Beth yw Cyfraith Cadwraeth Màs?
Mae Deddf Cadwraeth Màs yn un o'r syniadau mwyaf sylfaenol mewn cemeg a ffiseg: ni ellir creu na dinistrio màs, dim ond newid ffurf neu drosglwyddo o un sylwedd i'r llall. Mewn geiriau eraill, mewn adwaith cemegol sy'n digwydd mewn system gaeedig, bydd cyfanswm y màs cyn yr adwaith yn hafal i gyfanswm y màs ar ôl yr adwaith. Mae'r egwyddor hon yn ymddangos yn syml, ond mae ei goblygiadau'n ddwys—o sut mae gwyddonwyr yn ysgrifennu hafaliadau cemegol, i gyfrifo gofynion deunydd, i ddeall prosesau naturiol a diwydiannol.
Deall Cyfraith Cadwraeth Màs
Yn gyffredinol, mae'r gyfraith hon yn nodi:
> “Mewn adwaith cemegol, mae cyfanswm màs y sylweddau sy'n adweithio yn hafal i gyfanswm màs cynhyrchion yr adwaith, cyn belled nad oes unrhyw fàs yn gadael nac yn mynd i mewn i'r system.”
Mae hwyrach bod hyn yn golygu, os ydych chi'n pwyso'r adweithyddion (sylweddau cyn yr adwaith) a'r cynhyrchion (sylweddau ar ôl yr adwaith), yna bydd y symiau'n gyfartal, cyn belled â bod yr holl sylweddau'n cael eu cyfrif ac nad oes yr un yn cael ei ryddhau i'r amgylchedd.
Enghraifft syml: os ydych chi'n adweithio 10 gram o sylwedd A gyda 5 gram o sylwedd B mewn cynhwysydd caeedig ac yn cynhyrchu sylwedd C, yna rhaid i fàs sylwedd C a ffurfiwyd (ynghyd â chynhyrchion eraill os o gwbl) gyfanswm o 15 gram.
Hanes Byr: O Arbrawf i Egwyddor Wyddonol
Yn aml, priodolir cyfraith cadwraeth màs i'r gwyddonydd Ffrengig Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794), a elwir yn "Dad Cemeg Fodern." Yn y 18fed ganrif, roedd y ddealltwriaeth o hylosgi ac adweithiau cemegol yn dal yn aneglur. Roedd llawer o bobl yn credu, pan fyddai rhywbeth yn llosgi, fod rhywfaint o'i "fater" yn cael ei golli.
Cynhaliodd Lavoisier arbrofion manwl yn pwyso sylweddau cyn ac ar ôl adweithiau, yn enwedig mewn systemau caeedig. Dangosodd nad yw màs yn cael ei golli yn ystod hylosgi; yn hytrach, mae'n cyfuno â chydran o aer (a elwid yn ddiweddarach yn ocsigen). Gosododd casgliadau Lavoisier y sylfaen ar gyfer geni cemeg fodern: gellid deall a chyfrifo adweithiau cemegol yn feintiol.
Pam Mae Torfeydd yn Ymddangos yn "Diflannu" ym Mywyd Bob Dydd?
Mewn profiad bob dydd, rydym yn aml yn canfod màs fel rhywbeth nad yw'n "gyson". Er enghraifft, pan losgir pren, mae'n ymddangos ei fod yn crebachu'n sylweddol, gan adael dim ond ychydig bach o ludw. Felly, i ble mae'r màs sy'n weddill yn mynd?
Yr ateb: Mae'r rhan fwyaf o gynhyrchion hylosgi coed yn cael eu trosi'n nwyon fel carbon deuocsid (CO₂), anwedd dŵr (H₂O), a nwyon eraill sy'n cael eu rhyddhau i'r awyr. Os yw'r hylosgi yn digwydd mewn man agored a dim ond pwyso'r lludw rydych chi'n ei wneud, bydd ei fàs yn ymddangos yn llai. Fodd bynnag, os cynhelir y broses mewn cynhwysydd caeedig a bod yr holl nwyon yn cael eu dal a'u pwyso, mae'r cyfanswm màs cyn ac ar ôl hylosgi yn aros yr un fath.
Felly, fel arfer mae "màs coll" oherwydd nad yw cynhyrchion yr adwaith i gyd yn weladwy neu nad ydynt i gyd wedi'u pwyso.
Enghreifftiau o Gymhwyso Deddf Cadwraeth Màs
1. Adwaith Ffurfio Dŵr
Mae hydrogen yn adweithio ag ocsigen i ffurfio dŵr:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Os yw 4 gram o hydrogen yn adweithio'n llwyr gyda 32 gram o ocsigen, yna mae'r dŵr sy'n deillio o hyn yn 36 gram. Y màs yw 4 + 32 = 36; does dim byd yn cael ei golli.
2. Adwaith Gwlybaniaeth
Pan gymysgir hydoddiant nitrad arian â sodiwm clorid, mae gwaddod o glorid arian yn ffurfio:
AgNO₃(d) + NaCl(d) → AgCl(s) + NaNO₃(d)
Os caiff y system gyfan ei phwyso (gan gynnwys y toddiant a'r gwaddod), mae'r màs cyfan yn aros yr un fath. Nid yw'r gwaddod sy'n ffurfio yn "màs newydd"; mae'n dod o'r cyfuniad o ïonau sydd eisoes yn bresennol yn y toddiant.
