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解析质量守恒定律

投稿时间:2014-01-10 11:50 投稿人:韩永全 【字号: 访问量:

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)。它是自然界普遍存在的基本定律之一。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。

质量守恒定律在化学理论是守恒的、正确的,因为化学理论忽略电子的质量的变化,甚至认为离子的质量和相对应的原子的质量相等,在这样的条件下,质量守恒定律是正确的,若考虑电子的质量,尤其是考虑电子速度变化带来质量的变化,质量守恒定律一定是不守恒的,只能是质能守恒。也就是说,质量守恒在化学理论的解释是:宏观:1.物质总质量不变 ,2.元素的种类不变,微观:3、原子的种类、数目、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:分子总数可能改变,但是原子的总数不变。

一、从化学反应前后电子的运动状态来分析。

化学反应如何影响质量的变化呢?我们知道,绝大多数的化合反应是放热反应,绝大多数的分解反应是吸热反应。为什么会有这样的规律呢?众说周知,化合反应是由原子、分子化合为较大的分子,这一过程的微观变化是:参与化合反应的价电子平均绕转半径变大、绕转速度减小,即电子的速度减小,进而电子的质量也减小。我在科学智慧火花栏目及美国物理学会都发表过微观粒子的速度是物体质量的来源并影响质量的变化,电子或电子对的绕转速度越大绕转半径越小,质量、密度越大;反过来,电子或电子对的绕转速度越小,绕转半径越大,密度、质量越小。这样能量大的电子对或电子收敛在较小的空间,能量小的电子对或电子收敛在较大的空间或离开原来的原子发射到外部空间——就是辐射。化合反应属于电子或电子对绕转速度变小,绕转半径变大的情况,本身能量减小,质量也自然减小,也就是说,化学变化过程中,能量的释放必然导致质量的变化,即严格来说,化学变化过程质量是不守恒的,只能是质能守恒。理论推测,微观粒子的速度和质量成正比,比例常数是4.2 ×10-45。由此可见微观粒子速度的变化影响质量的变化是很微小的,但是在化学反应的过程中,由于参与化学反应的微观粒子的数量巨大,微观粒子速度、质量的变化,引起能量的变化也是显著的——爱因斯坦质能方程告诉我们:E=mv 2。以上我们分析了化合反应质能变化的原因,对于分解反应等同样适用。也就是说:只要有能量变化的化学反应,质量就不守恒,只能是质能守恒。

二、从化学反应的宏观现象来分析

我们知道,碳的燃烧是放热反应。我们以碳的燃烧分析质能的变化。

C  +          O2      =   CO2      +      热量

12            32

1 千克       x 千克            x=8/3千克。参加化学反应物质的质量是(1+8/3)千克。从上面的化学方程式我们可以看出,碳的燃烧过程,碳和氧气的质量比是3:8。碳的燃烧值是3.4 ×107焦耳/千克,那么1千克的碳与8/3千克氧气完全燃烧损失的质量是多少呢?根据爱因斯坦质能方程:E=mv2,质量损失为:m=E/ v2=3.4×107 /(3×1082=3.8×10-10千克。理论推算燃烧1千克碳完全燃烧,反应前后质量之差小于0.004毫克,质量变化小于一亿分之一,这就是科学家一致承认了这一定律的原因。

小结,化学反应能量的变化是由于价电子质量的变化引起的。物质的能量和质量是统一的,有的物质能量和质量存在形式表现为质量,例如我们经常看到的物体固体、液体气体等,有的物质能量和质量的存在形式表现为能量,例如电磁波。其实,前者是高能物质,能量收敛于实物体,后者为能量较低的物质发散在外部空间。

最后,借用哲学的用语总结——没有能量的物质和没有物质的能量同样是不可想象的,即没有能量的物质和没有物质的能量都是不存在的。

参考文献:

科学智慧火花发表的《量子力学波包新解》,作者:韩永全。

质量和微观粒子速度成正比的推导链接:http://www.docin.com/p-188967899.html