[科普中國]-物質(zhì)守恒定律

自然界的基本定律之一。在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變。18世紀(jì)時法國化學(xué)家拉瓦錫從實驗上推翻了燃素說之后，這一定律始得公認(rèn)。20世紀(jì)初以來，發(fā)現(xiàn)高速運動物體的質(zhì)量隨其運動速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實物和場可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場的質(zhì)量。質(zhì)量概念的發(fā)展使質(zhì)量守恒原理也有了新的發(fā)展，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即質(zhì)量和能量守恒定律。(簡稱質(zhì)能守恒定律）

物質(zhì)守恒定律，就是物質(zhì)是不會消失也不會產(chǎn)生的，只能由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化成另一種物質(zhì)。物質(zhì)守恒定律里說到:物質(zhì)不會憑空產(chǎn)生,只是從一形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)了。

什么是物質(zhì)守恒編輯

1．早期的“質(zhì)量守恒定律”（質(zhì)能關(guān)系之前）[2]

在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和。這個規(guī)律就叫做質(zhì)量守恒定律（law of conservation of mass）。在任何與周圍隔絕的體系中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量始終保持不變。或者說，任何變化包括化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)都不能消除物質(zhì)，只是改變了物質(zhì)的原有形態(tài)或結(jié)構(gòu)，所以該定律又稱物質(zhì)不滅定律。后來演變成為了自然界普遍存在的基本定律之一。

化學(xué)反應(yīng)的過程，就是參加反應(yīng)的各物質(zhì)（反應(yīng)物）的原子，重新組合而生成其他物質(zhì)的過程。在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前后原子的種類沒有改變，數(shù)目沒有增減，原子的質(zhì)量也沒有改變。

2．“能量守恒定律”

3．愛因斯坦的“質(zhì)能關(guān)系”

4．“信息守恒”

愛因斯坦博士有一個公式：能量=質(zhì)量*光速的平方。在這里，質(zhì)量完全泯滅，轉(zhuǎn)化為能量。我們是不是可以這么說，在打開時光隧道的時候，我們這個空間會和另一個空間進行物質(zhì)能量交換，如果一個人經(jīng)過時光隧道到了另一個空間，那么另一個空間就會將大量的能量拋射到這個空間。

質(zhì)量守恒定律簡解

自然界的基本定律之一。在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變。18世紀(jì)時法國化學(xué)家拉瓦錫從實驗上推翻了燃素說之后，這一定律始得公認(rèn)。20世紀(jì)初以來，發(fā)現(xiàn)高速運動物體的質(zhì)量隨其運動速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實物和場可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場的質(zhì)量。質(zhì)量概念的發(fā)展使質(zhì)量守恒原理也有了新的發(fā)展，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即質(zhì)量和能量守恒定律。(簡稱質(zhì)能守恒定律）

質(zhì)量守恒定律編輯

概念質(zhì)量守恒定律指的是一個系統(tǒng)質(zhì)量的改變總是等于該系統(tǒng)輸入和輸出質(zhì)量的差值。質(zhì)量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。它表明質(zhì)量既不會被創(chuàng)生，也不會被消滅，而只會從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到為另一種物質(zhì)，總量保持不變。

具體質(zhì)量守恒定律包括——

物理變化質(zhì)量守恒

物理變化中不論物體的形狀、狀態(tài)、位置如何變化，所蘊含的質(zhì)量不變；物體分裂成幾個部分時，各部分質(zhì)量之和等于原物體質(zhì)量。當(dāng)物體加減速運動時，動質(zhì)量會變化，但是靜止質(zhì)量恒定不變。

化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量守恒

化學(xué)反應(yīng)因沒有原子變化，質(zhì)量總是守恒的（無論是動質(zhì)量還是靜質(zhì)量）?；瘜W(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒包括原子守恒、電荷守恒、元素守恒等幾個方面。

核反應(yīng)的質(zhì)量守恒

核反應(yīng)由于有原子變化，因此靜質(zhì)量是不守恒的，有質(zhì)量虧損，服從質(zhì)能方程，這也是核武器的理論原理。但核反應(yīng)在相對論中，其動質(zhì)量也是守恒的。

解釋編輯

在化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)前后原子的種類沒有改變，原子的數(shù)目沒有增減，原子的質(zhì)量也沒有變化。所以化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和必然相等。

①化學(xué)變化中的“一定不變”：原子種類、原子數(shù)目、原子質(zhì)量、元素種類、元素質(zhì)量和反應(yīng)前后各物質(zhì)的總質(zhì)量一定不變；

