbonate de magnésium dans 64g. Du carbonate de magnésium ?

Donné: m(MgCo3)=64

Trouver:ν(MgCo3)=?

Solution: M(MgCo3)=24+12+16*3=36+48=84 g/mol

ν = m/M64/84=0,76 mole

Réponse : 0,76 mole

7. Combien y a-t-il de taupes dans 420 g ? FeO?

Donné: m(FeO)=420g.

Trouver:ν(FeO)=?

Solution: M(FeO)=56+16=72

ν = m/M420/72 = 5,8 moles

Réponse : 5,8 moles

8 .Kako Quelle est la masse de sel de table dans 2,5 moles de la substance ?

Donné:ν(NaCl)=2,5 moles

Trouver: m(NaCl)=?

Solution: M(NaCl)=23+35=58

m=M* ν 58*2,5=145g.

Réponse : 145g.

9. Combien de moles y a-t-il dans 250 g de ZnO ?

Donné: m(ZnO)=250g

Trouver:ν(ZnO)=?

Solution:(ZnO)=65+16=81 g/mol

Réponse : 3 taupes

10. Déterminer la masse d'iodure de sodium NaI ?

Donné: ν(NaI)= 0,6 mole.

Trouver: m(NaI) =?

Solution. La masse molaire de l'iodure de sodium est :

M(NaI) = M(Na) + M(I) = 23 + 127 = 150 g/mol

Déterminer la masse de NaI :

m(NaI) = ν(NaI) M(NaI) = 0,6 150 = 90 g.

· Élasticité · Plasticité · Loi de Hooke · Rhéologie · Viscoélasticité

Loi de conservation de masse- loi de la physique, selon laquelle la masse d'un système physique est conservée lors de tous les processus naturels et artificiels.

Rien ne peut naître de rien, et ce qui existe ne peut en aucun cas être détruit.

Auparavant, le « principe de conservation » d’Empédocle était utilisé par les représentants de l’école milésienne pour formuler des idées théoriques sur la substance première, base de toutes choses.

Plus tard, une thèse similaire fut exprimée par Démocrite, Aristote et Épicure (relatée par Lucrèce Cara). Les scientifiques médiévaux n'ont également exprimé aucun doute sur la véracité de cette loi. En 1630, Jean Rey (1583-1645), médecin périgourdin, écrit à Mersenne :

Le poids est si étroitement lié à la substance des éléments que, passant de l’un à l’autre, ils conservent toujours le même poids.

Tous les changements qui se produisent dans la nature se produisent de telle manière que si quelque chose est ajouté à quelque chose, cela est retranché à autre chose. Ainsi, autant de matière est ajoutée à un corps, la même quantité est perdue dans un autre, combien d'heures je passe à dormir, la même quantité que j'enlève en étant éveillé, etc.

Par la suite, jusqu'à la création de la physique des micromondes, la loi de conservation de la masse était considérée comme vraie et évidente. Emmanuel Kant a déclaré cette loi comme un postulat des sciences naturelles (1786). Lavoisier, dans son « Manuel élémentaire de chimie » (), donne une formulation quantitative précise de la loi de conservation de la masse de la matière, mais ne la déclare pas comme une loi nouvelle et importante, mais la mentionne simplement en passant comme une loi bien connue. et un fait établi de longue date. Pour les réactions chimiques, Lavoisier a formulé la loi comme suit :

Rien ne se produit ni dans les processus artificiels ni dans les processus naturels, et on peut avancer que dans chaque opération [réaction chimique] il y a la même quantité de matière avant et après, que la qualité et la quantité des principes restent les mêmes, seulement des déplacements et des regroupements ont eu lieu. Tout l’art de faire des expériences en chimie repose sur cette proposition.

En d'autres termes, la masse d'un système physique fermé dans lequel une réaction chimique se produit est conservée et la somme des masses de toutes les substances entrées dans cette réaction est égale à la somme des masses de tous les produits de réaction (c'est-à-dire il est également conservé). La masse est considérée comme additive.

État actuel

Au XXe siècle, deux nouvelles propriétés de la masse furent découvertes.

(M1) La masse d'un objet physique dépend de son énergie interne (voir Equivalence de masse et d'énergie). Lorsque l'énergie externe est absorbée, la masse augmente et lorsqu'elle est perdue, elle diminue. Il s'ensuit que la masse n'est conservée que dans un système isolé, c'est-à-dire en l'absence d'échange d'énergie avec l'environnement extérieur. Le changement de masse lors des réactions nucléaires est particulièrement visible. Mais même lors de réactions chimiques accompagnées d'un dégagement (ou d'une absorption) de chaleur, la masse n'est pas conservée, même si dans ce cas le défaut de masse est négligeable. L'académicien L. B. Okun écrit :

Pour souligner que la masse d’un corps change chaque fois que son énergie interne change, considérons deux exemples courants :
1) lorsqu'un fer à repasser est chauffé à 200°, sa masse augmente d'autant ;
2) lorsqu'une certaine quantité de glace est complètement transformée en eau.

