Haben chemische Bindungen Masse?

Wenn eine exotherme Reaktion auftritt, wird die Energie in den chemischen Bindungen der Reaktanten teilweise auf die chemischen Bindungen der Produkte übertragen. Die restliche Energie wird als Wärme freigesetzt.

Zum Beispiel:

N 2 + 3 H 2 → 2 N H 3 Δ G ∘ = − 32.96 k J / M Ö l

Daher wann 1 M Ö l Stickstoff reagiert mit 3 M Ö l von Wasserstoff (unter Standardbedingungen) erhalten wir 32.96 k J von Hitze.

Jetzt bewerben E = M C 2 , das klappt

M = 32.96 × ( 3 × 10 − 8 ) 2 = 2,96 × 10 − 14 k G oder 29.6 P G

Hält diese Beziehung? Wiegen die Produkte einer exothermen Reaktion wirklich etwas weniger als die Reaktanten?

Verringert das Entfernen von Energie aus einem System allgemeiner dessen Masse (oder umgekehrt )?

Sie erkennen, dass es sehr schwierig ist, einen Unterschied von 30 pg zu messen, wenn die Masse des Objekts 34 g beträgt; ein Größenunterschied von 1.000.000.000.000 Mal. Tatsächlich erlaubt der Fehler in Avogadros Zahl nur eine Genauigkeit von 1 zu 1.000.000. Es wird also einige Zeit dauern, bis jemand Ihre Aussage beweisen kann.
Absolut - das ist (zumindest mit aktueller Technik) nicht messbar. Ich bin eher neugierig, was unser aktuelles Verständnis der Physik dazu zu sagen hat.
@LDC3: Die Genauigkeit, mit der wir die Zahl von Avogadro kennen, ist nicht relevant. Es gibt keinen Grund, in einem solchen Experiment Einheiten von Molen anzusetzen.
Die Frage scheint in Bezug auf passive schwere Masse gestellt zu werden, im Gegensatz zu träger Masse oder aktiver schwerer Masse. Wenn wir davon ausgehen, dass das Äquivalenzprinzip gilt, kann dies stattdessen mit einem Test getestet werden, der die träge Masse oder die aktive schwere Masse untersucht. Wenn andererseits die Hypothese lautet, dass die Masse-Energie-Äquivalenz für chemische Reaktionen für eine Art von Masse versagt, für andere jedoch nicht, dann wird dies meines Erachtens durch vorhandene hochpräzise Tests des Äquivalenzprinzips ausgeschlossen.
Eine exotherme chemische Reaktion wie diese wandelt die Energie elektrischer Felder in Wärme um. Wenn die Masse-Energie-Äquivalenz für eine dieser beiden Energiearten versagen würde, dann hätten wir dies meines Erachtens bereits in verschiedenen experimentellen Tests von GR gesehen, wie z. B. Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007.
@BenCrowell Du denkst also, Moleküle zu zählen ist einfacher?
@ user4552 Das ist falsch: "chemische Reaktion ... verwandelt die Energie elektrischer Felder in Wärme". Die Bindungsenergie besteht hauptsächlich aus elektronuklearer potentieller Energie, Elektron-Elektron, kinetischer Energie des Elektrons. Das lehrt uns die Quantenchemie.

Antworten (4)

Soweit die Theorie geht, haben Sie absolut Recht, die (negative) Bindungsenergie zwischen Atomen in einem Molekül trägt zur Gesamtmasse dieses Moleküls bei, sodass ein stabiles Molekül weniger massiv ist als die Summe der Massen seiner konstituierenden Atome.

Der Massenunterschied ist jedoch (wie Sie selbst berechnet haben) absolut winzig und wurde meines Wissens noch nie gemessen. Das Prinzip unterscheidet sich aber nicht vom Massendefizit, das bei Kernreaktionen auftritt und das wiederum leicht messbar ist. Betrachten Sie die Atommasse von Deuterium ( 2.01410178 u ) gegen Helium ( 4.002602 u ), was ungefähr ist 0,64 % weniger als die Masse von zwei Deuteriumatomen. Die Differenz ist die Energie, die bei einer Fusionsreaktion freigesetzt würde.