②化學(xué)變化中的“一定改變”;分子種類、物質(zhì)種類一定改變；

③化學(xué)變化中的“可能改變”：分子數(shù)目可能改變,元素化合價。

驗證編輯

20世紀(jì)初，德國和英國化學(xué)家分別做了精確度極高的實驗，以求能得到更精確的實驗結(jié)果，反應(yīng)前后的質(zhì)量變化小于一千萬分之一，這個誤差是在實驗誤差允許范圍之內(nèi)的，因此質(zhì)量守恒定律是建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗基礎(chǔ)之上的。質(zhì)量守恒定律就是參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和，等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。例如，把鐵釘放在硫酸銅溶液（藍色）里，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束（會有明顯的反應(yīng)現(xiàn)象）后，剩余物質(zhì)的質(zhì)量將嚴(yán)格地等于鐵釘?shù)馁|(zhì)量和硫酸銅溶液的質(zhì)量之和。實驗證明，物體的質(zhì)量具有不變性。不論如何分割或溶解，質(zhì)量始終不變。在任何化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量也保持不變。燃燒前碳的質(zhì)量與燃燒時空氣中消耗的氧的質(zhì)量之和準(zhǔn)確地等于燃燒后所生成物質(zhì)的質(zhì)量。

方案一在底部鋪有細沙的錐形瓶口，放入一?；鸩翊蟮陌琢?。在錐形瓶口的橡皮塞上安裝一根玻璃管，在其上端系牢一個小氣球，并使玻璃管下端能與白磷接觸。將錐形瓶與玻璃管放在托盤天平上用砝碼平衡。然后，取下錐形瓶。將橡皮塞上的玻璃管放到酒精燈火焰上灼燒至紅熱后，迅速用橡皮塞將錐形瓶塞緊，白磷引燃。待錐形瓶冷卻后，重新放到托盤天平上，觀察天平是否平衡。

磷 +氧氣點燃 =五氧化二磷(P+O2點燃P2O5)

配平：4P+5O2=2(P2O5)（條件：點燃）

P4+5O2=P4O10(條件：點燃）

實驗現(xiàn)象白磷燃燒發(fā)黃光，并且產(chǎn)生大量白煙，放出熱量，并且，天平平衡。這與紅磷燃燒相同。

注意事項

1.白磷的取用及其注意事項：白磷是一種易自燃而又有劇毒的物質(zhì)，通常把它貯存在水里，切割白磷也在水中進行。取白磷，要用鑷子，不可用手接觸，表面的水分可用濾紙吸干，接觸過的東西上往往有磷的碎粒，不能隨便亂放，白磷的碎粒和吸過白磷表面水分的濾紙，一定要燒掉以保證安全。

2.氣球的作用：系氣球的目的是為了防止由于白磷燃燒，放出大量熱量，氣體膨脹造成瓶塞被沖開。瓶內(nèi)氣體膨脹時，氣球被吹大，冷卻時氣球縮進瓶內(nèi)，起保護作用。

3.誤差分析：由于點燃白磷時需將橡皮塞上的玻璃管取出，放到酒精燈火焰上灼燒至紅熱后，再用橡皮塞將錐形瓶塞緊，這一操作會因為錐形瓶內(nèi)空氣受熱膨脹和白磷燃燒產(chǎn)生的白煙逸出而造成實驗時托盤天平不平衡。

方案二在100mL燒杯中加入30mL的稀硫酸銅溶液，用砂紙將幾根鐵釘打磨干凈，將盛有硫酸銅溶液的燒杯和鐵釘一起放在托盤天平上稱量，記錄所稱的質(zhì)量m1。

將鐵釘浸到硫酸銅溶液中，觀察實驗現(xiàn)象。待反應(yīng)一段時間后溶液顏色改變時，將盛有硫酸銅溶液和鐵釘?shù)臒旁谕斜P天平上稱量，記錄所稱的質(zhì)量m2。比較反應(yīng)前后的質(zhì)量。質(zhì)量守恒定律，即在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)的各物質(zhì)的總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)總和。微觀解釋：在化學(xué)反應(yīng)前后，原子的種類，數(shù)目，質(zhì)量均不變。[2]

