Закон сохранения массы вещества
К закону сохранения материи и движения Ломоносов пришёл на основе общих теоретико-философских рассуждений, развивая и конкретизируя идеи античных атомистов. Впервые мы встречаем формулировку этого закона в его письме к Л. Эйлеру от 5 июля 1748 г.: «…все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования» и дальше «Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».
Закон сохранения массы вещества был доказан М. В. Ломоносовым экспериментально на основе опытов по обжигу металлов в запаянных сосудах.
Всестороннее же экспериментальное обоснование этому закону дал Антуан Лоран Лавуазье, сын парижского адвоката. Первоначальное образование Лавуазье получил в колледже Мазарини, где изучал математику и астрономию, прошёл курс физики. По окончании колледжа Лавуазье поступил на юридический факультет Парижского университета, одновременно с юриспруденцией изучал физику и химию. Всестороннее образование позволило Лавуазье сделать открытия, которые прославили Францию. В 1772 г. Лавуазье, выполнив серию опытов, пришёл к правильному выводу о процессах горения, к открытию сложного состава воздуха, закона сохранения массы вещества. В своих исследованиях Лавуазье опирался на экспериментальные данные, полученные Блэком, Пристли, Шееле и другими исследователями.
Врач Джозеф Блэк открыл углекислый газ (оксид углерода (IV) CO2), установил существование удельной теплоты плавления и парообразования, ввёл понятие теплоёмкости. В своей докторской диссертации он решил опровергнуть мнение относительно пользы лекарства для изгнания камней из мочевого пузыря. «Лекарство» представляло собой смесь толчёных прокалённых улиток, яичной скорлупы, целебных трав и мёда. Исследуя каждое из входящих в снадобье веществ, Блэк обнаружил, что при прокаливании известняка выделяется какой-то газ. Тот же газ образуется при действии кислоты на это вещество. Выделившийся газ Блэк снова пропустил через известковую воду и «связал» его. Так в химии появилось новое вещество — «связанный воздух».
Закон сохранения массы вещества – первый закон сохранения в истории науки, он утверждал важнейшую научную идею – идею сохранения. Это сейчас, когда открыты и утвердились в науке другие законы сохранения, он называется основным законом химии, вначале же он служил основой всего естествознания — ведь закон сохранения энергии был открыт только через 150 лет после открытия закона сохранения массы вещества. Этот закон неразрывно связан с именем выдающегося русского учёного М. В. Ломоносова.
Через пятнадцать лет после открытия Блэка «связанным воздухом» заинтересовался Пристли. Любознательный пастор обратил внимание на газ, выделявшийся в изобилии из огромных чанов, в которых бродило сусло (он жил по соседству с пивоварней), и занялся его исследованием. Пристли доказал, что «связанный воздух» становится вновь пригодным для дыхания благодаря зелёным растениям. Но ни Блэк, ни Пристли не смогли определить количественный состав «связанного воздуха», это удалось сделать Лавуазье.
Лавуазье поместил алмаз в изолированный сосуд и сжёг его с помощью солнечных лучей. Для этого он изготовил линзу рекордных по тем временам размеров — диаметром 75 см. Тщательно исследовав образовавшийся газ, Лавуазье пришёл к выводу, что он со-стоит из 23,5 — 28,9 части углерода и 71,1 — 76,5 части кислорода. Из этих цифр была вы-ведена привычная теперь для нас формула оксида углерода (IV) CO2. Лавуазье произвёл анализ воды и её синтез, доказал сложный состав воздуха. Выполнив множество опытов, связанных с окислением веществ, Лавуазье установил, что масса подвергшихся окислению тел увеличивается за счёт кислорода воздуха на столько, на сколько уменьшается масса последнего, а масса реагирующих веществ остаётся постоянной. Так был открыт закон сохранения массы вещества.Лавуазье считал установленный им закон опытным обоснованием принципа сохранения материи, который им был сформулирован так: «Ничто не создаётся ни при искусственных, ни при естественных операциях, и можно принять за правило принцип, что в каждом процессе в начальный и конечный момент времени находится неизменное количество материи».
