質量守恆定律

質量守恆定律

質量守恆定律也稱物質不滅定律。是俄國科學家羅蒙諾索夫於1756年最早發現的。拉瓦錫通過大量的定量試驗,發現了在化學反應中,參加反應的各物質的質量總和等於反應後生成各物質的質量總和。即任何一種化學反應,其反應前後的質量總是不會變的。物質質量既不會增加也不會減少,只會由一種形式轉化為另一種形式。前提條件是,一個物體在作用時必須在密閉的環境下,質量才會相同,假如是在大氣中,質量會發生變化。它是自然界普遍存在的基本定律之一。

基本信息

定義

化學反應中,參加反應前各物質的質量總和等於反應後生成各物質的質量總和。這個規律就叫做質量守恆定律(lawofconservationofmass)。它是自然界普遍存在的基本定律之一。在任何與周圍隔絕的體系中,不論發生何種變化或過程,其總質量始終保持不變。或者說,任何變化包括化學反應和核反應都不能消除物質,只是改變了物質的原有形態或結構,所以該定律又稱物質不滅定律

適用範圍

①質量守恆定律適用的範圍是化學變化而不是物理變化

②質量守恆定律揭示的是質量守恆而不是其他方面的守恆。物體體積不一定守恆。

③質量守恆定律中“參加反應的”不是各物質質量的簡單相加,而是指真正參與了反應的那一部分質量,反應物中可能有一部分沒有參與反應。

④質量守恆定律的推論:化學反應中,反應前各物質的總質量等於反應後各物質的總質量。

微觀解釋

質量守恆定律質量守恆定律

在化學反應過程中,反應前後原子的種類沒有改變,原子的數目沒有增減,原子的質量也沒有變化。所以化學反應前後各物質的質量總和必然相等。

①化學變化中的“一定不變”:原子種類、原子數目、原子質量、元素種類、反應前後各物質的總質量一定不變。

②化學變化中的“一定改變”;分子種類、物質種類一定改變。

③化學變化中的“可能改變”:分子數目可能改變。

巨觀解釋

自然界的基本定律之一。在任何與周圍隔絕的物質系統(孤立系統)中,不論發生何種變化或過程,其總質量保持不變。18世紀時法國化學家拉瓦錫從實驗上推翻了燃素說之後,這一定律始得公認。20世紀初以來,發現高速運動物體的質量隨其運動速度而變化,又發現實物和場可以互相轉化,因而應按質能關係考慮場的質量。質量概念的發展使質量守恆原理也有了新的發展,質量守恆和能量守恆兩條定律通過質能關係合併為一條守恆定律,即質量和能量守恆定律。質量守恆定律在19世紀末作了最後一次檢驗,那時候的精密測量技術已經高度發達。結果表明,在任何化學反應中質量都不會發生變化(哪怕是最微小的)。例如,把糖溶解在水裡,則溶液的質量將嚴格地等於糖的質量和水的質量之和。實驗證明,物體的質量具有不變性。不論如何分割或溶解,質量始終不變。在任何化學反應中質量也保持不變。燃燒前炭的質量與燃燒時空氣中消耗的氧的質量之和準確地等於燃燒後所生成物質的質量。

實驗驗證

科學實驗

質量守恆定律質量守恆定律
20世紀初,德國和英國化學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果,反應前後的質量變化小於一千萬分之一,這個誤差是在實驗誤差允許範圍之內的,因此質量守恆定律是建立在嚴謹的科學實驗基礎之上的。質量守恆定律就是參加化學反應的各物質的質量總和,等於反應後生成的各物質的質量總和。

例如,把鐵釘放在硫酸銅溶液(藍色)里,當反應結束(會有明顯的反應現象)後,剩餘物質的質量將嚴格地等於鐵釘的質量和硫酸銅溶液的質量之和。實驗證明,物體的質量具有不變性。不論如何分割或溶解,質量始終不變。在任何化學反應中質量也保持不變。燃燒前碳的質量與燃燒時空氣中消耗的氧的質量之和準確地等於燃燒後所生成物質的質量。