范圍編輯

①質(zhì)量守恒定律適用的范圍是所有化學(xué)變化，包括大部分的物理變化；

②質(zhì)量守恒定律揭示的是質(zhì)量守恒而不是其他方面的守恒。物體體積不一定守恒；

③質(zhì)量守恒定律中“參加反應(yīng)的”不是各物質(zhì)質(zhì)量的簡單相加，而是指真正參與了反應(yīng)的那一部分質(zhì)量，反應(yīng)物中可能有一部分沒有參與反應(yīng)；

④質(zhì)量守恒定律的推論：化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前各物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后各物質(zhì)的總質(zhì)量[1]

發(fā)展編輯

1756年俄國化學(xué)家洛蒙諾索夫把錫放在密閉的容器里煅燒，錫發(fā)生變化，生成白色的氧化錫，但容器和容器里的物質(zhì)的總質(zhì)量，在煅燒前后并沒有發(fā)生變化。經(jīng)過反復(fù)的實驗，都得到同樣的結(jié)果，于是他認(rèn)為在化學(xué)變化中物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的。但這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時沒有引起科學(xué)家的注意，直到1777年法國的拉瓦錫做了同樣的實驗，也得到同樣的結(jié)論，這一定律才獲得公認(rèn)。但要確切證明或否定這一結(jié)論，都需要極精確的實驗結(jié)果，而拉瓦錫時代的工具和技術(shù)(小于0.2%的質(zhì)量變化就覺察不出來)不能滿足嚴(yán)格的要求。因為這是一個最基本的問題，所以不斷有人改進實驗技術(shù)以求解決。1908年德國化學(xué)家廊道爾特(Landolt)及1912年英國化學(xué)家曼萊(Manley)做了精確度極高的實驗，所用的容器和反應(yīng)物質(zhì)量為1000g左右，反應(yīng)前后質(zhì)量之差小于0.0001g，質(zhì)量的變化小于一千萬分之一。這個差別在實驗誤差范圍之內(nèi)，因此科學(xué)家一致承認(rèn)了這一定律。[3]

化學(xué)反應(yīng)因沒有原子變化，質(zhì)量總是守恒的（無論是動質(zhì)量還是靜質(zhì)量）。根據(jù)道爾頓的原子說，化學(xué)反應(yīng)只是物質(zhì)中原子的重新排列，反應(yīng)前后原子種類及數(shù)目不變，又每個原子有固定質(zhì)量，所以反應(yīng)前后總質(zhì)量不變。具體來說，化學(xué)反應(yīng)里面，物質(zhì)的元素數(shù)目無論在反應(yīng)前或反應(yīng)后，都是一樣?；瘜W(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒包括原子守恒、電荷守恒、元素守恒等幾個方面。

在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變，是自然界的基本定律之一。18世紀(jì)時法國化學(xué)家拉瓦錫從實驗上推翻了燃素說之后，這一定律始得公認(rèn)。20世紀(jì)初以來，發(fā)現(xiàn)高速運動物體的質(zhì)量隨其運動速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實物和場可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場的質(zhì)量。質(zhì)量概念的發(fā)展使質(zhì)量守恒原理也有了新的發(fā)展，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即（在物理學(xué)中）質(zhì)量和能量守恒定律（簡稱質(zhì)能守恒定律）。

應(yīng)用領(lǐng)域編輯

物理應(yīng)用物理方面，質(zhì)量守恒主要應(yīng)用于解決熱學(xué)問題以及功能轉(zhuǎn)換，

化學(xué)應(yīng)用化學(xué)方面，質(zhì)量守恒主要用于方程式的配平，以及化學(xué)元素物質(zhì)的量計算，主要遵循下列規(guī)則。

六個不變：

宏觀：1.反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量不變； 2.元素的種類不變； 3.各元素對應(yīng)原子的總質(zhì)量不變；

微觀：4.原子的種類不變；5.原子的數(shù)目不變；6.原子的質(zhì)量不變。

兩個一定改變：

宏觀：物質(zhì)種類改變。

微觀：物質(zhì)的粒子構(gòu)成方式一定改變。

兩個可能改變：

宏觀：元素的化合價可能改變。

微觀：分子總數(shù)可能會改變。

綜合應(yīng)用(1)根據(jù)質(zhì)量守恒定律：化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類和數(shù)目相等，推斷反應(yīng)物或生成物的化學(xué)式。

(2)已知某反應(yīng)物或生成物質(zhì)量，根據(jù)化學(xué)方程式中各物質(zhì)的質(zhì)量比，可求出生成物或反應(yīng)物的質(zhì)量。

