[科普中国]-物质守恒定律

自然界的基本定律之一。在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。18世纪时法国化学家拉瓦锡从实验上推翻了燃素说之后，这一定律始得公认。20世纪初以来，发现高速运动物体的质量随其运动速度而变化，又发现实物和场可以互相转化，因而应按质能关系考虑场的质量。质量概念的发展使质量守恒原理也有了新的发展，质量守恒和能量守恒两条定律通过质能关系合并为一条守恒定律，即质量和能量守恒定律。(简称质能守恒定律）

物质守恒定律，就是物质是不会消失也不会产生的，只能由一种物质转化成另一种物质。物质守恒定律里说到:物质不会凭空产生,只是从一形态转换成另一种形态了。

什么是物质守恒编辑

1．早期的“质量守恒定律”（质能关系之前）[2]

在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和。这个规律就叫做质量守恒定律（law of conservation of mass）。在任何与周围隔绝的体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。或者说，任何变化包括化学反应和核反应都不能消除物质，只是改变了物质的原有形态或结构，所以该定律又称物质不灭定律。后来演变成为了自然界普遍存在的基本定律之一。

化学反应的过程，就是参加反应的各物质（反应物）的原子，重新组合而生成其他物质的过程。在化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，数目没有增减，原子的质量也没有改变。

2．“能量守恒定律”

3．爱因斯坦的“质能关系”

4．“信息守恒”

爱因斯坦博士有一个公式：能量=质量*光速的平方。在这里，质量完全泯灭，转化为能量。我们是不是可以这么说，在打开时光隧道的时候，我们这个空间会和另一个空间进行物质能量交换，如果一个人经过时光隧道到了另一个空间，那么另一个空间就会将大量的能量抛射到这个空间。

质量守恒定律简解

自然界的基本定律之一。在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。18世纪时法国化学家拉瓦锡从实验上推翻了燃素说之后，这一定律始得公认。20世纪初以来，发现高速运动物体的质量随其运动速度而变化，又发现实物和场可以互相转化，因而应按质能关系考虑场的质量。质量概念的发展使质量守恒原理也有了新的发展，质量守恒和能量守恒两条定律通过质能关系合并为一条守恒定律，即质量和能量守恒定律。(简称质能守恒定律）

质量守恒定律编辑

概念质量守恒定律指的是一个系统质量的改变总是等于该系统输入和输出质量的差值。质量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。它表明质量既不会被创生，也不会被消灭，而只会从一种物质转移到为另一种物质，总量保持不变。

具体质量守恒定律包括——

物理变化质量守恒

物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化，所蕴含的质量不变；物体分裂成几个部分时，各部分质量之和等于原物体质量。当物体加减速运动时，动质量会变化，但是静止质量恒定不变。

化学反应质量守恒

化学反应因没有原子变化，质量总是守恒的（无论是动质量还是静质量）。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。

核反应的质量守恒

核反应由于有原子变化，因此静质量是不守恒的，有质量亏损，服从质能方程，这也是核武器的理论原理。但核反应在相对论中，其动质量也是守恒的。

解释编辑

在化学反应过程中，反应前后原子的种类没有改变，原子的数目没有增减，原子的质量也没有变化。所以化学反应前后各物质的质量总和必然相等。

①化学变化中的“一定不变”：原子种类、原子数目、原子质量、元素种类、元素质量和反应前后各物质的总质量一定不变；

②化学变化中的“一定改变”;分子种类、物质种类一定改变；

③化学变化中的“可能改变”：分子数目可能改变,元素化合价。

验证编辑

20世纪初，德国和英国化学家分别做了精确度极高的实验，以求能得到更精确的实验结果，反应前后的质量变化小于一千万分之一，这个误差是在实验误差允许范围之内的，因此质量守恒定律是建立在严谨的科学实验基础之上的。质量守恒定律就是参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。例如，把铁钉放在硫酸铜溶液（蓝色）里，当反应结束（会有明显的反应现象）后，剩余物质的质量将严格地等于铁钉的质量和硫酸铜溶液的质量之和。实验证明，物体的质量具有不变性。不论如何分割或溶解，质量始终不变。在任何化学反应中质量也保持不变。燃烧前碳的质量与燃烧时空气中消耗的氧的质量之和准确地等于燃烧后所生成物质的质量。