Так закон сохранения массы вещества стал основой для утверждения одной из древнейших и важнейших научных идей — идеи сохранения.Именно представления о сохранении массы вещества, которые бытовали в науке ещё до открытия закона сохранения массы вещества, помогли опровергнуть господствовавшее на протяжении многих веков в науке мнение, что земля — единственная пища растений. Сделал это голландский естествоиспытатель Гельмонт. Его знаменитый опыт длился 5 лет. В горшок насыпали тщательно просушенную и взвешенную землю. В неё посадили тщательно взвешенную ветку ивы. Горшок был накрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор; иву поливали дождевой водой. Через 5 лет растение увеличило свою массу на 65,675 кг, а масса земли в горшке уменьшилась только на 60 г. Таким образом, земля никак не могла являться единственной пищей растений. Этот опыт дал толчок к проведению множества других опытов, благодаря которым была раскрыта сущность фотосинтеза.
Фотосинтез… Деревья, цветы, травы, птицы, муравьи и мы с вами — всё это существует благодаря фотосинтезу. Также благодаря ему происходит накопление живого вещества в биосфере. Сейчас её биомасса составляет примерно 10 000 млрд. тонн. Сравнив эту массу с массой Земли (около 6∙10^21 т), мы увидим, что она много меньше массы Земли. Но, как сказал В. И. Вернадский, «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».
Расчёты показывают, что примерно через миллиард лет вследствие жизнедеятельности живых организмов биомасса должна была бы превысить массу Земли. Жизнь существует на Земле примерно около 3 млрд. лет. Почему же этого не произошло? В биосфере происходит круговорот веществ: атомы каждого из элементов, из которых построены организмы, воспринимаются из веществ, образовавшихся вследствие разложения тел организмов, окончивших свою жизнь. Но нельзя сказать, что масса всех веществ, участвующих в жизнедеятельности организмов, остаётся постоянной. И не потому, что в биологических процессах не действует закон сохранения массы вещества, а потому, что биосфера — открытая система.
Степень воспроизводства циклов в биогеохимическом круговороте веществ в биосфере достигает 90 — 98 %. Часть атомов уходит в космическое пространство. Часть накапливается в земной коре. То, что мы считаем биогенными полезными ископаемыми (залежи железа, мела, угля, нефти и др.), не что иное, как бесполезные с точки зрения жизнедеятельности продукты, прошедшие цикл подземных превращений. «Открытость» биогеохимического круговорота обусловлена также и тем, что в него поступает оксид углерода (IV) из недр Земли. Этот круговорот открыт ещё и потому, что он совершается с использованием солнечной энергии.
Каждый год в процессе фотосинтеза растения поглощают около 1,6∙10^21 Дж энергии. А ведь энергия приходит не сама по себе, её приносят фотоны, которые обладают массой. Воспользовавшись формулой взаимосвязи массы и энергии 𝐸=𝑚𝑐^2 (где 𝐸 — энергия, 𝑚 — соответствующая ей масса, 𝑐 — скорость света), можно вычислить, на сколько увеличится масса биосферы за счёт поглощённой растениями энергии.Круговорот веществ в биосфере происходит не только вследствие жизнедеятельности организмов. Например, вода по своему процентному содержанию в теле живого организма занимает первое место. Её молекулы служат источником кислорода, выделяемого зелёными растениями в процессе фотосинтеза. При дыхании же происходит образование новых молекул воды. За время существования биосферы вся свободная вода в географической оболочке прошла несколько циклов разложения растительными организмами и регенерации в дыхательных системах всех живых организмов биосферы. Конечно, эти процессы происходили в соответствии с законом сохранения массы вещества. Однако в круговороте воды в биосфере основную роль играет не живое вещество, а солнечное излучение. Благодаря ему вода испаряется с поверхности водных бассейнов и суши, атмосферная влага конденсируется, образуются облака, которые ветром перемещаются в атмосфере. При охлаждении облаков выпадают осадки, причём над сушей их выпадает больше, чем над Мировым океаном. Баланс влаги между сушей и водными бассейнами поддерживается реками. Таким образом, масса воды в географической оболочке, несмотря на агрегатные переходы, остаётся постоянной.
