4　質(zhì)量不會消失！

知識導(dǎo)航

質(zhì)量守恒定律，又名物質(zhì)不滅定律，是最早載入化學(xué)史冊的定律，這一定律可以概括為：“物質(zhì)雖然能夠變化，但不能消滅或憑空產(chǎn)生?！彼怯啥韲瘜W(xué)家羅蒙諾索夫和法國化學(xué)家拉瓦錫各自獨立發(fā)現(xiàn)的。

在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和。這個規(guī)律就叫做質(zhì)量守恒定律。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(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量始終保持不變。或者說，任何變化包括化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)都不能消除物質(zhì)，只是改變了物質(zhì)的原有形態(tài)或結(jié)構(gòu)，所以該定律又稱物質(zhì)不滅定律。

拉瓦錫

質(zhì)量守恒定律是自然界的基本定律之一。在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)（孤立系統(tǒng)）中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變。18世紀(jì)時法國化學(xué)家拉瓦錫從實驗上推翻了燃素說之后，這一定律始得公認(rèn)。20世紀(jì)初以來，發(fā)現(xiàn)高速運動物體的質(zhì)量隨其運動速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實物和場可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場的質(zhì)量。質(zhì)量概念的發(fā)展使質(zhì)量守恒原理也有了新的發(fā)展，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即質(zhì)量和能量守恒定律（簡稱質(zhì)能守恒定律）。

20世紀(jì)初，德國和英國化學(xué)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(jié)果，反應(yīng)前后的質(zhì)量變化小于一千萬分之一，這個誤差是在實驗誤差允許范圍之內(nèi)的，因此質(zhì)量守恒定律是建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實驗基礎(chǔ)之上的。質(zhì)量守恒定律就是參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和，等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。例如，把鐵釘放在硫酸銅溶液里，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，剩余物質(zhì)的質(zhì)量將嚴(yán)格地等于鐵釘?shù)馁|(zhì)量和硫酸銅溶液的質(zhì)量之和。實驗證明，物體的質(zhì)量具有不變性。不論如何分割或溶解，質(zhì)量始終不變。在任何化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量也保持不變。燃燒前碳的質(zhì)量與燃燒時空氣中消耗的氧的質(zhì)量之和準(zhǔn)確地等于燃燒后所生成物質(zhì)的質(zhì)量。

質(zhì)量守恒定律的探究

反對燃素說俄國的化學(xué)家羅蒙諾索夫，是最早提出熱只是物質(zhì)微粒運動的結(jié)果的人。羅蒙諾索夫積極探索燃燒奧秘。用實驗證明金屬在密閉容器內(nèi)加熱，質(zhì)量不會增加，而放在空氣里加熱，質(zhì)量就會增加。這為后來拉瓦錫推翻燃素說，建立氧化學(xué)說，打下良好的基礎(chǔ)。借助于實驗，羅蒙諾索夫推翻了1703年施塔爾提出的“燃素”學(xué)說。羅蒙諾索夫準(zhǔn)備了專用的玻璃容器，分別放入鉛屑、銅屑和鐵屑，將容器口封死，而后加熱，最后鉛屑溶化了，光閃閃的銀白色容器鍍上了一層灰黃色；紅色的銅屑變成了暗褐色粉末；鐵屑變黑了?！叭妓亍笔欠襁M(jìn)入了容器？它是否同金屬化合了？如果它進(jìn)入了容器，那么容器的重量就應(yīng)該增加，但稱重結(jié)果表明，這些容器的重量都沒有變化！而金屬灰卻比原來重了。據(jù)此，羅蒙諾索夫得到了這樣一個結(jié)論：“金屬沒有與“燃素”化合！因為所有的容器重量都沒有變化，這是無可辯駁的事實。“然而容器內(nèi)部有一定數(shù)量的空氣，肯定是金屬與空氣的微粒化合了！因此重量增加了，有多少空氣與金屬化合，金屬就應(yīng)該增重多少！”

催化氧化反應(yīng)器

羅蒙諾索夫用實驗證明化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量相等，這一發(fā)現(xiàn)比拉瓦錫發(fā)現(xiàn)物質(zhì)不滅定律早18年。羅蒙諾索夫是最早應(yīng)用天平來測量化學(xué)反應(yīng)重量關(guān)系的化學(xué)家。經(jīng)過大量的實驗之后，1756年，羅蒙諾索夫得到了這樣一個結(jié)論：“參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的重量，等于全部反應(yīng)產(chǎn)物的重量?！边@就是今天我們所熟知的，作為化學(xué)科學(xué)基石的質(zhì)量守恒定律。

