质量守恒定律

铁锅在火上烧红，加入食物翻炒，最后盛出的菜肴香气扑鼻。炉火中煤炭燃烧殆尽，剩下一堆灰烬。纸张点燃后化为烟灰，烟雾散去，似乎什么都“消失了”。面对这些现象，人们自然会产生疑问：物质在变化过程中，质量究竟有没有变化？消失的部分去哪儿了？质量守恒定律正是回答这个问题的核心规律，也是理解所有化学反应的基础。

质量守恒定律的发现

化学史上，人们很早就注意到物质燃烧后质量会发生变化。木柴燃烧后灰烬比木柴轻，铁生锈后却比铁重——这两种截然相反的现象，让科学家困惑了很长时间。

18世纪，法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）设计了一系列精密实验。他把物质放在密封容器中进行化学反应，仔细称量反应前后容器及其中所有物质的总质量。结果发现：无论进行什么化学反应，密封体系中反应前后所有物质的总质量始终不变。

拉瓦锡的核心实验方法如下：

在这之前，科学家常常忽略气体的质量，导致实验结论出现偏差。拉瓦锡把气体也纳入计量范围，才得出了准确的结论。

验证实验

取一只带橡皮塞的锥形瓶，瓶内放入少量盐酸（$\text{HCl}$），橡皮塞上固定一小支管，管内装有石灰石（主要成分 $\text{CaCO}_3$）。将整套装置放在天平上称量总质量为 $m_1$。然后倾斜锥形瓶，使石灰石落入盐酸中，发生反应：

反应过程中产生大量气泡（$\text{CO}_2$），但因为装置密封，气体无法逸出。待反应完全后，再次称量装置总质量为 $m_2$。实验结果：$m_1 = m_2$，反应前后总质量完全相等。

质量守恒定律的内容

经过大量实验的验证，化学上总结出了这条规律：

这就是质量守恒定律。用更简洁的方式表达：

理解这条定律时，有几个关键词必须注意：

以铁生锈为例，铁（$\text{Fe}$）与空气中的氧气（$\text{O}_2$）和水（$\text{H}_2\text{O}$）反应，生成铁锈（$\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}$）。铁锈的质量比铁重，是因为反应中“吸收”了氧气和水的质量——把这些算进去，总质量就守恒了。

例题

蜡烛燃烧时，蜡（含 C、H 元素）与氧气反应，生成 $\text{CO}_2$ 和 $\text{H}_2\text{O}$。燃烧后蜡烛变短，蜡烛的质量减小了。这是否违反了质量守恒定律？

蜡烛变短是因为蜡与氧气反应，生成的 $\text{CO}_2$ 和 $\text{H}_2\text{O}$ 以气态散逸到空气中，眼睛看不到它们。但如果把参与反应的氧气、生成的 $\text{CO}_2$ 和 $$ 都计入：

两边质量相等，质量守恒定律并没有被违反。蜡烛变轻，是因为生成物以气态扩散，并非质量“消失”了。

从原子角度理解质量守恒

质量守恒定律不只是实验总结出来的规律，它有深刻的微观原因。从原子的角度来看：

化学反应的本质是原子之间的重新组合。反应物中的原子，在反应后重新排列，组合成生成物的分子——原子的种类没有变，原子的数目没有变，每个原子的质量也没有变。因此，反应前后物质的总质量自然不会改变。

以水的生成为例，从原子层面看：

原子种类不变、原子数目不变、原子质量不变，这三个“不变”共同决定了化学反应前后总质量不变。

例题

氢气（$\text{H}_2$）在氧气（$\text{O}_2$）中燃烧，生成水（$\text{H}_2\text{O}$），化学方程式为：

从原子角度分析：反应前有 4 个 H 原子和 2 个 O 原子，反应后 4 个 H 原子和 2 个 O 原子重新组合成 2 个 $\text{H}_2\text{O}$ 分子，原子总数没有变化。已知 H 的相对原子质量为 1，O 的相对原子质量为 16，请验证反应前后总质量是否相等。

质量守恒定律的应用

质量守恒定律在化学计算中非常有用，可以帮助推算未知物质的质量，也能帮助判断反应是否完全。

应用一：求未知物质的质量

已知反应中部分物质的质量，可以利用“反应物总质量 = 生成物总质量”求出缺失数据。

例题

碳（C）在足量氧气中完全燃烧，生成二氧化碳（$\text{CO}_2$）：

已知参与反应的碳的质量为 $12\text{ g}$，消耗氧气 $32\text{ g}$，生成 $\text{CO}_2$ 的质量是多少？

根据质量守恒定律：

生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $\boxed{44\text{ g}}$。

应用二：推断未知生成物的组成元素

通过测量反应前后各物质的质量，可以推断某个生成物中含有哪些元素。

例题

某物质 X 在空气中完全燃烧，实验测得：消耗 X 的质量为 $4.6\text{ g}$，消耗 $\text{O}_2$ 的质量为 $9.6\text{ g}$，生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $8.8\text{ g}$，生成 的质量为 。请分析物质 X 中含有哪些元素。

应用三：利用质量守恒验证反应是否完全

如果已知反应物和生成物的质量，可以通过质量守恒来检验数据是否合理，或者判断某种物质是否有剩余。

常见误区辨析

在学习质量守恒定律时，有几个容易混淆的地方需要特别注意。

误区一：“物质消失了，质量就不守恒了”

