¿Los enlaces químicos tienen masa?

Cuando ocurre una reacción exotérmica, la energía de los enlaces químicos de los reactivos se transfiere parcialmente a los enlaces químicos de los productos. La energía restante se libera en forma de calor.

Por ejemplo:

norte 2 + 3 H 2 → 2 norte H 3 Δ GRAMO ∘ = − 32.96 k j / metro o yo

Por lo tanto, cuando 1 metro o yo de nitrógeno reacciona con 3 metro o yo de hidrógeno (bajo condiciones estándar), obtenemos 32.96 k j de calor

Ahora, aplicando mi = metro C 2 , esto resulta ser

metro = 32.96 × ( 3 × 10 − 8 ) 2 = 2.96 × 10 − 14 k gramo o 29.6 pag gramo

¿Se mantiene esta relación? ¿Los productos de una reacción exotérmica realmente pesan un poco menos que los reactivos?

En un sentido más general, ¿eliminar energía de un sistema disminuye su masa (o viceversa )?

Te das cuenta de que es muy difícil medir una diferencia de 30 pg cuando la masa del objeto es de 34 g; una diferencia de magnitud de 1.000.000.000.000 veces. En realidad, el error en el Número de Avogadro solo permite una precisión de 1 en 1.000.000. Por lo tanto, pasará algún tiempo antes de que alguien pueda probar su declaración.
Absolutamente, esto es (al menos con la tecnología actual) imposible de medir. Tengo más curiosidad por saber qué tiene que decir sobre esto nuestra comprensión actual de la física.
@LDC3: La precisión con la que conocemos el número de Avogadro no es relevante. No hay razón para invocar unidades de moles en ningún experimento de este tipo.
La pregunta parece plantearse en términos de masa gravitatoria pasiva, en oposición a la masa inercial o la masa gravitatoria activa. Si asumimos que se cumple el principio de equivalencia, entonces esto se puede probar usando una prueba que prueba la masa inercial o la masa gravitatoria activa. Si la hipótesis es, por otro lado, que la equivalencia masa-energía falla para las reacciones químicas para un tipo de masa pero no para otros, entonces creo que esto está descartado por las pruebas de alta precisión existentes del principio de equivalencia.
Una reacción química exotérmica como esta convierte la energía de los campos eléctricos en calor. Si la equivalencia masa-energía fallara para cualquiera de estos dos tipos de energía, creo que ya lo habríamos visto en varias pruebas experimentales de GR, como Kreuzer, Phys. Rev. 169 (1968) 1007.
@BenCrowell ¿Entonces crees que contar moléculas es más fácil?
@ user4552 Esto es incorrecto: "reacción química ... convierte la energía de los campos eléctricos en calor". La energía de enlace consiste principalmente en energía potencial electronuclear, electrón-electrón, energía cinética electrónica. Esto es lo que nos enseña la química cuántica.

Respuestas (4)

En lo que respecta a la teoría, tiene toda la razón, la energía de enlace (negativa) entre los átomos de una molécula contribuye a la masa total de esa molécula, por lo que una molécula estable tiene menos masa que la suma de las masas de sus átomos constituyentes.

Sin embargo (como usted mismo calculó), la diferencia de masa es absolutamente pequeña y, que yo sepa, nunca se ha medido. Pero el principio no es diferente del déficit de masa que ocurre en las reacciones nucleares y que, a su vez, es fácilmente medible. Considere la masa atómica del deuterio ( 2.01410178 tu ) contra helio ( 4.002602 tu ), lo cual es sobre 0,64 % menor que la masa de dos átomos de deuterio. La diferencia es la energía que se liberaría en una reacción de fusión.

Entonces, sí, en general, quitar energía de un sistema disminuye su masa y, a la inversa, agregar energía al sistema aumenta su masa. El ejemplo más extremo quizás serían los protones y los neutrones: aproximadamente 99 % de sus masas provienen de la energía de enlace (positiva) entre sus quarks constituyentes, y solo alrededor 1 % se atribuye a las masas en reposo de los quarks.

Otro ejemplo en el que realmente puede ver esto en valores medidos experimentalmente es la ionización de un átomo de hidrógeno. Mire la masa de un protón, un electrón y un átomo de H, y puede (a aproximadamente 2-3 sig figs si mi memoria se mantiene) calcular la energía de ionización.
es 2-3 σ ¿posible? La energía de ionización de H es 2.18 × 10 − 18 J, que es equivalente a 2.42 × 10 − 35 kg de masa. La masa del protón es 1.67262178 × 10 − 27 kg; el electrón, 9.10938291 × 10 − 31 kg. El total es 1.67353271 × 10 − 27 kg. La energía de ionización está en el octavo dígito significativo. El mejor valor que puedo encontrar para la masa del átomo de H es 1,007825 u; sólo 7 dígitos. Multiplicando por 1 u = 1.660538921 × 10 − 27 kg y restando de la p+ combinada, la masa e- da 8 × 10 − 35 kg. Estadio correcto, pero más allá del último dígito significativo.
Recuerdo haberlo hecho hace varios meses y lo obtuve dentro de aproximadamente 1 eV. Buscaré y veré si puedo encontrar qué valores usé.
¿Puede proporcionar una referencia para el último bit? ... Que la mayor parte de la masa de protones y neutrones está en su energía de enlace. He escuchado esto mucho, pero me pregunto acerca de algunas fuentes sólidas.
Busque las masas de los quarks arriba y abajo, por ejemplo, en Wikipedia (u: 2,3, d: 4,8 MeV). Un protón es uud, por lo que las masas en reposo de los quarks ascienden a 9,1 MeV de su masa de 938,3 MeV; un neutrón es udd, por lo que 12,1 de 939,6 MeV. Entonces 0.96% y 1.29%, respectivamente. El resto es energía de enlace. Con barras de error, su 0.96 ± 0.19 % y 1.29 ± 0.13 %, respectivamente, asumiendo que usé mi calculadora correctamente.
¿Qué importancia tiene este cambio en comparación con las diferencias de masa debidas a la energía (negativa) de enlace nuclear?