實際上，早在1748年2月16日，在羅蒙諾索夫?qū)懡o彼得堡科學(xué)院院士列昂納德·歐拉的信中就曾經(jīng)寫道：“自然界所發(fā)生的一切變化，都是這樣的：一種東西失去多少，另一種東西就獲得多少。因此，如果某個物體增加了若干物質(zhì)，另一物體必然有若干物質(zhì)消失。我在夢中消耗了多少小時，那么我必然失眠多少小時，如此等等。因為這是一條具有普遍意義的規(guī)律，所以它也應(yīng)推廣適應(yīng)運動的諸法則：一個物體如果靠本身的動力，引起另一物體產(chǎn)生運動，那么前者由于推動而失去的動量，必然等于后者受推動時獲得的動量?！睉?yīng)該說，這種觀點是質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律的雛形。

經(jīng)過反復(fù)實驗，都得到同樣的結(jié)果后，于1758年，把他得到的結(jié)論在《論物質(zhì)的固體性和液體性》論文中更進(jìn)一步地明確為:“參加化學(xué)變化的物質(zhì)的總質(zhì)量，一定跟生成物的總質(zhì)量相等?！?/p>

知識拓展

什么是能量守恒定律？

能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，其總量不變。

能源在一定條件下可以轉(zhuǎn)換成人們所需要的各種形式的能量。例如，煤燃燒后放出熱量，可以用來取暖；可以用來生產(chǎn)蒸汽，推動蒸汽機轉(zhuǎn)換為機械能，推動汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電能又可以通過電動機、電燈或其他用電器轉(zhuǎn)換為機械能、光能或熱能等。又如太陽能，可以通過聚熱氣加熱水，也可以產(chǎn)生蒸汽用以發(fā)電；還可以通過太陽能電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)然，這些轉(zhuǎn)換都遵循能量守恒定律。

由于羅蒙諾索夫的用金屬加熱的實驗在定量化方面受到限制，因此他發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)不滅定律，在當(dāng)時并沒有引起化學(xué)界注意。直到1777年法國的拉瓦錫做了同樣的實驗，也得到同樣的結(jié)論，這一定律才獲得公認(rèn)。但要證明或否定這一結(jié)論，都需要極精確的實驗結(jié)果，而拉瓦錫時代的木具和技術(shù)不能滿足嚴(yán)格的要求。直到1908年，德國化學(xué)家朗道耳特及1912年英國化學(xué)家曼萊做了精確度極高的實驗，所用的容器和反應(yīng)物的質(zhì)量為1000克左右，反應(yīng)前后質(zhì)量之差小于0.0001克，質(zhì)量的變化小于一千萬分之一，這個差別在實驗誤差范圍之內(nèi)。至此，科學(xué)家一致承認(rèn)了這一定律。

法國化學(xué)家拉瓦錫在化學(xué)上有著卓越貢獻(xiàn)，他是近代化學(xué)奠基人之一。他最大的特點是能夠把別人完成的實驗接過來，用定量實驗來補充、加強，對舊理論的缺陷，常常能敏銳地觀察到并通過嚴(yán)格的合乎邏輯的步驟，提出更合理的解釋。

拉瓦錫用硫酸和石灰合成了石膏，當(dāng)他加熱石膏時放出了水蒸氣。拉瓦錫用天平仔細(xì)稱量了不同溫度下石膏失去水蒸氣的質(zhì)量。這次意外的成功使拉瓦錫養(yǎng)成了經(jīng)常使用天平的習(xí)慣。由此，他總結(jié)出質(zhì)量守恒定律，并成為他進(jìn)行實驗、思維和計算的基礎(chǔ)。

1772年秋天，拉瓦錫照習(xí)慣稱量了定量的紅磷，使之燃燒、冷卻后又稱量灰燼的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量竟然增加了。他又燃燒硫磺，同樣發(fā)現(xiàn)灰燼的質(zhì)量大于硫磺的質(zhì)量。他想這一定是什么氣體被白磷和硫磺吸收了。于是他又改進(jìn)實驗的方法：將白磷放入一個鐘罩，鐘罩里留有一部分空氣，鐘罩里的空氣用管子連接一個水銀柱。加熱到40℃時白磷就迅速燃燒，水銀柱上升。拉瓦錫還發(fā)現(xiàn)“28.35克的白磷大約可得到76.545克的白色灰燼。增加的重量和所消耗的1/5容積的空氣重量基本接近”。

