بقای جرم

اگر در زمینه‌ی درک سادگی (بخوانید پیچیدگی) رابطه‌ی میان بقای جرم و انرژی، کشتیِ فکرتان به گل نشسته است این مقاله را مطالعه نمایید. هنگامی که به پایان این خلاصه مقاله‌ی کوتاه رسیدید همه‌ی نگرانی‌های شما در این زمینه برطرف گردیده است.
ابتدا بگذارید برخی عبارات را به یادتان بیاوریم که در دوران مدرسه یاد گرفته‌اید، عباراتی همچون ـ ماده هرگز ایجاد نمی‌شود و از بین نمی‌رود، بلکه تنها از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شود و گروهی از قوانین مشابه. ما هم چنین یاد گرفتیم که این قوانین بخشی از خواص فیزیکی جرم، انرژی و ماده هستند و برای دانشجویان شیمی، فیزیک و علوم تجربی قوانین بنیادی محسوب می‌شوند. بسیار خوب! می‌بینیم که برخی از شما این موضوع را تایید می‌کنید. اگر قانون بقای جرم برای شما گیچ کننده بوده است شاید به این خاطر بوده که در پیچیده‌ترین حالت ممکن ارائه گردیده‌ است یا این که به اندازه‌ی کافی به آن توجه نکرده‌اید. بگذارید این قانون را در قالبی بیان کنیم که از پیچیدگی کمتری برخوردار است.

قانون بقای جرم چیست؟

در اوسط قرن هفدهم، میخاییل لومونوسوف ایده‌های خود در رابطه با این قانون را ارائه داد و شیمی را به دنیای واقعی علم معرفی نمود. بعدها در سال 1789 اصل مربوط به این قانون توسط دانشمند فرانسوی آنتوان لاوازیه ـ آغازگر فیزیک مدرن ـ ترسیم گردید. این قانون سابقاً با عنوان قانون بقای ماده یا اصل جرم شناخته می‌شد. دلیل بیان این قانون به شکل قانون بقای جرم را می‌توان در قالب دو عبارت زیر به صورت چشم گیری توجیه نمود:

1- یک سیستم کاملاً ایزوله (سیستم بسته) را در نظر بگیرید. جرم چنین سیستمی در طول زمان ثابت می‌ماند. فرآیندهای مشخصی در درون سیستم انجام می‌گیرند و بنا بر این این امر باعث می‌شود جرم سیستم بسته راکد یا بدون تغییر بماند.
2- هیچ سیستمی در طبیعت وجود ندارد که نسبت به محیط بیرون کاملاً بسته یا ایزوله باشد. بنا بر این، جرم یک سیستم نه ایجاد می‌شود و نه از بین می‌رود. تنها این امکان وجود دارد که جرم را به انواع ذرات تغییر داده یا به چند گونه‌ی حرارت و نور تبدیل نمود و یا تنها می‌توان ترتیب آن را در فضا تغییر داد.

در نتیجه، این قانون در مورد تغییرات شیمیایی مشخصی دارای کاربرد است. بر اساس آن چه در بالا ذکر شد، می‌توانیم این قانون را در قالب یک جمله‌ی ساده بیان کنیم:
"در جریان هر گونه تغییر شیمیایی یا فیزیکی، کل جرم همه‌ی واکنشگرهای موجود در واکنش شیمیایی برابر با کل جرم محصولات موجود در واکنش است."
اکنون برای مثال این معادله‌ی اکسید جیوه را در نظر بگیرید:
جیوه ÷ اکسیژن ----> اکسید جیوه
6/92 گرم ÷ 4/7 گرم ----> 100 گرم
هر یک از اتم‌های جیوه و اکسیژن که در ابتدای واکنش موجود هستند در انتهای واکنش نیز در قالب ترکیب اکسید جیوه دقیقاً موجود هستند.
اکنون که معادله و قانون را بیان نمودیم بیایید با ارائه‌ی یک تعریف درخور و شایسته به عبارات فوق ‌الذکر مبتنی بر انرژی باز گردیم.
قانون بقای انرژی: "در جریان یک واکنش شیمیایی، کل مقدار انرژی موجود در سیستم بدون تغییر باقی می‌ماند. این امر بدان معنا است که انرژی نه ایجاد می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود."
با توجه به قوانینی که در بالا بیان گردیدند بسیار واضح و شفاف است که:
مقدار کل ماده و انرژی موجود در کل کیهان مقدار ثابتی است و هرگز بیشتر یا کمتر نمی‌شود.
در اینجا بود که آلبرت اینشتین نقشی انقلابی در حوزه‌ی شیمی و کلاً در حیطه علم ایفا نمود. وی کسی بود که به کشف معادله‌‌ی E=mc2 نائل شد و متعاقباً هر دوی این قوانین را در "تئوری نسبیت" خویش ادغام نمود. تئوری نسبیت تعریف قانون مذکور را به کلی تغییر داد. اینشتین توانست نشان دهند که ماده و انرژی می‌توانند به یک دیگر تبدیل شوند. امروزه دو قانون فوق به عنوان قانون بقای جرم و انرژی شناخته می‌شوند. تبدیل یک نوع انرژی به انرژی دیگر همواره به دنبال تبدیل یک نوع ماده به ماده‌ی دیگر صورت گرفته است. این موضوع حقیقت دارد که همه‌ی موارد تبدیل انرژی با تغییرات شیمیایی همراه نیستند. تغییر انرژی می‌تواند به شکل تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و غیره باشد. در این موارد از تبدیل انرژی، تغییرات شیمیایی لزوماً همیشه مشاهده نمی‌شوند. در زندگی روزمره‌ی ما، اغلب وقوع این مواردِ تبدیل انرژی را مشاهده می‌کنیم، اما این موارد به قدری کوچک و پیش پا افتاده هستند که معمولاً چندان به جزئیا‌تشان توجه نمی‌کنیم.
به جز دو قانون فوق قوانین فراوان دیگری نیز وجود دارند که از جمله‌ی آنها می‌توان قانون بقای پاریته، قانون نسبت ثابت، قانون گشتاور و غیره اشاره نمود. همه‌ی این قوانین نقشی حیاتی در همنوایی علوم فیزیکی ایفا می‌کنند و خواص مختلف انرژی و حرکت را به شکل تنگاتنگی تشریح می‌نمایند.