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質(zhì)量守恒（自然界的基本定律之一）

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質(zhì)量守恒

自然界的基本定律之一

質(zhì)量守恒：是自然界的基本定律之一。即在任何與周?chē)h(huán)境隔絕，包含有物質(zhì)和能量的孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)不論發(fā)生何種變化或過(guò)程，其總質(zhì)量（和能量）不隨時(shí)間發(fā)生變化。

基本信息

提出時(shí)間	1756年
應(yīng)用學(xué)科	物理化學(xué)
適用領(lǐng)域	宏觀物質(zhì)、微觀物質(zhì)

簡(jiǎn)解

18世紀(jì)時(shí)法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫從實(shí)驗(yàn)上推翻了燃素說(shuō)之后，這一定律始得公認(rèn)。20世紀(jì)初以來(lái)，發(fā)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實(shí)物和場(chǎng)可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場(chǎng)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(guò)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。

質(zhì)量守恒定律在19世紀(jì)末作了最后一次檢驗(yàn)，那時(shí)候的精密測(cè)量技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)。結(jié)果表明，在任何化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量都不會(huì)發(fā)生變化。例如，把糖溶解在水里，則溶液的質(zhì)量將嚴(yán)格地等于糖的質(zhì)量和水的質(zhì)量之和。實(shí)驗(yàn)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。燃燒前炭的質(zhì)量與燃燒時(shí)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。

質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史

1756年俄國(guó)化學(xué)家羅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(méi)有發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，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(shí)沒(méi)有引起科學(xué)家的注意，直到1777年法國(guó)的拉瓦錫做了同樣的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果，而拉瓦錫時(shí)代的工具和技術(shù)(小于0.2%的質(zhì)量變化就覺(jué)察不出來(lái))不能滿足嚴(yán)格的要求。因?yàn)檫@是一個(gè)最基本的問(wèn)題，所以不斷有人改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以求解決。1908年德國(guó)化學(xué)家朗道耳特(Landolt)及1912年英國(guó)化學(xué)家曼萊(Manley)做了精確度極高的實(shí)驗(yàn)，所用的容器和反應(yīng)物質(zhì)量為1 000 g左右，反應(yīng)前后質(zhì)量之差小于0.000 1 g，質(zhì)量的變化小于一千萬(wàn)分之一。這個(gè)差別在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，因此科學(xué)家一致承認(rèn)了這一定律。

發(fā)展

自從愛(ài)因斯坦(Einstein)提出狹義相對(duì)論和質(zhì)能關(guān)系公式(E=mc2)以后，說(shuō)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(gè)結(jié)論對(duì)質(zhì)量守恒定律在化學(xué)中的應(yīng)用有何影響呢？實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明1 000 g硝化甘油爆炸之后，放出的能量為8.0×10^6 J。根據(jù)質(zhì)能關(guān)系公式計(jì)算，產(chǎn)生這些能量的質(zhì)量是8.9×10^-8 g，與原來(lái)1 000 g相比，差別小到不能用現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)所能測(cè)定。從實(shí)用觀點(diǎn)來(lái)看，可以說(shuō)在化學(xué)反應(yīng)中，質(zhì)量守恒定律是完全正確的。

20世紀(jì)以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)原子核裂變所產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最劇烈的化學(xué)反應(yīng)。1 000 g 235U裂變的結(jié)果，放出的能量為8.23×10^16 J，與產(chǎn)生這些輻射能相等的質(zhì)量為0.914 g，和原來(lái)1 000 g相比，質(zhì)量變化已達(dá)到千分之一。于是人們對(duì)質(zhì)量守恒定律就有了新的認(rèn)識(shí)。在20世紀(jì)以前，科學(xué)家承認(rèn)兩個(gè)獨(dú)立的基本定律：質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律?，F(xiàn)在科學(xué)家則將這兩個(gè)定律合而為一，稱它為質(zhì)能守恒定律。

1756年俄國(guó)M.V.羅蒙諾索夫首先測(cè)定化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的重量關(guān)系，將錫放在密閉容器中燃燒，反應(yīng)前后重量沒(méi)有變化，由此得出結(jié)論：“參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的重量，常等于全部反應(yīng)產(chǎn)物的重量?！?774年法國(guó)A.-L.拉瓦錫重復(fù)類似的實(shí)驗(yàn)，并得出同樣的結(jié)論。

由于羅蒙諾索夫和拉瓦錫時(shí)代所用的天平不夠精密，所以后來(lái)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(shí)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)，A.愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對(duì)論，他指出，物質(zhì)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；c為光速。以上公式說(shuō)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(huì)被消滅，而是物質(zhì)的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)變成另外一種運(yùn)動(dòng)形式。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。

應(yīng)用

在中學(xué)化學(xué)中，質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用：

在物理上，質(zhì)量守恒主要應(yīng)用于解決熱學(xué)問(wèn)題以及功能轉(zhuǎn)換，而質(zhì)量守恒也可以用于化學(xué)方面，如方程式的配平，以及化學(xué)元素物質(zhì)的量計(jì)算，主要遵循下列規(guī)則

六個(gè)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(gè)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(gè)可能改變：

宏觀：元素的化合價(jià)可能改變

微觀：分子總數(shù)可能改變。

內(nèi)容

參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和，等于反映后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。

說(shuō)明：（1）“質(zhì)量總和”是指已經(jīng)“參加”化學(xué)反應(yīng)的所有反應(yīng)物的質(zhì)量與所有“生成“的物質(zhì)質(zhì)量。

（2）質(zhì)量守恒定律的適用范圍是化學(xué)變化，不包括物理變化。

（3）質(zhì)量守恒定律是指物質(zhì)的質(zhì)量守恒，不是體積等其他量的守恒。

實(shí)質(zhì)

（1）化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程：參加反應(yīng)的各反應(yīng)物的原子重新組合成為各個(gè)生成物的過(guò)程。

（2）實(shí)質(zhì)：反映前后原子的種類不會(huì)改變，原子的數(shù)目也沒(méi)有變化。所以，化學(xué)反應(yīng)前后各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量總和

必然相等。

六個(gè)不變：

宏觀：反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變，元素的種類不變，原子的質(zhì)量不變。

圍觀：原子的種類不變，原子的數(shù)目不變，原子的質(zhì)量不變。

兩個(gè)一定變：

宏觀：物質(zhì)的種類一定變

圍觀：分子的種類一定變

兩個(gè)可能變：分子的數(shù)目可能改變，原子團(tuán)可能改變。

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