如果把一斤盐放到一斤水当中,最后的结果就一定是两斤吗?
根据质量守恒定律,照理说,一斤水溶一斤盐的情况,就应该是2斤,因为物质是不灭的,整个过程的质量就应该守恒的。如果我们从微观的角度来看,整个过程中,构成物质的粒子实际上并没有发生任何变化,质量也就不应该增加或者减少了。
但这个看似简单的答案,实际上却暗藏玄机。那具体是咋回事呢?
这里我们就需要分几种情况来进行讨论。
从溶液的角度来看
我们知道,盐溶于水会变成溶液。
但是,盐也分很多种,食盐只是其中一种,盐类化合物家族的成员有很多。比如:在常温下,次氯酸银(AgClO4)的溶解度是5570g/L,而氟化银(AgF)的溶解度是1800g/L,硝酸银(AgNO3)的溶解度是219g/L。如果我们用水溶这三种盐,1斤水都可以完全溶解掉1斤的盐,那么此时的溶液的重量就是2斤。
质能等价
如果我们就只看整体呢?那就一定是2斤吗?
答案显然不是这样的,实际上总会和2斤有些出入。要知道大部分的盐溶于水时,都会对外放热,也就是说,在整个过程当中会损失掉一部分的能量。
可能你要问了,为什么能量减少,质量就会减少呢?
这就要提到爱因斯坦的质能等价理论了。在1905年,爱因斯坦曾经发表过4篇极具开创性的论文,其中最后一篇就是质能等价理论,它是狭义相对论的补充篇。在这篇论文中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量压根就是一码事,是一体两面的,物质拥有质量的一面,同时也兼具着能量的一面,质量里有能量,能量里有质量,质量和能量可以用等价方程来描述,这也就是大名鼎鼎的质能方程E=mc^2。
通过质能等价理论,爱因斯坦就把能量和质量关联了起来,即便是纯粹的能量也有质量的一面,只要物质有质量的属性,就能够同时蕴藏着能量。日常生活中,我们是不太能够察觉到能量有质量的一面。这主要是因为E=mc^2,而这里的c是光速3*10^8m/s,通过移项我们就会得到m=E/9*10^16,所以需要相当大的能量,至少是10^12J以上的能量才能显现出质量来。
因此,如果盐放到水中溶解时对外释放能量,那么整个系统实际上也在失去质量,所以整个系统的质量就会小于2斤。当然,也有部分盐溶于水时是在吸收能量的,比如:硫酸铵,氯化铵,硝酸钾,它们在溶于水后,系统的能量提升了,质量也就提升了,那就是大于2斤。当然,也有像氯化钾这样的,整个过程系统的温度不变,能量不变,那么质量就不变,也就是说,氯化钾溶于水后,整个系统的质量还是2斤。
不过,这里要多说一句,我们是假设环境温度不是很高,也不是低。因为温度的改变,会改变盐的溶解度,同时由于热传递的存在,也会影响到整个系统的温度变化,进而影响到整个系统的能量和质量的变化。
如果我们要严格地让整个过程没有质量变化,那可以让整个系统处于一个完全密封的状态,不和外界有任何物质,能量上的交换。那么,此时不管用什么盐,在什么温度环境下做这个实验,实验的过程中放不放热,或者吸不吸热,最终的结果都会是2斤。
不过,这里要补充一句,正如上文说到的,能量和质量之间存在的E=mc^2的等价关系,能量的些许变化是会影响到质量的,但是作用很小,基本在小数点后10多位才显现出影响来,这个使我们的仪器都很难测量出来的差异。