化学变化过程中质量守恒吗.doc

化学变化过程中质量守恒吗？一、什么是质能守恒二、核反应中的质能守恒三、化学反应中的质量亏损四、原子核与分子形成中的质量亏损五、关于数学方程本身的讨论六、原则与定律 在1905年爱因斯坦得出质能方程之后，质量和能量这两个相互独立物理量便被Emc2这一等式联系起来。这一公式曾被本站转载的一篇文章（见“相关文章”）用来讨论为什么原子核的质量不等于核子质量的加和。而一贯被认为质量守恒的化学反应，反应前后物质的质量是否真的相等呢？ 一、什么是质能守恒由质能方程所表述的质量与能量的关系，假如一个体系向环境中释放一定的能量，同时该体系损失了与之对应的质量；在这一过程中，环境同时接收能量和质量。 右图描述了一个封闭体系向环境释放能量的几种途径。也许你会产生疑问，既然体系是封闭的，环境为何在接收能量的同时还能接收到质量呢？假如能量以热量的形式放出，环境的原子被加热而使质量增大。假如能量以电能的形式释放，无论是电能转化为热能加热环境原子，还是发生电化学反应使环境的化学能增加，都会使环境原子的质量增加。假如能量以电磁波的形式放出，则环境吸收光子质量而使质量增加。 光子具有能量Ehv，v为电磁波的频率；同时也具有质量mhv/c2。天文学家发现光线在通过太阳等星体时，由于星球的引力而使光线弯曲，这一事实可以证明光子是有质量的；同时光无法从黑洞中逃逸出来，也可证明这一结论。 最后，如果能量以功的形式放出，在重物被推动时，重物与地球构成的体系的重力势能增加，从而获得质量。类似的，当橡皮筋被拉伸时，其质量也会增加。因此各种形式的能量都具有质量。 当物理学家发现质量和能量是同一量的两种测量方式时，质量守恒定律和能量守恒定律便可以单独成立了，它们是只能守恒定律的两种不同表述形式。质能守恒定律要求质能不能创生，也不能湮灭，把前面的两个定律统一在了一起。一个普遍的错误认识认为，质能守恒仅要求质量和能量的总和是一个常量，而质量和能量之间可相互转化。事实上，对质量和能量求加和的做法，是将质能重复计算了两次。 化学家非常熟悉可以用两种不同方式描述同一个物理量。例如容器中水的量既可以用质量也可以用体积描述，水的密度则是计算公式中的换算常数，须注意的是，密度可以用于质量与体积之间的换算，但我们不能简单的说质量可以转变为体积或体积转变为质量。 二、核反应中的质能守恒质能守恒定律可以被核反应实验证明，例如Li7被中子轰击时发生如下反应： 1p 7Li 24He 动能反应得到的两个粒子带有的很高的动能，会很快向环境中释放。下表中列出了该反应前后的质能数据，第一行为核的静止质量以及向环境中释放的能量，释放的能量等于粒子的动能减去轰击中子的动能；第二行则给出每个物理量的质量当量或能量当量。 表 Li7被中子轰击反应中的质能数据 物理量 1p 7Li 24He 动能 实验数据 1.0073u 7.0144u 24.0015u 17.3MeV 质量当量或能量当量 938.3MeV 6533.9MeV 7454.7MeV 0.0186u 证明质量守恒 8.0217u 8.0216u 证明能量守恒 7472.2MeV 7472.0MeV 质量转化为能量的错误认识 0.0187u 或 17.4MeV 17.3MeV 表格第三行中分别计算出了反应物和产物的总质量，其中产物的总质量包含了释放能量的质量当量，由两者相等可以证明反应前后质量守恒；同理，第四行的数据可以证明能量守恒。由于质量和能量是描述同一量的不同方式，因此质量和能量在反应中都是守恒的。 第五行的数据表示了一种常见的错误认识是如何形成的，反应物与生成物静止质量之差以及对应的能量当量被计算出来，恰好与释放到环境中的能量相等，从而就得出质量转化为能量的结论。这种结论是错误的，须注意的是释放到环境中的能量同时带有能量，质量在反应中是守恒的，并没有转化为能量。物质与反物质之间的反应进行得最强烈，正电子与负电子反应生成两个光子： ee2hv尽管两个电子湮灭了，它们的质量都消失了，但质量守恒依然存在，因为失去的质量被光子携带，当光子被环境吸收时其携带的质量也被环境捕获。如果我们定义一个体系，只包括正电子和负电子而不包括光子，则反应物的质量消失了；而事实上从整个体系来看，质量并没有消失。 