فيديو الدرس: حفظ الكتلة الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتعرف على تعريف قانون حفظ الكتلة، ونطبقه على بعض التفاعلات، ونتعرف على بعض القيود المتعلقة به. ينص قانون حفظ الكتلة على أن كتلة النظام المغلق لا يمكن أن تتغير. يعرف قانون حفظ الكتلة أحيانًا بمبدأ حفظ الكتلة أو قانون بقاء المادة. النظام المغلق هو عينة من مادة أو نظام لا تسمح حدوده بتبادل المادة مع الوسط المحيط. لكن الطاقة، مثل الطاقة الحرارية أو الضوء، يظل من الممكن تبادلها مع هذا الوسط. يعد أي إناء مغلق أو مجموعة محددة من المواد الكيميائية من أمثلة النظام المغلق.

للتعبير عن ذلك بطريقة أخرى، يمكننا القول بأنه مهما كانت الطريقة التي ترتب بها الكتلة، أو الذرات أو الأيونات أو الإلكترونات أو غيرها، لن تتغير الكمية الكلية. في الكيمياء، من المفيد جدًا معرفة ذلك، لأنه يخبرنا بأنه بغض النظر عن ماهية التفاعل، تظل كتلة المتفاعلات والنواتج متماثلة. ترجع الأفكار التي بني عليها قانون حفظ الكتلة إلى القرن السابع عشر. وقد درست بمزيد من التفاصيل على مدار المائتي عام التالية.

أجريت أشهر التجارب في هذا المجال بواسطة أنطوان لافوازييه الذي أوضح أن تسخين القصدير في وجود الهواء في دورق زجاجي مغلق لا يغير الكتلة الكلية، بالرغم من حدوث تفاعل كيميائي بين القصدير والأكسجين الموجود في الهواء. واشتهر التعريف الحديث للقانون في عام ‪1773‬‏ بفضل أنطوان لافوازييه.

ونحن الآن على يقين بأن قانون حفظ الكتلة ينطبق على جميع التفاعلات الكيميائية والتغيرات الفيزيائية في كل الظروف. لكن قانون حفظ الكتلة وضع قبل معرفة أن المادة تتكون من ذرات، والذرات تتكون من بروتونات وإلكترونات ونيوترونات. والحقيقة، التي توصلنا إليها، هي أن المادة ليست غير قابلة للفناء. في بعض الأحيان، يمكن للمادة أن تفنى أو تستحدث من العدم. وبالتالي، لا ينطبق قانون حفظ الكتلة عندما تتحول المادة إلى أشكال طاقة أخرى وتتحول الطاقة إلى مادة.

ومن الأمثلة الجيدة على ذلك الاندماج النووي، مثلما يحدث في الشمس. تندمج ذرات الهيدروجين معًا ليتكون الهليوم. يتحول حوالي ‪0.7‬‏ بالمائة من كتلة أربع ذرات هيدروجين إلى أشكال أخرى من الطاقة. وهذا يعني أنه بينما ينطبق قانون حفظ الكتلة على التفاعلات الكيميائية والعمليات الفيزيائية، فإنه لا ينطبق على الاضمحلال الإشعاعي والتفاعلات النووية وتفاعلات المادة والمادة المضادة.

تحدث تغيرات بسيطة في طاقة الكتلة نتيجة التغيرات في الروابط الكيميائية. لكنها تغيرات ضئيلة للغاية بحيث يمكننا تجاهلها بشكل عام. بينما لا يكون قانون حفظ الكتلة موثوقًا دائمًا، يتسم قانون حفظ الطاقة بهذه الميزة لأن الكتلة ما هي إلا شكل آخر من أشكال الطاقة. الجيد في الأمر هو أن قانون حفظ الكتلة ينطبق على معظم الكيمياء. ويمكننا الوصول من خلاله إلى نتائج ممتازة حقًا. والآن، دعنا نتناول بعض التمارين.

تحول الخميرة الجلوكوز إلى الإيثانول وثاني أكسيد الكربون من خلال عملية التخمر اللاهوائي، كما هو موضح بالمعادلة حيث يتفاعل الجلوكوز لينتج الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. يتحول مقدار ‪200‬‏ جرام من الجلوكوز بالكامل، في إحدى عمليات التخمر. ما مقدار الكتلة الكلية للإيثانول وثاني أكسيد الكربون عند نهاية التفاعل؟

مصطلح «اللاهوائي» يعني عدم وجود أكسجين. وبالتالي فإن الجلوكوز هو المتفاعل الوحيد لدينا. والإيثانول وثاني أكسيد الكربون هما الناتجان الوحيدان. يمكننا تجاهل الخميرة لأن الإنزيمات الموجودة فيها تعمل عاملًا حفازًا في هذه العملية. في هذا المثال، يتحول مقدار ‪200‬‏ جرام من الجلوكوز بالكامل إلى الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. والمطلوب منا هو إيجاد الكتلة الكلية للإيثانول وثاني أكسيد الكربون الناتجين. لتحقيق ذلك، يمكننا تذكر قانون حفظ الكتلة الذي ينص على أن كتلة النظام المغلق لا يمكن أن تتغير.