(M2) La masse n'est pas une quantité additive : la masse d'un système n'est pas égale à la somme des masses de ses composants. Exemples de non-additivité :

Un électron et un positron, dont chacun a une masse, peuvent s'annihiler en photons, qui n'ont pas de masse individuellement, mais l'ont uniquement sous forme de système.
La masse d'un deuton, constitué d'un proton et d'un neutron, n'est pas égale à la somme des masses de ses composants, puisqu'il faut prendre en compte l'énergie d'interaction des particules.
Dans les réactions thermonucléaires se produisant à l’intérieur du Soleil, la masse de l’hydrogène n’est pas égale à la masse de l’hélium produit à partir de celui-ci.
Un exemple particulièrement frappant : la masse d'un proton (≈938 MeV) est plusieurs dizaines de fois supérieure à la masse des quarks qui le constituent (environ 11 MeV).

Ainsi, lors de processus physiques qui s'accompagnent de désintégration ou de synthèse de structures physiques, la somme des masses des constituants (composants) du système n'est pas conservée, mais la masse totale de ce système (isolé) est préservée :

La masse du système de photons résultant de l’annihilation est égale à la masse du système constitué de l’électron et du positon annihilants.
La masse d'un système constitué d'un deuton (en tenant compte de l'énergie de liaison) est égale à la masse d'un système constitué d'un proton et d'un neutron séparément.
La masse d'un système constitué d'hélium issu de réactions thermonucléaires, compte tenu de l'énergie libérée, est égale à la masse de l'hydrogène.

Cela signifie que dans la physique moderne, la loi de conservation de la masse est étroitement liée à la loi de conservation de l'énergie et est remplie avec la même limitation : l'échange d'énergie entre le système et l'environnement extérieur doit être pris en compte.

Plus en détail

Pour expliquer plus en détail pourquoi la masse en physique moderne s'avère non additive (la masse du système n'est pas égale - d'une manière générale - à la somme des masses des composants), il faut d'abord noter que sous le terme poids en physique moderne, la quantité invariante de Lorentz s'entend :

où est l’énergie, est l’élan, est la vitesse de la lumière. Et on remarque immédiatement que cette expression est tout aussi facilement applicable à une particule ponctuelle sans structure (« élémentaire »), qu'à tout système physique, et dans ce dernier cas, l'énergie et l'impulsion du système sont calculées simplement en additionnant les énergies et les impulsions. des composants du système (l'énergie et la quantité de mouvement s'additionnent) .

On peut aussi noter au passage que le vecteur impulsion-énergie du système est un 4-vecteur, c'est-à-dire que ses composantes sont transformées lors du passage à un autre système de référence conformément aux transformations de Lorentz, puisque ses termes sont ainsi transformés - 4 -vecteurs de l'énergie-impulsion des particules qui composent le système. Et puisque la masse définie ci-dessus est la longueur de ce vecteur dans la métrique de Lorentz, elle s'avère invariante (invariante de Lorentz), c'est-à-dire qu'elle ne dépend pas du système de reporting dans lequel elle est mesurée ou calculée.

De plus, notez qu'il s'agit d'une constante universelle, c'est-à-dire juste un nombre qui ne change jamais, donc, en principe, vous pouvez choisir un tel système d'unités de mesure pour que , et alors la formule mentionnée sera moins encombrée :

ainsi que d'autres formules qui lui sont associées (et ci-dessous, par souci de concision, nous utiliserons précisément un tel système d'unités).

Ayant déjà considéré le cas d'apparence le plus paradoxal de violation de l'additivité de masse - le cas où un système de plusieurs (pour simplifier, nous nous limiterons à deux) particules sans masse (par exemple, des photons) peut avoir une masse non nulle, c'est il est facile de voir le mécanisme qui donne lieu à la non-additivité de la masse.

Soit deux photons 1 b 2 d'impulsions opposées : . La masse de chaque photon est connue comme nulle, on peut donc écrire :

c'est-à-dire que l'énergie de chaque photon est égale au module de sa quantité de mouvement. Notons au passage que la masse est égale à zéro du fait de la soustraction de quantités non nulles les unes aux autres sous le signe racine.