Sí, los enlaces tienen masa, como cualquier otro tipo de energía.

Esto puede ser significativo; si tuviera una bola de pegamento (una partícula hipotética hecha de gluones sin masa), tendría masa, ¡y toda la masa sería de la energía de enlace! Lo mismo ocurriría si de alguna manera lograras unir fotones.

Como se libera energía cuando se forma un enlace, ¿no tendría una bola de pegamento una masa negativa? Eso parece raro...
No puede asignar masa al "enlace" a menos que estipule que cada enlace es de hecho una partícula. Que no lo es.
@steveverrill Sí, es negativo. Lo que realmente está viendo es la masa de todo el sistema (por ejemplo, una molécula de agua) y restando la masa de los átomos constituyentes. Si los átomos tienen menos masa que la molécula, la "masa de enlace" es efectivamente positiva y al romper la molécula se libera energía. Si tienen más masa que la molécula, la "masa de enlace" es negativa y romper la molécula requiere un aporte de energía. La razón por la que la masa (y la energía) pueden ser negativas es que estamos considerando la masa en relación con el sistema sin el enlace.
@Luaan No estaba hablando de una molécula en la que los átomos componentes tienen masa, estaba hablando de una "partícula hipotética hecha de gluones sin masa" como se menciona en esta respuesta.
@steveverrill Ah, cierto. En ese caso, te perdiste lo obvio: dado que la bola de pegamento tiene más energía (y masa) que los gluones individuales (hasta donde podemos hablar de gluones individuales: D), es un ejemplo de un enlace que necesita energía para formarse . (lo que también significa que es intrínsecamente inestable; siempre que haya un estado de menor energía en el que pueda transformarse, no estoy seguro de si eso se aplica a los gluones). Es como si la formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno fuera exotérmica, pero la formación de dióxido nitroso a partir de nitrógeno y oxígeno fuera endotérmica.
Ni siquiera necesita mirar algo tan exótico como una bola de pegamento para ver un caso donde la "masa de energía de unión" es dominante. Tome el simple neutrón o protón. La masa acumulada en reposo de tres quarks u/d es básicamente insignificante en comparación con la masa total del objeto compuesto. Tenga en cuenta, también, que en un sentido relacionado, cuando la gente dice que el campo de Higgs es lo que "da masa a" las partículas, están hablando SOLAMENTE de masas en reposo. Entonces, de hecho, la mayor parte de la masa de un protón (y, por extensión, la mayor parte de la masa en el universo), NO es una consecuencia del campo de Higgs, sino de las energías de enlace.

Me doy cuenta de que este no es el punto principal de su pregunta, pero parece que vale la pena mencionar que el cambio de energía libre de Gibbs Δ GRAMO ∘ no es una medida de la cantidad de energía liberada en la reacción. Es una cantidad abstracta relacionada con el cambio de entropía del universo. La cantidad relevante de energía liberada que usaría en el cálculo del cambio de masa es el cambio en la "energía interna", que para una reacción a volumen y presión constantes es equivalente al cambio de entalpía Δ H . En su caso, donde la cantidad de moles de gas está disminuyendo, necesitaríamos más información sobre si la presión o el volumen o ninguno se mantiene constante.

Sé que llego demasiado tarde para esta pregunta, pero no pude evitar responder.

No creo que los enlaces químicos almacenen energía . Así que decir energía en los enlaces químicos puede ser engañoso.

Los bonos no son baterías . La energía se almacena más bien en los átomos.

Mira cuando dos átomos se combinan, liberan energía y esa energía puede ser de cualquier forma. Incluso podría ser absorbido por los átomos circundantes o liberado como fotones . Esas energías no se almacenan en bonos. Los bonos no tienen apariencia física. Entonces, para romper (o separar) un químico en sus átomos constituyentes, necesita dar energía y esa energía luego es absorbida por esos átomos y ellos (los átomos que formaron el enlace antes) simplemente se separan.

Además, para que ocurra una reacción exotérmica, primero se necesita romper el químico (y la energía necesaria se llama energía de activación ) y esos átomos luego se recombinan y nuevamente liberan energía y la cantidad de esta energía liberada depende del patrón de reordenamiento de esos átomos libres.

Es por eso que la energía de reacción se define como el cambio en la energía de formación de productos y reactivos .

Según la cantidad de energía que necesitan los reactivos para separarse y la energía que liberan los átomos separados al formar un nuevo compuesto , clasificamos las reacciones como exotérmicas y endotérmicas.

Y ahora yendo a tu pregunta:

Dado que los átomos liberan energía, ahora tienen una masa menor que la que tenían cuando estaban separados. Y eso se puede calcular usando la conocida ecuación:

mi = metro C 2

Espero que ayude 🙂.

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