关于质量守恒定律表述的商榷

一、问题的提出：

常常在各类练习册中见到如下习题：

下列现象不能用质量守恒定律解释的是（ ）

A.蜡烛燃烧时变短

B.打开盛有酒精的瓶盖酒精质量变小

C.镁带燃烧后，固体质量增加

D.澄清石灰水露置在空气中变重

也常常有教师根据教材的表述，向学生强调：质量守恒定律的研究对象是化学变化中的质量关系，不研究物理变化，而物理变化特别是核反应中质量并不守恒。

这其实涉及两个问题：

1.质量守恒定律只研究化学变化吗？换言之，质量守恒定律只是化学定律吗？也可以说，物理变化是否遵从质量守恒定律？

2.核反应是否是物理变化？

二、文献的表述

我们先来看一看文献中对质量守恒定律的表述：

辞海（1979年版缩印本）：P270

自然科学中重要的定律之一。在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。

简明大英百科全书（中文版）：第5卷P263

宇宙中物质的总和不能改变，亦即物质既不能产生，也不能消灭。

大百科全书·化学

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，化学变化只能改变物质的组成，但不能创造物质，也不能消灭物质，所以该定律又称物质不灭定律。

中国百科大辞典（普及版）：P1323

化学变化中的一个基本定律，在封闭体系中，不论发生何种变化或过程，变化前后的总质量保持不变。或者说化学变化只能改变物质的组成，但不能创造物质，也不能消灭物质，所以该定律又称物质不灭定律。

从文献可知，首先各种文献均强调：质量守恒定律适用于封闭体系。其次，《辞海》、《简明大英百科全书（中文版）》明确表示：质量守恒与物质发生的何种变化无关。而《大百科全书？化学》、《中国百科大辞典（普及版）》的表达有矛盾之处，既讲“化学变化”又讲“不论发生何种变化和过程”。

三、质量守恒定律的产生与发展的历史

1756年俄国科学家罗蒙诺索夫首先测定化学反应中物质的质量关系，将锡放在密闭容器中燃烧，反应前后质量没有变化，由此得出结论：“参加反应的全部物质的质量，常等于全部反应产物的质量。”显然，罗蒙诺索夫是从研究化学变化开始，进而得出质量守恒定律。但从拉瓦锡的研究来看，既有物理变化，又有化学变化。拉瓦锡在研究“水可能变为土”的理论时做了一个著名的“百日实验”：拉瓦锡安装了一个体积很大的蒸馏瓶，把通过蒸馏瓶的蒸汽，冷却成蒸馏水，再把瓶口封闭，称一下重量，然后放到火上加热。一直烧到100天，拉瓦锡重新称了蒸馏瓶的重量，发现其重量和原来相等。水中的沉淀物和残渣是由水和玻璃变成的，并不是火跑到水中变成的。“物质虽然能够变化，但是不能消灭或凭空产生。”这就是拉瓦锡首先表述的质量守恒定律。由此可知，物理变化也遵从质量守恒定律。

1908年德国化学家朗道耳特（Landolt）及1912年英国化学家曼莱（Manley）做了精确度极高的实验，所用的容器和反应物质量为1000g左右，反应前后质量之差小于0.0001g，质量的变化小于一千万分之一。这个差别在实验误差范围之内，因此科学家一致承认了这一定律。

20世纪以来，人们发现原子核裂变所产生的能量远远超过最剧烈的化学反应。1000g 铀235裂变的结果，放出的能量为8.23×1016J，与产生这些辐射能相等的质量为0.914g，和原来1000g相比，质量变化已达到千分之一。于是人们对质量守恒定律就有了新的认识。科学家将两个原本独立的基本定律：质量守恒定律和能量守恒定律合二为一，称它为质能守恒定律。

4.教材中的实验分析：

人教社九义版《化学（上）》P90-91，连用两个实验来说明质量守恒定律。

（1）白磷燃烧：

反应前的总质量=m（白磷）+m（空气）+m（沙）+m（锥形瓶） +m（玻璃管） +m（气球）

反应后的总质量=m（P2O5）+m（剩余白磷）+m（剩余空气）+m（沙）+m（锥形瓶） +m（玻璃管）+m（气球）

由上面的等式得出下式：

m（白磷）+m（O2）=m（P2O5）

需要的前提是：m（沙）不变，m（锥形瓶）不变，m（玻璃管）不变，m（气球）不变，即未参加反应的所有物质的质量不变。显然沙、玻璃管、气球、锥形瓶、氮气没有发生化学变化，它们的质量也未变。

（2）铁与硫酸铜溶液的反应：

反应前的总质量=m（铁钉）+m（硫酸铜）+m（水）+m（烧杯）

反应后的总质量=m（剩余的铁钉）+m（铜）+m（硫酸亚铁）+m（水）+m（烧杯）

同理，由上面的等式得出下式：

m（铁）+m（硫酸铜）= m（铜）+m（硫酸亚铁）

需要的前提是：m（烧杯）不变，m（水）不变，即未参加反应的所有物质的质量不变。显然烧杯、水没有发生化学变化，它们的质量也未变。

因此，从教材的实验可知，教材仅仅用“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”，不足以解释实验中的质量守恒现象。

五、现行教材中的质量守恒定律表述的缺点：

首先，现行化学教材对质量守恒定律的表述缩小了质量守恒定律的适用范围。它只是质量守恒定律在化学变化中的反映，是质量守恒定律的一个部分，而不是质量守恒定律的全部内容，绝对不能用来代替质量守恒定律。这一改动不利于学生在更高层次上审视质量守恒定律，不利于培养学生的科学素养，有学科本位主义的嫌疑。

第二，现行教材的表述缺乏对“封闭体系”的强调，教材只得补充了一个实验5-1来说明装置需要密闭。但实验5-1的开放装置与铁与硫酸铜反应时的开放装置相同，一个开放装置守恒，一个开放装置不守恒。这造成学生在理解中的困难，使得教师在讲授中不得不花大量时间引导学生分析各种装置的特点，以便让学生得出装置必须密闭的特点。

六、核反应是否是物理变化？

这涉及到物质变化的分类，物理变化、化学变化、核反应的区别如下表：

核反应由于原子核发生了变化，因而带来了巨大的能量变化，进而引起质量变化。因此，质量守恒定律适用于物理变化和化学变化，而不适用于原子核发生改变的核反应。

七、对教材的建议

恢复质量守恒定律的原始表述，并将现行教材中的表述修改为：

在封闭体系中，不论发生何种变化或过程，其总质量始终保持不变。这一规律就叫做质量守恒定律。质量守恒定律对化学反应的解释是：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。

（作者单位：四川乐山市第五中学）