Considérons maintenant le système de ces deux photons dans son ensemble, en calculant sa quantité de mouvement et son énergie. Comme on le voit, l'impulsion de ce système est nulle (les impulsions de photons, s'étant additionnées, ont été détruites, puisque ces photons volent dans des directions opposées) :

L'énergie de notre système physique sera simplement la somme des énergies du premier et du deuxième photons :

Bon, d'où la masse du système :

(les impulsions ont été détruites, mais les énergies ont été ajoutées - elles ne peuvent pas être de signes différents).

Dans le cas général, tout se passe de la même manière que cet exemple, le plus clair et le plus simple. D'une manière générale, les particules formant un système ne doivent pas nécessairement avoir une masse nulle, il suffit que les masses soient petites ou au moins comparables aux énergies ou aux impulsions, et l'effet sera important ou perceptible. Il est clair également qu’il n’existe presque jamais d’additivité exacte de la masse, sauf cas très particuliers.

Masse et inertie

Le manque d’additivité de la masse semble introduire des difficultés. Cependant, ils ne sont pas seulement rachetés par le fait que la masse définie de cette manière (et pas autrement, par exemple, comme l'énergie divisée par le carré de la vitesse de la lumière) s'avère être invariante de Lorentz, une quantité pratique et formellement belle. , mais a également une signification physique qui correspond exactement à la compréhension classique habituelle de la masse comme mesure de l'inertie.

À savoir, pour le système de référence de repos d'un système physique (c'est-à-dire ce système de référence dans lequel l'impulsion du système physique est nul) ou les systèmes de référence dans lesquels le système de repos se déplace lentement (par rapport à la vitesse de la lumière), le définition de la masse mentionnée ci-dessus

Correspond entièrement à la masse newtonienne classique (incluse dans la deuxième loi de Newton).

Cela peut être spécifiquement illustré en considérant un système qui, à l’extérieur (pour les interactions externes), est un corps solide ordinaire, mais qui contient à l’intérieur des particules en mouvement rapide. Par exemple, en considérant une boîte à miroir aux parois parfaitement réfléchissantes, à l’intérieur de laquelle se trouvent des photons (ondes électromagnétiques).

Pour plus de simplicité et une plus grande clarté de l’effet, laissez la boîte elle-même être (presque) en apesanteur. Ensuite, si, comme dans l’exemple évoqué dans le paragraphe ci-dessus, l’impulsion totale des photons à l’intérieur de la boîte est nulle, alors la boîte sera généralement immobile. De plus, sous l'influence de forces extérieures (par exemple, si on le pousse), il doit se comporter comme un corps avec une masse égale à l'énergie totale des photons à l'intérieur, divisée par.

Regardons cela qualitativement. Poussons la boîte, et de ce fait elle a acquis une certaine vitesse vers la droite. Par souci de simplicité, nous parlerons désormais uniquement des ondes électromagnétiques se propageant strictement à droite et à gauche. Une onde électromagnétique réfléchie par le mur gauche augmentera sa fréquence (en raison de l'effet Doppler) et son énergie. Au contraire, une onde réfléchie par la paroi droite réduira sa fréquence et son énergie lors de la réflexion, mais l'énergie totale augmentera car il n'y aura pas de compensation complète. En conséquence, le corps va acquérir une énergie cinétique égale à (if), ce qui signifie que la boîte se comporte comme un corps de masse classique. Le même résultat peut être (et encore plus facile) obtenu pour la réflexion (rebond) de particules discrètes relativistes rapides depuis les murs (pour les particules non relativistes également, mais dans ce cas, la masse s'avérera simplement être la somme des masses des particules situées dans la boîte).

Remarques

Littérature

Brouilleur M. Le concept de masse en physique classique et moderne. - M. : Progrès, 1967. (Réimpression : Éditorial URSS, 2003, ISBN 5-354-00363-6)
Okun L. B. Le concept de masse (Masse, énergie, relativité). Avancées des sciences physiques, n° 158 (1989).
Spassky B.I. Histoire de la physique. - M. : Ecole Supérieure, 1977.
- Tome 1 : partie 1 partie 2
- Tome 2 : partie 1 partie 2

Fondation Wikimédia. 2010.

Voyez ce qu'est la « Loi de conservation de la masse » dans d'autres dictionnaires :

LOI DE CONSERVATION DE MASSE- la loi fondamentale de la mécanique newtonienne non relativiste, selon laquelle la masse d'une substance entrant dans un système fermé soit s'y accumule, soit en sort, c'est-à-dire la masse de la substance entrant dans le système moins la masse qui en sort... ... Dictionnaire écologique

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