Also ja, im Allgemeinen verringert das Entfernen von Energie aus einem System seine Masse, und umgekehrt erhöht das Hinzufügen von Energie zu dem System seine Masse. Das extremste Beispiel wären vielleicht Protonen und Neutronen: ungefähr 99 % ihrer Massen stammen aus der (positiven) Bindungsenergie zwischen ihren konstituierenden Quarks, und zwar nur etwa 1 % wird den Quark-Ruhemassen zugeschrieben.

Ein weiteres Beispiel, wo man das tatsächlich in experimentell gemessenen Werten sehen kann, ist die Ionisierung eines Wasserstoffatoms. Betrachten Sie die Masse eines Protons, eines Elektrons und eines H-Atoms, und Sie können (bis zu etwa 2-3 Sig-Feigen, wenn ich mich recht erinnere) die Ionisationsenergie berechnen.
Ist 2-3 σ möglich? Die Ionisationsenergie von H ist 2.18 × 10 − 18 J, was äquivalent ist zu 2.42 × 10 − 35 kg Masse. Die Protonenmasse ist 1.67262178 × 10 − 27 kg; das Elektron, 9.10938291 × 10 − 31 kg. Die Summe ist 1.67353271 × 10 − 27 kg. Die Ionisationsenergie liegt in der 8. signifikanten Stelle. Der beste Wert, den ich für die H-Atommasse finden kann, ist 1,007825 u; nur 7 stellig. Multiplizieren mit 1 u = 1.660538921 × 10 − 27 kg und Subtrahieren von der kombinierten Masse p+, e- ergibt 8 × 10 − 35 kg. Richtiges Baseballstadion, aber jenseits der letzten signifikanten Ziffer.
Ich erinnere mich, dass ich es vor einigen Monaten gemacht habe und es innerhalb von etwa 1 eV bekommen habe. Ich werde herumjagen und sehen, ob ich finden kann, welche Werte ich verwendet habe.
Können Sie bitte eine Referenz für das letzte Bit angeben? ... Dass der größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen in ihrer Bindungsenergie liegt. Ich habe das schon oft gehört, wundere mich aber über einige solide Quellen.
Schlagen Sie die Up- und Down-Quarkmassen zB auf Wikipedia nach (u: 2,3, d: 4,8 MeV). Ein Proton ist uud, also betragen die Quark-Ruhemassen 9,1 MeV von seiner Masse von 938,3 MeV; ein Neutron ist udd, also 12,1 von 939,6 MeV. Also 0,96 % bzw. 1,29 %. Der Rest ist Bindungsenergie. Mit Fehlerbalken, seine 0,96 ± 0,19 % Und 1.29 ± 0,13 %, vorausgesetzt, ich habe meinen Taschenrechner richtig benutzt.
Wie signifikant ist diese Änderung im Vergleich zu Massenunterschieden aufgrund von nuklearer (negativer) Bindungsenergie?

Ja, Bindungen haben Masse, wie jede andere Art von Energie auch.

Dies kann erheblich sein; Wenn Sie einen Glueball hätten (ein hypothetisches Teilchen aus masselosen Gluonen), hätte er eine Masse, und die gesamte Masse würde aus der Bindungsenergie stammen! Dasselbe würde passieren, wenn Sie es irgendwie schaffen würden, Photonen aneinander zu binden.

