化学反应中说质量守恒,其实已经是过时的概念了,或者说是我们在中学学习的过程中为了方便我们理解,一般一些概念都会省略掉,甚至直接忽略一些潜在的、微小的效应,这就造成了我们现在有时接受新知识时发生些许困惑。其实在化学反应中质量不守恒。
质量守恒已经是错误、过时的概念
首先要澄清的是,宇宙的基本守恒定律是质能守恒定律而不是质量守恒定律。这意味着在封闭的系统中,反应前的总质量和总能量等于反应后的总质量和总能量。根据爱因斯坦著名的方程E=mc^2,质量可以转化为能量,能量可以转化为质量。现在看来这并不是什么奇特的过程,但事实上每次反应都会发生这个过程。
因此,质量永远不会守恒,因为在每个反应中,它的一小部分会转化为能量(或一小部分能量转化为质量)。但是质量+能量总是守恒的。能量不能凭空产生。它只能通过根据E=mc^2破坏适当数量的质量来产生。在质量和能量之间,能量是更基本的性质。事实上,现代物理学家只是认为质量是能量的另一种形式。由于这个原因,他们通常不称守恒定律为“质能守恒定律”,而是称它为“能量守恒定律”,这意味着这个表述包含了质量。
在核反应中(原子核的变化),有足够的能量被释放或吸收,质量的变化十分显著,必须加以考虑。相反,与核反应相比,化学反应(只改变原子中的电子)只释放或吸收很少的能量,所以系统的质量变化往往很小,可以忽略不计。因此,作为一种合理的近似,化学家们经常提到质量守恒,并用它来平衡方程式。
但严格地说,在化学反应过程中,系统的质量变化,尽管很小,但永远不会是零。如果质量的变化是零,那么能量就没有了来源。化学家喜欢说“化学势能”,好像反应中释放的能量来自于势能。但是“化学势能”只是一个过时的术语,我们现在知道的是质量。基本上,当化学家们说“势能”时,他们的意思就是在说“质量”。在一个原子中,没有势能可以使一个化学反应发生,只有质量。
自然界的四种基本反应
在所有的反应中,无论是化学反应还是核反应,质量的损失(或增加)已经得到很好的证实,并且在实验中得到了证实。一般有四种基本反应:
化学键的断裂,它总是吸收能量并增加质量。
化学键的形成,总是释放能量,降低质量。
化学键的转换,实际上是系统向不同状态的激发(总是吸收能量并增加质量)和系统向不同状态的“去激发”(总是释放能量和减小质量)。
粒子的产生(总是吸收能量和增加质量)和粒子的湮灭(总是释放能量和减少质量)。
请注意,当一个化学反应吸收能量,因此获得质量,它不是创造了电子。额外的质量不是由新粒子的出现引起的。相反,额外的质量是作为一个整体存在于系统中。
根据粒子在系统中的相对位置和状态,除了粒子的单个质量外,系统还会增加或减少质量。这个概念和经典的势能概念非常相似,但是我们现在知道能量实际上是以质量的形式储存的。如果你用非常灵敏的仪器测量两百万个氢原子和一百万个氧原子的质量,然后测量一百万个水分子的质量,你会发现这些质量是不同的,水分子这个系统中会以质量的形式储存能量。
总结
综上所述,化学反应后的质量并不守恒,而是整个系统中的能量守恒,这个能量来自化学键的断裂,重组或原子的重新排列。这个其实跟核能是一样的,核反应后核子数并没有变化,但是它们重组后还是会发现质量减轻了,那么损失的质量来自哪里?来自原子核中的结合能,是由强力提供的。
当然化学反应则来自电磁力提供的结合能,损失的质量转化成多少能量,也是通过E = mc^2这个方程去计算的。