三、化学反应中的质量亏损化学反应比起前面讨论的反应要缓和的多，但同样遵循质能守恒定律。当发生化学反应并释放能量时，必定失去等当量的质量。以硝化甘油的爆炸为例，假定反应的起始状态都为25的标准状况，可以计算出反应前后的质量损失：4C3H5N3O9(l) 6N2(g)+12CO(g)+10H2O(l)+7O2(g)H2700kJ 反应体系释放的能量等于热量与做功之和： EHpVHnRT 其中n为反应前后气体的改变量。 pV62kJ因此E2762kJ，对应的质量当量应为3.074108g。这一反应中的质量损失如此之小，以致于最精密的仪器都无法测量，对于其他的化学反应也是如此。这就是为什么在拉瓦锡发现质量守恒定律之后，再没有一个化学家在实验室里发现任何一个反例的原因了。严格的讲，反应体系的质量是不守恒的，考虑到这一原因，我们应该说在反应前后没有可检测的质量变化。正如下图类比所示，如果从卡车上遗落两枚金币，由于两枚金币的质量相对于卡车的质量太小了，以致于卡车质量似乎没有改变。 四、原子核与分子形成中的质量亏损任何原子核的质量均小于构成它们的质子与中子的静止质量之和，这种原子核的质量亏损是原子核形成的过程造成的，例如： 1p1n2H能量质子和中子的静止质量分别为1.007276u和1.008665u，2H核的质量为2.013553u。由此，质量亏损为0.002388u，其能量当量为3.5641013J，这就是该反应释放的能量，即原子核的结合能。 化学变化也是如此，例如如果通过以下反应生成甲烷分子： C4HCH4能量该反应释放的能量为2.9161018J/分子，反应中的质量亏损为1.954108u，远远小于2H核形成时的质量亏损。2H 形成过程中质量亏损0.12%，而甲烷分子形成过程中质量亏损 0.000031%。两个反应过程中质量亏损分数的比较如右图所示。C12被用作定义原子量的标准，其静止质量为12u。我们可以计算该原子在不同的条件下质量的大小，例如原子被加热而获得动能，或由于原子成键形成石墨或金刚石而消耗化学能时，原子的质量都会发生变化，见下表。石墨与金刚石之间的转化就可以认为存在质量亏损，尽管这种质量亏损的大小是非常微弱的，但足以引起化学家的关注，化学家应时刻提醒自己原子的质量是与原子的化学状态紧密联系的。 表 C12在不同化学状态下的原子质量 状态 原子质量/u 孤立原子的静止质量 12.000000000000 孤立原子（298K） 12.000000000045 石墨（298K） 11.999999992116 金刚石（298K） 11.999999992137 四、质量亏损分数定义mm产物m反应物，质量亏损则为m，质量亏损分数为m/m反应物。下图列出了不同反应的质量亏损分数的数量级，从数据可以看出，由于不同反应质量亏损的量存在很大差异，因此不同反应释放的能量相差很大。对于那些缓和的反应，由于质量亏损很小，无法直接测定，只能通过反应释放的能量来推算。 五、关于数学方程的讨论 对于一个数学方程，如果它用来描述两个物理量之间的关系，则并不意味着一个量可以转化为另一个量，例如如下几何方程： Cd 该方程表明了周长C与直径d的关系，两者都可以用来描述圆的大小；该方程表明一个量增大，另一个量也随之增大；如果已知其中的一个量，另一个量便可以计算出来，就是这一计算过程的换算常数。更重要的是，我们知道，直径从来不会消失，被周长取代；该等式也无法说明直径可以转变为周长。同理，方程Emc2也不能够说明质量可以转变为能量。 当两个量之间可以相互转换时，等式以另一种不同的形式表示。例如向空中抛一个小球，小球在上升的过程中动能（KE）转化为势能（PE），表示如下： KEPE常数 反过来我们再讨论质能方程，Emc2而非Emc2常数，因此质量和能量之间并非相互转化的关系。 六、原则与定律 总结以上的讨论，以下原则与定律对于理解化学反应相当有益。 （1）质能守恒定律：质能不能创生，也不能消失。 （2）推论1质量守恒定律：质量不能创生或消失。 （3）推论2能量守恒定律：能量不能传生或消失。 在应用以上三条定律时须将反应体系与环境统一考虑。这些定律适用于物理与化学的所有反应。在质量守恒定律应用于化学反应时存在一种特殊的