方案一在底部铺有细沙的锥形瓶口，放入一粒火柴大的白磷。在锥形瓶口的橡皮塞上安装一根玻璃管，在其上端系牢一个小气球，并使玻璃管下端能与白磷接触。将锥形瓶与玻璃管放在托盘天平上用砝码平衡。然后，取下锥形瓶。将橡皮塞上的玻璃管放到酒精灯火焰上灼烧至红热后，迅速用橡皮塞将锥形瓶塞紧，白磷引燃。待锥形瓶冷却后，重新放到托盘天平上，观察天平是否平衡。

磷 +氧气点燃 =五氧化二磷(P+O2点燃P2O5)

配平：4P+5O2=2(P2O5)（条件：点燃）

P4+5O2=P4O10(条件：点燃）

实验现象白磷燃烧发黄光，并且产生大量白烟，放出热量，并且，天平平衡。这与红磷燃烧相同。

注意事项

1.白磷的取用及其注意事项：白磷是一种易自燃而又有剧毒的物质，通常把它贮存在水里，切割白磷也在水中进行。取白磷，要用镊子，不可用手接触，表面的水分可用滤纸吸干，接触过的东西上往往有磷的碎粒，不能随便乱放，白磷的碎粒和吸过白磷表面水分的滤纸，一定要烧掉以保证安全。

2.气球的作用：系气球的目的是为了防止由于白磷燃烧，放出大量热量，气体膨胀造成瓶塞被冲开。瓶内气体膨胀时，气球被吹大，冷却时气球缩进瓶内，起保护作用。

3.误差分析：由于点燃白磷时需将橡皮塞上的玻璃管取出，放到酒精灯火焰上灼烧至红热后，再用橡皮塞将锥形瓶塞紧，这一操作会因为锥形瓶内空气受热膨胀和白磷燃烧产生的白烟逸出而造成实验时托盘天平不平衡。

方案二在100mL烧杯中加入30mL的稀硫酸铜溶液，用砂纸将几根铁钉打磨干净，将盛有硫酸铜溶液的烧杯和铁钉一起放在托盘天平上称量，记录所称的质量m1。

将铁钉浸到硫酸铜溶液中，观察实验现象。待反应一段时间后溶液颜色改变时，将盛有硫酸铜溶液和铁钉的烧杯放在托盘天平上称量，记录所称的质量m2。比较反应前后的质量。质量守恒定律，即在化学反应中，参加反应的各物质的总和等于反应后生成的各物质总和。微观解释：在化学反应前后，原子的种类，数目，质量均不变。[2]

范围编辑

①质量守恒定律适用的范围是所有化学变化，包括大部分的物理变化；

②质量守恒定律揭示的是质量守恒而不是其他方面的守恒。物体体积不一定守恒；

③质量守恒定律中“参加反应的”不是各物质质量的简单相加，而是指真正参与了反应的那一部分质量，反应物中可能有一部分没有参与反应；

④质量守恒定律的推论：化学反应中，反应前各物质的总质量等于反应后各物质的总质量[1]

发展编辑

1756年俄国化学家洛蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里煅烧，锡发生变化，生成白色的氧化锡，但容器和容器里的物质的总质量，在煅烧前后并没有发生变化。经过反复的实验，都得到同样的结果，于是他认为在化学变化中物质的质量是守恒的。但这一发现当时没有引起科学家的注意，直到1777年法国的拉瓦锡做了同样的实验，也得到同样的结论，这一定律才获得公认。但要确切证明或否定这一结论，都需要极精确的实验结果，而拉瓦锡时代的工具和技术(小于0.2%的质量变化就觉察不出来)不能满足严格的要求。因为这是一个最基本的问题，所以不断有人改进实验技术以求解决。1908年德国化学家廊道尔特(Landolt)及1912年英国化学家曼莱(Manley)做了精确度极高的实验，所用的容器和反应物质量为1000g左右，反应前后质量之差小于0.0001g，质量的变化小于一千万分之一。这个差别在实验误差范围之内，因此科学家一致承认了这一定律。[3]

化学反应因没有原子变化，质量总是守恒的（无论是动质量还是静质量）。根据道尔顿的原子说，化学反应只是物质中原子的重新排列，反应前后原子种类及数目不变，又每个原子有固定质量，所以反应前后总质量不变。具体来说，化学反应里面，物质的元素数目无论在反应前或反应后，都是一样。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。

在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变，是自然界的基本定律之一。18世纪时法国化学家拉瓦锡从实验上推翻了燃素说之后，这一定律始得公认。20世纪初以来，发现高速运动物体的质量随其运动速度而变化，又发现实物和场可以互相转化，因而应按质能关系考虑场的质量。质量概念的发展使质量守恒原理也有了新的发展，质量守恒和能量守恒两条定律通过质能关系合并为一条守恒定律，即（在物理学中）质量和能量守恒定律（简称质能守恒定律）。