Но вернёмся к закону сохранения массы вещества. Рассмотрим с этой точки зрения один из важнейших процессов, который происходит в каждом живом организме, в том числе и в нашем, — обмен веществ. Он представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции — совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма.
Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте, где белки, жиры, углеводы расщепляются на более простые химические соединения, способные всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным материалом в процессах ассимиляции. Поступив в кровь и лимфу, эти вещества приносятся в клетки, где с ними в результате процессов ассимиляции и диссимиляции происходят различные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток, а энергия, выделившаяся при распаде веществ в клетках, используется для процессов жизнедеятельности организма. Те продукты обмена, которые не используются организмом, выводятся из него. Все химические и биохимические процессы происходят в согласии с законом сохранения массы вещества — ни один атом не исчезает при этом и не появляется из ничего.
Покажем, какое значение имеет этот закон, на примере обмена белков. Синтез белковых веществ в организме идёт непрерывно, так как непрерывно идёт их разрушение. Организм, в особенности молодой и растущий, обязательно в составе пищи должен получать белки. Уровень белкового обмена можно определить по балансу азота. «Баланс» же веществ составляется на основе закона сохранения массы вещества. Объясним термин «азотистый баланс»: азотистым балансом называется отношение массы азота, поступившего в организм с пищей, к массе азота, выведенного из него. Если массы одинаковы, то в организме наблюдается азотистое равновесие. Если белка распадается меньше, чем его поступает в организм, то создаётся положительный азотистый баланс, который характерен для растущего организма. Отрицательный же баланс наблюдается при заболеваниях, старении, а также при отсутствии в организме некоторых необходимых аминокислот.
Когда мы говорим о сохранении веществ в процессах, которые происходят в биосфере, в географической оболочке, мы имеем в виду, что число атомов, участвующих в этих процессах, не меняется, и масса каждого атома как мера его инертных и гравитационных свойств также остаётся постоянной.
Может быть, мы, решая задачи, не всегда упоминаем о том, что при плавлении, испарении, химических реакциях, деформации и других подобных процессах масса веществ остаётся постоянной, но мы этим положением пользуемся.Вспомните, как решаются задачи, в которых идёт речь об агрегатных переходах вещества: мы считаем, что масса льда, масса воды, из него образовавшейся, масса пара, в который превращается эта вода, одинаковы. И это не противоречит практике. Хотя мы и знаем, что всякое изменение энергии системы сопровождается изменением её массы — вспомните закон взаимосвязи массы и энергии, открытый Эйнштейном. Но если мы подсчитаем изменение массы, например, для реакции горения 1 моль углерода (C+O2=CO2 + 4,02∙10^5 Дж), то придём к выводу, что его учесть никакими весами невозможно — оно равно 0,0000000000044 кг.
В химических, биологических, тепловых, механических, электрических, магнитных явлениях, т.е. в процессах, где не происходит взаимопревращения элементарных частиц, действует закон сохранения массы вещества. Во всех же процессах, связанных с ядерными превращениями, следует учитывать изменение массы, соответствующей энергии поля — закон сохранения полной массы системы.
В настоящее время, когда науке стало известно, что массой обладают не только частицы, имеющие массу покоя, но и что всякое изменение энергии сопровождается изменением массы системы, считающийся раньше незыблемым и всеобщим закон сохранения массы вещества утратил свой всеобщий характер и стал частным законом более общего закона — закона сохранения массы. Да и этот последний физики объединяют с законом сохранения энергии и считают, что в природе действует закон сохранения массы и энергии. В процессе познания человечество открывает всё более общие законы, нет абсолютной уверенности, что и этот общий закон останется общим на все времена. Есть только уверенность, что процесс познания тайн природы бесконечен…