“质量守恒定律”只适用于化学变化吗?

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  摘 要: 质量守恒定律已经成为自然学科的一个普遍运用的规律,然而,它的适用范围存在偏误。本文就此定律进行分析解释,以便起到抛砖引玉的作用。
  关键词: 质量守恒定律 适用 化学变化
  
  教学中,有些教师强调“质量守恒定律”只适用于化学变化,物理变化不适用此定律。对此说法,笔者有一些疑问:“质量守恒定律”通俗地说就是“物质不灭定律”,这是一个大家都知道的公理,怎么会不适用于物理变化?我国著名的科普作家叶永烈是这样描述“物质不灭定律”的:“物质虽然能够变化,但是不能消灭或凭空产生。”这里所指的变化,当然包括物理变化和化学变化。
  为了调查这种说法在初中化学教师中的认可情况,笔者又进一步上网搜索“质量守恒定律”的教学设计和相关作业,竟然发现有不少相关教学设计都强调“质量守恒定律”只适用于化学变化而不适用于物理变化,还搜索出相关的习题。
  如网上有这样一道题目,100克水与100克酒精混合等于200克的酒精溶液,这一现象能否用质量守恒定律解释?其给出的答案是不能。原因是根据教科书上的质量守恒定律,“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”,而水与酒精混合不是化学反应,所以不适用于质量守恒定律。原本质量守恒定律是一个普遍适用的公理,物理变化、化学变化都适用,只是在化学变化中,具体定义为“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”。怎么能片面地解释为只有化学变化适用?
  部分初中教师之所以会这样认为,据说是源于某地某次中考出现了一道这样的考题。而对这种有明显科学性错误的题目,我们的教师竟然盲从,迷信所谓的专家权威,以讹传讹地教授给学生。
  笔者想起了亚里士多德的名言:“吾爱吾师,但吾更爱真理。”亚里士多德是柏拉图的学生,而柏拉图是当时最著名的大哲学家,当别人问起他为什么要与老师的意见相左时,他作出了上述回答。新课程要求教师要培养学生的探究能力、问题意识,但是教师只有具有不唯上、不唯书、只唯实的科学精神,才可能培养出学生的问题意识、探究能力。如果教师自己都不去独立思考,没有问题意识,那么培养学生的探究能力和科学精神就只能是一句空话。所以教师要加强自己的专业修养,要理清概念的外延与内涵。现将“质量守恒定律”的相关资料附后,以供同行参考。
  
  [附1]质量守恒定律简解
  自然界的基本定律之一。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,其总质量保持不变。18世纪时法国化学家拉瓦锡从实验上推翻了燃素说之后,这一定律始得公认。20世纪初以来,人们发现高速运动物体的质量随其运动速度而变化,又发现实物和场可以互相转化,因而应按质能关系考虑场的质量。质量概念的发展使质量守恒原理也有了新的发展,质量守恒和能量守恒两条定律通过质能关系合并为一条守恒定律,即质量和能量守恒定律。
  
  [附2]质量守恒定律的发现
  现在我们称质量守恒定律为罗蒙诺索夫—拉瓦锡定律。拉瓦锡在1789年给这个定律下了定义:“……由于人工的或天然的操作不能无中生有地创造任何东西,因此每一次操作中,操作前后存在的物质总量相等,且其要素的质与量保持不变,只是发生更换与变形,这可以看成为公理。”他的著作使该定律得到广泛的承认。但是,这一定律是由罗蒙诺索夫在1748年发现的,并于1756年用实验证明的。俄国化学家罗蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里煅烧,锡发生变化后生成了氧化锡,但容器和物质的总质量在反应前后并没有改变。经过反复的实验,都得到相同的结果。于是罗蒙诺索夫认为在化学变化中物质的质量是守恒的。但他的这一发现并没有引起科学家们的注意,直到1777年法国化学家拉瓦锡做了同样的实验,也得到了同样的结论,这一结论才获得广泛认可。但要确切证明或否定这一结论,都需要极精确的实验结果,而拉瓦锡时代的工具和技术都不能满足严格的要求,所以后来又有不少科学家用更精确的方法证明这一定律。直到1908年德国化学家郎道耳特及1912年英国化学家曼莱做了精确度极高的实验来验证这个结论,反应前后的质量变化小于一千万分之一,这个误差是在实验误差允许范围之内的,从而使质量守恒定律确立在严谨的科学实验的基础上,科学家们才一致承认了这一定律。
  
  [附3]质量守恒定律的发展
  1905年,爱因斯坦发现了狭义相对论。他指出,物质的质量和它的能量成正比,可用以下公式表示:E=mc2式中E为能量;m为质量;c为光速。
  以上公式说明物质可以转变为辐射能,辐射能也可以转变为物质。这一现象并不意味着物质会被消灭,而是物质的静质量会变成另外一种运动形式。这个结论与质量守恒定律有何联系呢?实验结果证明1000g的硝化甘油爆炸以后,放出的能量为8×106J。根据质能公式计算,产生这些能量的硝化甘油质量是0.89×10-7g。从实用角度讲,其中的误差是可以忽略的,即可以认为在化学反应中质量守恒定律是完全成立的。
  隨着爱因斯坦相对论和质能关系公式的提出,人们对质量守恒定律的认识又有了新的发展,现在科学家把质量守恒定律和能量守恒定律合二为一,称为质能守恒定律。
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