應(yīng)用實例質(zhì)量守恒定律與化學(xué)方程式的綜合應(yīng)用：

（1）根據(jù)質(zhì)量守恒定律，參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。利用這一定律可以解釋反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量變化及用質(zhì)量差確定某反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量。

（2）根據(jù)質(zhì)量守恒定律，化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類和質(zhì)量不變，由此可以推斷反應(yīng)物或生成物的組成元素。

（3）根據(jù)質(zhì)量守恒定律：化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類和原子的數(shù)目相等，推斷反應(yīng)物或生成物的化學(xué)式。

（4）已知某反應(yīng)物或生成物質(zhì)量，根據(jù)化學(xué)方程式中各物質(zhì)的質(zhì)量比，可求出生成物或反應(yīng)物的質(zhì)量1。

影響編輯

自從愛因斯坦（Einstein）提出狹義相對論和質(zhì)能關(guān)系公式E=mc2之后，說明物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，輻射能可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)。這個結(jié)論對質(zhì)量守恒定律在化學(xué)中的應(yīng)用有何影響呢?實驗結(jié)果證明1000g硝化甘油爆炸之后，放出的能量為8.0×10^6J。根據(jù)質(zhì)能關(guān)系公式計算，產(chǎn)生這些能量的質(zhì)量是8.9×10^-8g，與原來1000g相比，差別小到不能用實驗技術(shù)所能測定。從實用觀點來看，質(zhì)量守恒定律是完全正確的。

20世紀(jì)以來，人們發(fā)現(xiàn)原子核裂變所產(chǎn)生的能量遠遠超過最劇烈的化學(xué)反應(yīng)。1000g鈾235裂變的結(jié)果，放出的能量為8.23×10^16J，與產(chǎn)生這些輻射能相等的質(zhì)量為0.914g，和原來1000g相比，質(zhì)量變化已達到千分之一。于是人們對質(zhì)量守恒定律就有了新的認(rèn)識。在20世紀(jì)以前，科學(xué)家承認(rèn)兩個獨立的基本定律：質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。科學(xué)家則將

愛因斯坦

這兩個定律合而為一，稱它為質(zhì)能守恒定律。

1756年俄國M.V.羅蒙諾索夫首先測定化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系，將錫放在密閉容器中燃燒，反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化，由此得出結(jié)論：“參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的質(zhì)量，常等于全部反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量。”1774年法國A.-L.拉瓦錫重復(fù)類似的實驗，并得出同樣的結(jié)論。

由于羅蒙諾索夫和拉瓦錫時代所用的天平不夠精密，所以后來又有不少科學(xué)家用更精確的方法證明這一定律。例如19世紀(jì)中葉，比利時分析化學(xué)家J.-S.斯塔用銀和碘制備碘化銀，所得碘化銀的質(zhì)量與碘和銀的總質(zhì)量只相差0.002%。19世紀(jì)末，H.H.蘭多爾特用很精密的天平再一次證明這一定律的正確性。

20世紀(jì)，愛因斯坦推導(dǎo)出了狹義相對論，他指出，物質(zhì)

狹義相對論

的質(zhì)量和它的能量成正比，可用以下公式表示：E=mc2式中E為能量；m為質(zhì)量；光速c=299792.458km/s (一般取300000km/s）。以上公式說明物質(zhì)可以轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，輻射能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)。這一現(xiàn)象并不意味著物質(zhì)會被消滅，而是物質(zhì)的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)變成另外一種運動形式。(由于當(dāng)時科學(xué)的局限，這條定律只在微觀世界得到驗證，后來又在核試驗中得到驗證）所以20世紀(jì)以后，這一定律已經(jīng)發(fā)展成為質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，合稱質(zhì)能守恒定律。

發(fā)現(xiàn)者編輯

哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫(1711.11.19－1765.4.15)，俄國百科全書式的科學(xué)家、語言

學(xué)家、哲學(xué)家和詩人，被譽為俄國科學(xué)史上的彼得大帝。提出了“質(zhì)量守恒定律”（物質(zhì)不滅定律）的雛形。羅蒙諾索夫出生于阿爾漢格爾斯克一個漁民家庭，羅蒙諾索夫是俄國科學(xué)院的第一個俄國籍院士，他還是瑞典科學(xué)院院士和意大利波倫亞科學(xué)院院士。他創(chuàng)辦了俄國第一個化學(xué)實驗室和第一所大學(xué)莫斯科羅蒙諾索夫國立大學(xué)。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所