3. Adweithiau gyda Nwyon mewn Cynwysyddion Caeedig
Er enghraifft, mae adwaith finegr (asid asetig) a soda pobi (sodiwm bicarbonad) yn cynhyrchu nwy CO₂:
CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂
Os cynhelir yr adwaith mewn bicer agored, bydd màs y toddiant yn lleihau oherwydd bod CO₂ yn cael ei ryddhau i'r awyr. Fodd bynnag, os caiff ei wneud mewn potel gaeedig gyda balŵn i ddal y CO₂, mae'r cyfanswm màs (potel + balŵn + cynnwys) yn aros yr un fath.
Perthynas â Hafaliadau Adwaith Cemegol
Cyfraith cadwraeth màs yw'r prif reswm pam mae'n rhaid cydbwyso hafaliadau cemegol. Pan fyddwn yn cydbwyso adwaith, rydym yn sicrhau bod nifer yr atomau o bob elfen ar ochr yr adweithydd yn hafal i nifer yr atomau ar ochr y cynnyrch. Gan nad yw màs atomig yn cael ei golli, mae'r atomau'n cael eu haildrefnu'n syml.
Er enghraifft, dylid ysgrifennu'r adwaith ar gyfer ffurfio dŵr fel a ganlyn:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Os caiff ei ysgrifennu fel H₂ + O₂ → H₂O, nid yw nifer yr atomau ocsigen yr un fath (2 ar y chwith, 1 ar y dde). Mae hyn yn torri cadwraeth màs ar y lefel atomig.
A yw Cyfraith Cadwraeth Màs bob amser yn wir?
Mewn cemeg glasurol ac amodau bob dydd, mae cyfraith cadwraeth màs yn gweithio'n dda iawn. Fodd bynnag, mewn ffiseg fodern, yn enwedig ar raddfeydd niwclear a pherthynasol, mae'r cysyniad hwn wedi'i ymestyn.
Mewn adweithiau niwclear, gall màs newid yn egni neu i'r gwrthwyneb yn ôl hafaliad Einstein:
E = mc²
Mewn dadfeiliad niwclear neu adweithiau cyfuno/hollti, gall cyfanswm màs y cynhyrchion fod ychydig yn llai na màs yr adweithyddion. Mae'r gwahaniaeth hwn mewn màs yn ymddangos fel ynni a ryddhawyd. Fodd bynnag, os ydym yn ystyried màs + ynni fel cyfanwaith, yr hyn sydd wedi'i "gadw" mewn gwirionedd yw'r cyfanswm ynni (cadwraeth ynni), tra nad yw màs bob amser yn union gyson.
Fodd bynnag, ar gyfer bron pob adwaith cemegol cyffredin, mae'r newid mewn màs oherwydd trosi ynni mor fach fel y gellir ei anwybyddu. Felly, ar lefelau addysg elfennol ac uwchradd, mae cyfraith cadwraeth màs yn parhau i fod yn egwyddor ddilys.
Manteision a Rôl mewn Bywyd a Diwydiant
Mae cyfraith cadwraeth màs yn fwy na damcaniaeth gwerslyfr yn unig. Defnyddir yr egwyddor hon mewn sawl maes, gan gynnwys:
1. Stoichiometreg mewn cemeg: cyfrifo faint o adweithyddion sydd eu hangen a'r cynhyrchion a gynhyrchir.
2. Diwydiant cemegol: dylunio prosesau cynhyrchu (e.e. gwrteithiau, cyffuriau, plastigion) gan ddefnyddio cyfrifiadau cydbwysedd màs.
3. Peirianneg amgylcheddol: cyfrifo llygryddion sy'n mynd i mewn ac yn gadael system, fel trin dŵr gwastraff.
4. Gwyddor bwyd: rhagweld newidiadau yng nghyfansoddiad cynhwysion yn ystod gwresogi, eplesu neu sychu.
5. Fferyllfa: sicrhau bod dos a chyfansoddiad y cymysgedd cyffuriau yn unol â safonau.
Yn y byd peirianneg, gelwir y cysyniad hwn yn aml yn gydbwysedd màs: mae cyfanswm y màs sy'n mynd i mewn i'r system yn hafal i gyfanswm y màs sy'n gadael y system ynghyd â/minws yr hyn sydd wedi'i storio yn y system (yn dibynnu a yw'r system yn newid dros amser).
Casgliad
Mae Deddf Cadwraeth Màs yn nodi na ellir creu na dinistrio màs mewn adwaith cemegol; dim ond newid ffurf a chael ei aildrefnu y mae. Dangoswyd yr egwyddor hon trwy arbrofi gofalus, yn enwedig gan Lavoisier, ac mae'n sylfaen bwysig i gemeg fodern. Er y gellir trosi màs yn ynni mewn adweithiau niwclear, mae'r gyfraith hon yn parhau i fod yn hynod gywir ac yn ddefnyddiol ar gyfer adweithiau cemegol bob dydd.
Drwy ddeall cyfraith cadwraeth màs, gallwn ddeall yn haws pam mae'n rhaid cydbwyso hafaliadau adwaith, ble mae'r "màs coll" yn mynd mewn gwirionedd, a sut mae cemeg a diwydiant yn cynnal cyfrifiadau cynhyrchu manwl gywir.
Os dymunwch, gallaf ychwanegu fersiwn o'r erthygl sydd mewn mwy o "iaith ysgol" (ysgol ganol/ysgol uwchradd) neu fersiwn fwy gwyddonol ynghyd â chwestiynau a thrafodaethau enghreifftiol.
