化學反應之後質量會不會有微小改變？

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很多化學反應會釋放能量，比如燃燒，按照愛因斯坦的理論能量和質量密切相關，比如因為運動物體具有能量所以運動的物體會比靜止的物體質量要大，那麼化學反應之後質量會不會有微小改變，比如說氫和氧燃燒結合成水的過程會釋放熱量，在這個過程中質量是不是也會微小的減少

先說結論，化學反應的確會導致反應物與生成物質量之間的微小變化。

在相對論的框架下，拉瓦錫質量守恆定律的確是錯的。根據愛因斯坦質能方程 $E=mc^{2}$ ，一定的質量 $m$ 對應一定的能量 $E$ ，二者的定量關係由比例係數「光速的平方」 $c^{2}$ 聯繫起來。於是，任何體系內能量的變化都會引起相應質量的變化。

所謂質量虧損，就是反應前後體系粒子質量的變化。譬如在核反應中，就是指原子核的質量與組成原子核的所有單個質子與單個中子的質量之和的差（原子核的質量小於組成原子核的所有單個質子與單個中子的質量總和，虧損的質量對應結合能，虧損越大結合能越大）。

核反應中，質量虧損主要是由反應前後體系能量變化而導致的。由於重核裂變與輕核聚變都屬於放能核反應，根據質能方程的涵義，反應後粒子的靜質量要減少，即反應後質量要有所虧損，而質量虧損就意味著能量的虧損。

化學反應體系中所伴隨的能量變化比起核反應來要小得多，但同樣遵循相同的質能方程。當發生化學反應並釋放能量時，必定失去相應的質量。但由於絕大多數化學反應釋放的能量遠遠小於常見核反應所釋放的能量。因此，相比於核反應來說，化學反應的質量虧損往往很小，以致於最精密的儀器都無法測量，只能通過反應釋放的能量來推算。這就是為什麼在拉瓦錫發現「質量守恆定律」之後，再沒有一個化學家在實驗室里發現任何一個反例的原因了。

嚴格地講，化學反應中體系的質量也是不守恆的。考慮到這一原因，我們應該說在反應前後沒有可檢測的質量變化。正如從卡車上遺落兩枚金幣，由於兩枚金幣的質量相對於卡車的質量太小了，以致於卡車質量似乎沒有改變。

以硝化甘油的爆炸為例，假定反應的起始狀態都為 25°C 的標準狀況，可以計算出反應前後的質量損失：

$44 m{C_{3}H_{5}N_{3}O_{9}}left( m{l} ight) ightarrow 6 m{N_{2} left( m{g} ight)} +10 m{H_{2}O}left( m{l} ight)+7 m{O_{2}}left( m{g} ight),$ $Delta H=-2700 m{kJ}.$

　　反應體系釋放的能量等於熱量與做功之和： $Delta E=Delta H-pDelta V=Delta H-Delta nRT.$

　　其中 $Delta n$ 為反應前後氣體的改變數， $pDelta V=62 m{kJ}$ 。

　　因此 $Delta E=-2762 m{kJ}$ ，對應的質量當量應為 $left|Delta m ight|=left| Delta E ight| /c^{2} =3.074 imes10^{-8} m{g}.$

任何原子核的質量均小於構成它們的質子與中子的靜止質量之和，這種原子核的質量虧損是原子核形成的過程造成的，質子和中子的靜止質量分別為 1.007276u 和 1.008665u ， $^{2} m{H}$ 核的質量為2.013553u。由此，質量虧損為 0.002388u ，其能量當量為 3.564× $10^{-13}$ J ，這就是該反應釋放的能量，即原子核的結合能。

化學變化也是如此，例如 $m{C}+4 m{H} ightarrow m{CH_{4}}$ 的反應，該反應釋放的能量為 $2.916 imes10^{-18} m{J}/ m{molecule}$ ，反應中的質量虧損為1.954× $10^{-8}$ u ，遠遠小於 $^{2} m{H}$ 核形成時的質量虧損。 $^{2} m{H}$ 形成過程中質量虧損 0.12% ，而甲烷分子形成過程中質量虧損 0.000031% 。

$^{12} m{C}$ 被用作定義原子量的標準，是指其靜止質量為 12u 。由此，我們可以計算該原子在不同的條件下質量的大小，例如原子被加熱而獲得動能，或由於原子成鍵形成石墨或金剛石而消耗化學能時，原子的質量都會發生變化。石墨與金剛石之間的轉化就可以認為存在質量虧損，儘管這種質量虧損的大小是非常微弱的，但足以引起化學家的關注，化學家應時刻提醒自己原子的質量是與原子的化學狀態緊密聯繫的。

（本回答原載中科院物理所微信公眾號每周五問答專欄）

化學中所說的質量守恆定律，實際上是「拉瓦錫質量守恆定律」，本質上是由於化學反應只涉及原子的重新組合和排列，反應前後原子總數、以及原子本身「質量數」不發生變化。然而這裡並沒有討論其中場和電子的質量變化，或者說沒有考慮「化學鍵的質量變化」。我們知道，質能方程E=mc^2將質量和能量統一起來，它是普遍成立的，不管是核反應、化學反應、生物過程，還是基本的運動學過程；適用對象也是普遍的，不論是巨大的星體還是微小的粒子。一個星球或一個電子逐步加速的過程中，動能增加，質量也增加，且增加的質量等於外力對其做的功。化學反應過程中，體系的化學能本質上是鍵的斷裂與生成導致的，更基本地，是由於其中電子狀態的改變導致的，包括電子位置改變導致的勢能變化、速度改變導致的動能變化等，這同樣導致體系質量的改變，包括場的質量變化和電子質量變化。只是由於化學能太小而E=mc^2中又有個很大的光速平方項，從而質量變化不明顯罷了。實際上，一個氫原子的質量略小於裸質子（H+離子）和裸電子（e-）的質量和。1 公斤TNT炸藥爆炸產生的能量為4.2*10^6 焦耳, 反應後質量減少了4.7*10^-8 克。

（這個質量差別太小啦，幾乎看不出什麼變化。化學爆炸與核爆炸差別真是巨大啊……幾十ng量級，雖然從最精密的儀器解析度的角度來講，是可以測量的，然而這並沒有什麼卵用。反應前後對測量造成影響的方面太多了，比如爆炸的衝擊波、溫度變化、氣體釋放等，所以實驗驗證還是很有難度的。）

根據能量和質量守恆，那麼物質和能量是一定的。如果要看質能等價的話，，釋放出去的熱量或者他的載體也是有自己的質量的，但體系質量是不變的。

（覺得這個論證怪怪的。）

會有變化的。說不會的大概是中學知識學的太牢固吧。

因為質能守恆定律，有能量釋放就有質量的損失，只不過相對物理反應來說，損失的質量很少

原子數量沒變，所以質量不變。能量來自原子之間的鍵能。