驗證方案

在底部鋪有細沙的錐形瓶口,放入一粒火柴大的白磷。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,並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。然後,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後,迅速用橡皮塞將錐形瓶塞緊,白磷引燃。待錐形瓶冷卻後,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)
實驗現象白磷燃燒發黃光,並且產生大量白煙,放出熱量,並且,天平平衡。這與紅磷燃燒相同。

實驗注意

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,通常把它貯存在水裡,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乾,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於白磷燃燒,放出大量熱量,氣體膨脹造成瓶塞被沖開。瓶內氣體膨脹時,氣球被吹大,冷卻時氣球縮進瓶內,起保護作用。
3.誤差分析:由於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後,再用橡皮塞將錐形瓶塞緊,這一操作會因為錐形瓶內空氣受熱膨脹和白磷燃燒產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乾淨,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,記錄所稱的質量m1。
將鐵釘浸到硫酸銅溶液中,觀察實驗現象。待反應一段時間後溶液顏色改變時,將盛有硫酸銅溶液和鐵釘的燒杯放在托盤天平上稱量,記錄所稱的質量m2。比較反應前後的質量。
質量守恆定律,即在化學反應中,參加反應的各物質的總和等於反應後生成的各物質總和。
微觀解釋:在化學反應前後,原子的種類,數目,質量均不變。

關係公式

自從愛因斯坦(Einstein)提出狹義相對論和質能關係公式(E=mc2)以後,說明物質可以轉變為輻射能,輻射能可以轉變為物質。這個結論對質量守恆定律在化學中的套用有何影響呢?實驗結果證明1000g硝化甘油爆炸之後,放出的能量為8.0×106J。根據質能關係公式計算,產生這些能量的質量是8.9×10-8g,與原來1000g相比,差別小到不能用現在實驗技術所能測定。從實用觀點來看,可以說在化學反應中,質量守恆定律是完全正確的。

化學方程式

定義

化學式來表示化學反應的式子。

書寫原則

①必須以客觀事實為依據;

②必須遵守質量守恆定律;

書寫方法

①正確書寫反應物生成物的化學式;

②配平化學方程式,然後將連線改為等號;

③註明化學反應的條件及生成物的狀態等。

配平化學方程式的方法

觀察法、最低公倍數法、奇數配偶數法等。

化學方程式的讀法

從左到右,先讀反應物,後讀生成物,反應物中“+”號讀成“跟”、“與”或“和”。生成物中“+”讀“和”。“==”讀成“生成”。條件讀“在……條件下反應”。

化學方程式表示的意義

①表示反應物、生成物以及反應條件;

②表示反應物、生成物各物質之間的質量比;

③表示反應物、生成物的各粒子的相對數量關係。

套用領域

物理套用

在物理上,質量守恆主要套用於解決熱學問題以及功能轉換,而質量守恆也可以用於化學方面,如方程式的配平,以及化學元素物質的量計算,主要遵循下列規則。
六個不變:
巨觀:1.反應前後物質總質量不變;2.元素的種類不變;3.各元素對應原子的總質量不變;
微觀:4.原子的種類不變;5.原子的數目不變;6.原子的質量不變。
兩個一定改變:
巨觀:物質種類改變。
微觀:物質的粒子構成方式一定改變。
兩個可能改變:
巨觀:元素的化合價可能改變。
微觀:分子總數可能會改變。

綜合套用

(1)根據質量守恆定律:化學反應前後元素的種類和數目相等,推斷反應物或生成物的化學式。
(2)已知某反應物或生成物質量,根據化學方程式中各物質的質量比,可求出生成物或反應物的質量。