应用领域编辑

物理应用物理方面，质量守恒主要应用于解决热学问题以及功能转换，

化学应用化学方面，质量守恒主要用于方程式的配平，以及化学元素物质的量计算，主要遵循下列规则。

六个不变：

宏观：1.反应前后物质总质量不变； 2.元素的种类不变； 3.各元素对应原子的总质量不变；

微观：4.原子的种类不变；5.原子的数目不变；6.原子的质量不变。

两个一定改变：

宏观：物质种类改变。

微观：物质的粒子构成方式一定改变。

两个可能改变：

宏观：元素的化合价可能改变。

微观：分子总数可能会改变。

综合应用(1)根据质量守恒定律：化学反应前后元素的种类和数目相等，推断反应物或生成物的化学式。

(2)已知某反应物或生成物质量，根据化学方程式中各物质的质量比，可求出生成物或反应物的质量。

应用实例质量守恒定律与化学方程式的综合应用：

（1）根据质量守恒定律，参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。利用这一定律可以解释反应前后物质的质量变化及用质量差确定某反应物或生成物的质量。

（2）根据质量守恒定律，化学反应前后元素的种类和质量不变，由此可以推断反应物或生成物的组成元素。

（3）根据质量守恒定律：化学反应前后元素的种类和原子的数目相等，推断反应物或生成物的化学式。

（4）已知某反应物或生成物质量，根据化学方程式中各物质的质量比，可求出生成物或反应物的质量1。

影响编辑

自从爱因斯坦（Einstein）提出狭义相对论和质能关系公式E=mc²之后，说明物质可以转变为辐射能，辐射能可以转变为物质。这个结论对质量守恒定律在化学中的应用有何影响呢?实验结果证明1000g硝化甘油爆炸之后，放出的能量为8.0×10^6J。根据质能关系公式计算，产生这些能量的质量是8.9×10^-8g，与原来1000g相比，差别小到不能用实验技术所能测定。从实用观点来看，质量守恒定律是完全正确的。

20世纪以来，人们发现原子核裂变所产生的能量远远超过最剧烈的化学反应。1000g铀235裂变的结果，放出的能量为8.23×10^16J，与产生这些辐射能相等的质量为0.914g，和原来1000g相比，质量变化已达到千分之一。于是人们对质量守恒定律就有了新的认识。在20世纪以前，科学家承认两个独立的基本定律：质量守恒定律和能量守恒定律。科学家则将

爱因斯坦

这两个定律合而为一，称它为质能守恒定律。

1756年俄国M.V.罗蒙诺索夫首先测定化学反应中物质的质量关系，将锡放在密闭容器中燃烧，反应前后质量没有变化，由此得出结论：“参加反应的全部物质的质量，常等于全部反应产物的质量。”1774年法国A.-L.拉瓦锡重复类似的实验，并得出同样的结论。

由于罗蒙诺索夫和拉瓦锡时代所用的天平不够精密，所以后来又有不少科学家用更精确的方法证明这一定律。例如19世纪中叶，比利时分析化学家J.-S.斯塔用银和碘制备碘化银，所得碘化银的质量与碘和银的总质量只相差0.002%。19世纪末，H.H.兰多尔特用很精密的天平再一次证明这一定律的正确性。

20世纪，爱因斯坦推导出了狭义相对论，他指出，物质

狭义相对论

的质量和它的能量成正比，可用以下公式表示：E=mc²式中E为能量；m为质量；光速c=299792.458km/s (一般取300000km/s）。以上公式说明物质可以转变为辐射能，辐射能也可以转变为物质。这一现象并不意味着物质会被消灭，而是物质的静质量转变成另外一种运动形式。(由于当时科学的局限，这条定律只在微观世界得到验证，后来又在核试验中得到验证）所以20世纪以后，这一定律已经发展成为质量守恒定律和能量守恒定律，合称质能守恒定律。

发现者编辑

哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫(1711.11.19－1765.4.15)，俄国百科全书式的科学家、语言

学家、哲学家和诗人，被誉为俄国科学史上的彼得大帝。提出了“质量守恒定律”（物质不灭定律）的雏形。罗蒙诺索夫出生于阿尔汉格尔斯克一个渔民家庭，罗蒙诺索夫是俄国科学院的第一个俄国籍院士，他还是瑞典科学院院士和意大利波伦亚科学院院士。他创办了俄国第一个化学实验室和第一所大学莫斯科罗蒙诺索夫国立大学。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所