紅磷

1775年，拉瓦錫對氧氣進(jìn)行研究。他發(fā)現(xiàn)燃燒時增加的質(zhì)量恰好是氧氣減少的質(zhì)量。以前認(rèn)為可燃物燃燒時吸收了一部分空氣，實際上是吸收了氧氣，與氧氣化合，這就是徹底推翻了燃素說的燃燒學(xué)說。

除此之外，為了證明他的想法，拉瓦錫又做了糖發(fā)酵生成酒精的實驗。這是一個復(fù)雜的生化反應(yīng)。他把2835克糖、11340克水和含有198.45克水的酵母溶液混合，讓其充分地發(fā)酵，發(fā)酵后定量測定的結(jié)果是放出的氣體含二氧化碳1042克、水蒸氣396.9克，余下13041克的液體中含水、酒精、醋酸、糖和酵母。此外，拉瓦錫還做了許多化學(xué)實驗證明物質(zhì)不滅，并在他的名著《化學(xué)概要》中指出:“無論是人工或是自然作用都沒有創(chuàng)造出新東西，物質(zhì)在每一化學(xué)變化前的數(shù)量，等于反應(yīng)后的數(shù)量，這可以算是一個公理?！?/p>

拉瓦錫的發(fā)現(xiàn)和當(dāng)時的燃素學(xué)說是相悖的。燃素學(xué)說認(rèn)為燃燒是分解過程，燃燒產(chǎn)物應(yīng)該比可燃物質(zhì)量輕。他把實驗結(jié)果寫成論文交給法國科學(xué)院。從此他做了很多實驗來證明燃素說的錯誤。在1773年2月，他在實驗記錄本上寫到：“我所做的實驗使物理和化學(xué)發(fā)生了根本的變化?！彼麑⑿禄瘜W(xué)命名為“反燃素化學(xué)”。拉瓦錫不僅推翻了當(dāng)時著名的“燃素說”，還證明了“質(zhì)量守恒定律”是正確的。

至此，質(zhì)量守恒定律作為化學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個定律載入史冊。雖然拉瓦錫時代的實驗的工具和技術(shù)不能得到極精確的實驗結(jié)果，但在實驗誤差允許范圍之內(nèi)，科學(xué)家們一致承認(rèn)了這一定律。后來，科學(xué)家們根據(jù)質(zhì)能關(guān)系公式計算及實驗結(jié)果證明，質(zhì)量守恒定律是完全正確的。

顆粒狀干酵母

知識解碼

發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒的人

安托萬·洛朗·拉瓦錫法國著名化學(xué)家，近代化學(xué)的奠基人之一，“燃燒的氧學(xué)說”的提出者。1743年8月26日生于巴黎，因其包稅官的身份在法國大革命時的1794年5月8日于巴黎被處死。拉瓦錫與他人合作制定出化學(xué)物種命名原則，創(chuàng)立了化學(xué)物種分類新體系。拉瓦錫根據(jù)化學(xué)實驗的經(jīng)驗，用清晰的語言闡明了質(zhì)量守恒定律和它在化學(xué)中的運用。這些工作，特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想，為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)，因而后人稱拉瓦錫為近代化學(xué)之父。拉瓦錫之于化學(xué)，猶如牛頓之于物理學(xué)。

米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫，俄國百科全書式的科學(xué)家、語言學(xué)家、哲學(xué)家和詩人，被譽為俄國科學(xué)史上的彼得大帝。他冒充貴族的兒子考入斯拉夫—希臘—拉丁學(xué)院。1736年因?qū)W習(xí)優(yōu)異被選送到德國留學(xué)五年。娶了一個德國女人后回圣彼得堡科學(xué)院，成為俄國科學(xué)院的第一個俄國籍院士。后來還成為瑞典科學(xué)院院士和意大利波倫亞科學(xué)院院士。1748年秋他按照自己的計劃創(chuàng)建了俄國第一個化學(xué)實驗室。