Da bei der Bildung einer Bindung Energie abgegeben wird, hätte ein Klebeball dann nicht eine negative Masse? Das sieht einfach komisch aus...
Sie können der "Bindung" keine Masse zuweisen, es sei denn, Sie legen fest, dass jede Bindung tatsächlich ein Teilchen ist. Was es nicht ist.
@steveverrill Ja, es ist negativ. Was Sie wirklich betrachten, ist die Masse des gesamten Systems (z. B. eines Wassermoleküls) und die Subtraktion der Masse der konstituierenden Atome. Wenn die Atome weniger Masse haben als das Molekül, ist die "Bindungsmasse" effektiv positiv, und das Brechen des Moleküls setzt Energie frei. Wenn sie mehr Masse als das Molekül haben, ist die "Bindungsmasse" negativ, und das Aufbrechen des Moleküls erfordert einen Energieeintrag. Der Grund, warum die Masse (und Energie) negativ sein kann, ist, dass wir die Masse relativ zum System ohne die Bindung betrachten.
@Luaan Ich habe nicht von einem Molekül gesprochen, in dem die Atome der Komponenten Masse haben, ich habe von einem "hypothetischen Teilchen aus masselosen Gluonen" gesprochen, wie in dieser Antwort erwähnt.
@steveverrill Ah, richtig. In diesem Fall haben Sie das Offensichtliche übersehen - da der Klebeball mehr Energie (und Masse) hat als die einzelnen Gluonen (soweit wir überhaupt von einzelnen Gluonen sprechen können: D), ist dies ein Beispiel für eine Bindung, die Energie benötigt, um sich zu bilden (was auch bedeutet, dass es von Natur aus instabil ist - solange es einen niedrigeren Energiezustand gibt, in den es sich verwandeln kann, bin ich mir nicht sicher, ob dies für Gluonen gilt). Es ist, als wäre die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff exotherm, aber die Bildung von Lachgas aus Stickstoff und Sauerstoff ist endotherm.
Sie müssen sich nicht einmal etwas so Exotisches wie einen Klebeball ansehen, um einen Fall zu sehen, in dem "Energiemasse binden" dominiert. Nehmen Sie das einfache Neutron oder Proton. Die kumulative Ruhemasse von drei u/d-Quarks ist im Vergleich zur Gesamtmasse des zusammengesetzten Objekts praktisch vernachlässigbar. Beachten Sie auch, dass die Leute in ähnlicher Weise, wenn sie sagen, dass das Higgs-Feld das ist, was Teilchen "Masse verleiht", NUR über Ruhemassen sprechen. Tatsächlich ist also der größte Teil der Masse eines Protons (und damit die meiste Masse im Universum) NICHT eine Folge des Higgs-Felds, sondern von Bindungsenergien.

Mir ist klar, dass dies nicht der Hauptpunkt Ihrer Frage ist, aber es scheint erwähnenswert, dass sich die freie Energie von Gibbs ändert Δ G ∘ ist kein Maß für die bei der Reaktion freigesetzte Energiemenge. Es ist eine abstrakte Größe, die mit der Entropieänderung des Universums zusammenhängt. Die relevante freigesetzte Energiemenge, die Sie bei der Berechnung der Massenänderung verwenden würden, ist die Änderung der "inneren Energie", die für eine Reaktion bei konstantem Volumen und konstantem Druck der Enthalpieänderung entspricht Δ H . In Ihrem Fall, in dem die Anzahl der Gasmole abnimmt, benötigen wir weitere Informationen darüber, ob Druck oder Volumen oder beides nicht konstant gehalten wird.

Ich weiß, ich bin zu spät für diese Frage, aber ich konnte mich nicht davon abhalten zu antworten.

Ich glaube nicht, dass chemische Bindungen Energie speichern . Es kann also irreführend sein, Energie in den chemischen Bindungen zu sagen .

Anleihen sind keine Batterien . Die Energie wird vielmehr in den Atomen gespeichert.

Sehen Sie, wenn sich zwei Atome verbinden, setzen sie Energie frei und diese Energie kann jede Form haben. Es könnte sogar von umgebenden Atomen absorbiert oder als Photonen freigesetzt werden . Diese Energien werden nicht in Bindungen gespeichert. Anleihen haben kein physisches Erscheinungsbild. Um also eine Chemikalie in ihre Atome aufzubrechen (oder zu trennen), müssen Sie Energie abgeben, und diese Energie wird dann von diesen Atomen absorbiert, und sie (die Atome, die zuvor eine Bindung gebildet haben) bewegen sich einfach auseinander.

Damit eine exotherme Reaktion auftritt, müssen Sie zunächst die Chemikalie aufbrechen (und die benötigte Energie wird als Aktivierungsenergie bezeichnet ), und diese Atome rekombinieren dann und setzen erneut Energie frei, und die Menge dieser freigesetzten Energie hängt vom Muster der Umlagerung ab diese freien Atome.

Deshalb ist die Reaktionsenergie definiert als die Änderung der Energie der Bildung von Produkten und Reaktanten .

Abhängig von der Energiemenge, die die Reaktanten benötigen, um auseinander zu gehen, und der Energie, die die getrennten Atome freisetzen, indem sie eine neue Verbindung bilden , klassifizieren wir die Reaktionen als exotherm und endotherm.

Und jetzt zu deiner Frage:

Da die Atome Energie freisetzen, haben sie jetzt eine geringere Masse als sie hatten, als sie getrennt waren. Und das kann mit der bekannten Gleichung berechnet werden:

E = M C 2

Hoffe es hilft 🙂.

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