套用實例

質量守恆定律與化學方程式的綜合套用:
(1)根據質量守恆定律,參加化學反應的各物質的質量總和等於反應後生成的各物質的質量總和。利用這一定律可以解釋反應前後物質的質量變化及用質量差確定某反應物或生成物的質量。
(2)根據質量守恆定律,化學反應前後元素的種類和質量不變,由此可以推斷反應物或生成物的組成元素。
(3)根據質量守恆定律:化學反應前後元素的種類和原子的數目相等,推斷反應物或生成物的化學式。
(4)已知某反應物或生成物質量,根據化學方程式中各物質的質量比,可求出生成物或反應物的質量。

發展歷史

質量守恆定律質量守恆定律
1756年俄國M.V.羅蒙諾索夫首先測定化學反應中物質的重量關係,將錫放在密閉容器中燃燒,反應前後重量沒有變化,由此得出結論:“參加反應的全部物質的重量,常等於全部反應產物的重量。”

1774年法國A.-L.拉瓦錫重複類似的實驗,並得出同樣的結論。由於羅蒙諾索夫和拉瓦錫時代所用的天平不夠精密,所以後來又有不少科學家用更精確的方法證明這一定律。例如19世紀中葉,比利時分析化學家J.-S.斯塔用銀和碘製備碘化銀,所得碘化銀的質量與碘和銀的總質量只相差0.002%。19世紀末,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。

1777年法國的拉瓦錫做了同樣的實驗,也得到同樣的結論,這一定律才獲得公認。但要確切證明或否定這一結論,都需要極精確的實驗結果,而拉瓦錫時代的工具和技術(小於0.2%的質量變化就覺察不出來)不能滿足嚴格的要求。因為這是一個最基本的問題,所以不斷有人改進實驗技術以求解決。

1908年德國化學家朗道耳特(Landolt)及1912年英國化學家曼萊(Manley)做了精確度極高的實驗,所用的容器和反應物質量為1000g左右,反應前後質量之差小於0.0001g,質量的變化小於一千萬分之一。這個差別在實驗誤差範圍之內,因此科學家一致承認了這一定律。

20世紀以來,人們發現原子核裂變所產生的能量遠遠超過最劇烈的化學反應。1000g235U裂變的結果,放出的能量為8.23×1016J,與產生這些輻射能相等的質量為0.914g,和原來1000g相比,質量變化已達到千分之一。於是人們對質量守恆定律就有了新的認識。在20世紀以前,科學家承認兩個獨立的基本定律:質量守恆定律和能量守恆定律。現在科學家則將這兩個定律合而為一,稱它為質能守恆定律。

題型總結

剖析法理解內涵

質量守恆定律的內容是:參加化學反應的各物質的質量總和等於反應後生成的各物質的質量總和。其中,“參加”“化學反應”“質量總和”是三個關鍵字。剖析三個關鍵字的含義是理解定律內涵的常用方法。“參加”一詞的含義是:未參加反應的反應物的質量不能列入反應物的質量總和之中,否則會使算出的生成物的質量總和比實際總質量偏大。如,2g氫氣在8g氧氣中充分燃燒,生成水的質量就不是10g,而是9g,因為,氫、氧化合時兩者的質量比固定為1:8,2g氫氣在上述反應中有1g氫氣沒有參加反應。“化學反應”的含義是:質量守恆定律是揭示化學變化前後物質之間質量關係的規律,化學變化以外的質量變化現象,不可以用質量守恆定律解釋。“質量總和”的含義是:質量守恆不是說反應物的質量等於生成物的質量,而是指化學反應前後物質的總質量相等。

線索法理解實質

質量守恆定律與原子的概念、化學變化的微觀實質之間存有內在聯繫,因此,可以用下列線索去理解質量守恆定律的實質:原子概念→化學變化的微觀實質→化學變化前後物質總質量守恆。這一線索的具體內容是:原子是化學變化中的最小粒子,因此,化學變化的過程,實質上是反應物的原子重新構成新物質的分子或直接構成新物質的過程,在這一過程中,原子的種類、數目、質量都沒有發生變化,所以參加化學反應的各物質的質量總和等於反應後生成的各物質的質量總和。

物理學定律(1)

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