质量守恒定律

物质会凭空消失吗？

蜡烛越烧越短，铁生锈以后反而变重了。化学反应真的会让物质“凭空消失”或者“凭空多出来”吗？

18 世纪，法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）在密闭容器里做实验，精确称量反应前后的质量，发现总质量始终不变。

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。

这就是质量守恒定律law of conservation of mass。注意三个关键词：

化学反应的本质是原子重新组合。以电解水为例：

\ce{2H2O ->[\text{通电}] 2H2 ^ + O2 ^}

反应前有 4 个 H 原子、2 个 O 原子，反应后还是 4 个 H 原子、2 个 O 原子，只是组合方式变了。原子的种类、数目、质量都没有变，总质量自然也不变。

可以记成“六个不变、两个一定变、两个可能变”：

下面四个反应都遵守质量守恒定律，但放在敞口容器里称量，有的读数变小，有的变大，有的不变。先猜一猜，再分别用敞口和密闭容器做一遍。

动手试试：天平实验

\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O + CO2 ^}

容器

结论：有气体参加或生成的反应，要在密闭容器里做，才能直接验证质量守恒。

加热 15.8 g 高锰酸钾，完全分解后剩余固体 14.2 g。生成氧气多少克？

\ce{2KMnO4 ->[\Delta] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}

分步解析

找出反应物和生成物。 反应物只有 $\ce{KMnO4}$ （15.8 g）；生成物是固体 $\ce{K2MnO4}$ 、 $\ce{MnO2}$ 和气体 $\ce{O2}$ 。
用质量守恒列式。 15.8 g = 剩余固体的质量 + 氧气的质量 = 14.2 g + 氧气的质量。
求解。 氧气的质量 = 15.8 g − 14.2 g = 1.6 g。

某物质 R 在氧气中燃烧： $\ce{R + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O}$ 。求 R 的化学式。

分步解析

数右边的原子。 $\ce{2CO2}$ 有 2 个 C、4 个 O； $\ce{3H2O}$ 有 6 个 H、3 个 O。右边一共有 C 2 个、H 6 个、O 7 个。
数左边已知的原子。 $\ce{3O2}$ 有 6 个 O。
用原子数目守恒。 R 里必须有 2 个 C、6 个 H，以及 7 − 6 = 1 个 O。
结论。 R 的化学式是 $\ce{C2H6O}$ （乙醇，也就是酒精）。

误区 1：蜡烛燃烧后变轻，所以不遵守质量守恒定律。 所有化学反应都遵守质量守恒定律。变轻是因为生成的 $\ce{CO2}$ 和水蒸气跑到了空气里，没有被称量。

误区 2：用质量守恒定律解释物理变化。 “10 g 冰融化成 10 g 水，符合质量守恒定律”这个说法是错的。冰融化是物理变化，质量守恒定律只用于化学变化。

误区 3：把没参加反应的物质也算进去。 3 g 碳和 10 g 氧气反应，生成的 $\ce{CO2}$ 不是 13 g。3 g 碳只能和 8 g 氧气反应，剩下 2 g 氧气没有参加反应，所以只生成 11 g $\ce{CO2}$ 。

化学反应前后，下列一定不变的是？

在反应 A + B → C + D 中，10 g A 和 8 g B 恰好完全反应，生成 4 g D。生成 C 多少克？

通往 AP（以后再看）

AP 化学更常说“原子守恒”：粒子示意图（particle diagram）里，反应前后每种原子的个数必须相同。这也是 AP Unit 4 所有化学计量计算的出发点。下一节学习怎样读化学方程式，再下一节就用原子守恒来配平。