蜡烛燃烧后变短，镁条燃烧后“消失”变成白烟——这些并非质量消失，而是生成了气态物质飘散到空气中。只要把所有生成物（包括气体）的质量都算上，总质量仍然守恒。

误区二：“质量守恒定律适用于所有变化”

质量守恒定律只适用于化学变化。物理变化中，物质的组成没有改变，质量当然也不会变化，但这不是“质量守恒定律”的适用范围。

误区三：“反应后物质种类守恒”

质量守恒定律说的是“质量守恒”，而不是“种类守恒”或“数量守恒”。化学反应后，物质的种类和数目一般都发生了变化，守恒的只是总质量。

练习题

选择题

第1题　【质量守恒定律的基本理解】

下列关于质量守恒定律的说法，正确的是：

A. 蜡烛燃烧后质量减少，说明质量守恒定律不适用于燃烧

B. 铁生锈后质量增加，说明生锈违反了质量守恒定律

C. 参加化学反应的所有物质（包括气体）的质量之和等于反应后所有生成物的质量之和

D. 质量守恒定律适用于所有的物理变化和化学变化

第2题　【从原子角度理解质量守恒】

化学反应前后，下列一定不会发生变化的是：

A. 物质的种类

B. 分子的数目

C. 原子的种类和数目

D. 物质的状态

第3题　【质量守恒定律的应用——求未知质量】

$4\text{ g}$ 碳在足量氧气中完全燃烧，生成 $\text{CO}_2$。已知参与反应的 $\text{O}_2$ 为 $10.67\text{ g}$，生成 ${\text{CO}}_2$ 的质量为：

A. $4\text{ g}$　　B. $10.67\text{ g}$　　C. $14.67\text{ g}$　　D. $6.67\text{ g}$

第4题　【常见误区辨析】

下列实验现象或说法中，不违反质量守恒定律的是：

A. 镁条在空气中燃烧，生成白色固体，固体质量比镁条大，所以质量不守恒

B. 木炭在密封容器中燃烧，反应前后密封容器及内部物质总质量相等

C. 食盐溶于水后，食盐“消失了”，所以物理变化不遵守质量守恒定律

D. 敞口放置的铁锅生锈，铁锅质量增加，说明生锈时有物质“凭空产生”

计算题

第5题　【利用质量守恒求未知物质质量并推断元素组成】

某有机物 M 在充足的氧气中完全燃烧，发生如下反应（方程式未配平）：

实验测得：取 $\text{M}$ 的质量为 $4.4\text{ g}$，消耗 $\text{O}_2$ 为 $8\text{ g}$，生成 $\text{H}_2\text{O}$ 为 。

（1）根据质量守恒定律，计算生成 $\text{CO}_2$ 的质量。

（2）已知 C 的相对原子质量为 12，H 的相对原子质量为 1，O 的相对原子质量为 16。计算生成物中 C 元素和 H 元素各自的质量，并判断 M 中含有哪些元素。

第6题　【密封容器中的质量守恒综合计算】

在一个密封锥形瓶中，放入石灰石（$\text{CaCO}_3$，质量为 $10\text{ g}$）和足量盐酸溶液（溶液总质量为 $50\text{ g}$），发生如下反应：

已知各物质相对分子质量：$\text{CaCO}_3$ 为 100，$\text{HCl}$ 为 36.5，$\text{CaCl}_2$ 为 111，$\text{H}_2\text{O}$ 为 18， 为 44。

（1）$10\text{ g}$ 的 $\text{CaCO}_3$ 完全反应，需要消耗 $\text{HCl}$ 多少克？

（2）生成 $\text{CO}_2$ 的质量是多少克？

（3）反应结束后，密封锥形瓶内所有物质的总质量是多少克？

生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $14.67\text{ g}$，选C。

生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $\boxed{8.8\text{ g}}$。

（2）分析生成物中各元素的来源：

$\text{CO}_2$ 中所有的 C 均来自 M，C 元素的质量为：

$\text{H}_2\text{O}$ 中所有的 H 均来自 M，H 元素的质量为：

M 中 C 和 H 元素的质量之和为：

由于 M 的总质量为 $4.4\text{ g}$，C 和 H 只占 $2.8\text{ g}$，还有：

这部分质量说明 M 中除 C 和 H 之外，还含有 O 元素（质量为 $1.6\text{ g}$）。

因此，有机物 M 中含有 C、H、O 三种元素。

设消耗 $\text{HCl}$ 的质量为 $x$：

消耗 $\text{HCl}$ 的质量为 $\boxed{7.3\text{ g}}$。

（2）根据方程式质量关系：

设生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $y$：

生成 $\text{CO}_2$ 的质量为 $\boxed{4.4\text{ g}}$。

（3）密封容器中，反应前所有物质的总质量为：

根据质量守恒定律，密封容器中反应前后总质量不变（$\text{CO}_2$ 气体虽然产生，但仍在密封瓶内），因此：

密封锥形瓶内所有物质（包括生成的 $\text{CO}_2$ 气体、$\text{CaCl}_2$、$\text{H}_2\text{O}$ 以及剩余的 $\text{HCl}$ 溶液）的总质量为 $60\text{ g}$，与反应前完全相等。