وفي أي تفاعل كيميائي، تساوي كتلة المتفاعلات كتلة النواتج. تشير كتلة المتفاعلات هنا إلى كتلة الجلوكوز. وتشير كتلة النواتج إلى كتلة الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. وهذا ما نريد إيجاد قيمته. بدأ التفاعل بمقدار ‪200‬‏ جرام من الجلوكوز تحول بالكامل إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون. وبالتالي فإن الكتلة الكلية للإيثانول وثاني أكسيد الكربون هي ‪200‬‏ جرام.

إذا أجريت عملية التخمر في وعاء مفتوح، فهل تزيد كتلة الوعاء والمحتويات أم تقل أم تظل كما هي؟

لنتخيل وعاء مفتوحًا، مثل كأس زجاجي بدون غطاء، داخله خليط من الخميرة والجلوكوز. ستحول الخميرة الجلوكوز إلى الإيثانول، وهو سائل، وثاني أكسيد الكربون، وهو غاز. سيظل الإيثانول موجودًا في الوعاء. بينما سيتصاعد ثاني أكسيد الكربون خارجه. بما أن ثاني أكسيد الكربون يتصاعد من نظام الوعاء ومحتوياته، فيمكننا أن نوقن بأنه مع استمرار عملية التخمر، تقل كتلة المحتويات والوعاء. بما أننا نتعامل هنا مع نظام مفتوح تفقد فيه الكتلة، فإن قانون حفظ الكتلة لا ينطبق عليه لأن هذا القانون ينطبق على النظام المغلق فقط.

إذا نتج عن التفاعل مقدار ‪97.7‬‏ جرامًا من ثاني أكسيد الكربون، فما كتلة الإيثانول الناتجة؟

يشير السؤال إلى أنه عندما يتحول مقدار ‪200‬‏ جرام من الجلوكوز بالكامل إلى الإيثانول وثاني أكسيد الكربون، ينتج ‪97.7‬‏ جرامًا من ثاني أكسيد الكربون. والمطلوب منا هو إيجاد كتلة الإيثانول. بالرجوع إلى قانون حفظ الكتلة والجزء (أ) من السؤال، نتوصل إلى أن كتلة الجلوكوز المستهلكة في التفاعل تعادل كتلة الإيثانول زائد كتلة ثاني أكسيد الكربون الناتجين عن التفاعل. وبالتالي، فإن ‪200‬‏ جرام يساوي كتلة الإيثانول زائد ‪97.7‬‏ جرامًا. كتلة الإيثانول تساوي إذن ‪200‬‏ جرام ناقص ‪97.7‬‏، وهو ما يساوي ‪102.3‬‏ من الجرامات. كتلة الإيثانول الناتج عند التحول الكامل لمقدار ‪200‬‏ جرام من الجلوكوز تساوي ‪102.3‬‏ من الجرامات.

تغيرت عينة من القصدير وزنها ‪100‬‏ جرام من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. هل كتلة القصدير السائل تساوي كتلة القصدير في العينة الأصلية أم تقل أم تزيد عنها؟

لدينا هنا ‪100‬‏ جرام من القصدير الصلب حيث تظل جميع ذرات القصدير محصورة في مكانها. تغيرت هذه العينة من القصدير من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، أي إنها انصهرت. وأصبح بإمكان الذرات الآن التحرك حول بعضها البعض. السؤال الذي نريد الإجابة عنه هو ما إذا كانت كتلة القصدير السائل قد اكتسبت كتلة أم فقدتها أم احتفظت بنفس كتلة القصدير الصلب الأصلي. ينص قانون حفظ الكتلة على أن كتلة النظام المغلق لا يمكن أن تتغير. يعتبر تغير الحالة مثالًا لعملية فيزيائية لا يحدث فيها تغير كيميائي. في مثل هذه العمليات الفيزيائية، تتساوى الكتلة قبل إجراء العملية مع الكتلة بعدها.

في هذا المثال، يتكون النظام من جميع ذرات القصدير. وبعد الانصهار، يظل النظام يحتوي على جميع ذرات القصدير الأصلية. وبالتالي تظل كتلة النظام كما هي. ومن ثم، فإن كتلة القصدير السائل تساوي ‪100‬‏ جرام. نستنتج من ذلك أن كتلة القصدير السائل تساوي كتلة القصدير في العينة الأصلية.

تعلمنا، في هذا الفيديو، أن قانون حفظ الكتلة ينص على أن كتلة النظام المغلق لا تتغير، وأنه في التفاعلات الكيميائية، تتساوى كتلة المتفاعلات مع كتلة النواتج، بينما في العمليات الفيزيائية تظل الكتلة ثابتة. ينطبق ذلك على الحالات التي يكون فيها النظام هو المواد الكيميائية ذاتها. وأخيرًا، تعلمنا أن قانون حفظ الكتلة لا ينطبق على الاضمحلال الإشعاعي أو التفاعلات النووية أو تفاعلات المادة والمادة المضادة، وهي الحالات التي تتضمن تبادلًا بين طاقة الكتلة وأشكال الطاقة الأخرى.