化学方程式中的质量关系

点燃一支蜡烛，蜡烛慢慢变短，最终烧尽消失。看起来蜡烛的“质量”不见了，但实际上蜡烛燃烧后生成了二氧化碳和水蒸气，它们散入了空气。如果把蜡烛燃烧消耗的氧气也算进去，把反应前的所有物质和反应后生成的所有物质分别称量，会发现两边的总质量完全相等。化学反应从不“凭空消灭”质量，也不“无中生有”地创造质量，一切都在原子层面上严格守恒。

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，这一规律称为“质量守恒定律”。

这一规律之所以成立，根本原因在于：化学反应的本质是原子的重新组合，反应前后原子的种类不变、数目不变、每个原子的质量不变，因此所有原子的质量总和必然保持不变。

下表列出了几个典型化学反应，验证质量守恒定律：

例题 1

在密闭容器中，将 $12\text{g}$ 碳与足量氧气完全燃烧，生成二氧化碳。已知消耗氧气 $32\text{g}$，求生成的二氧化碳的质量。

解析：根据质量守恒定律，生成物的质量等于反应物的质量总和：

答：生成的二氧化碳质量为 $44\text{g}$。

化学方程式的“计量”含义

一个配平的化学方程式，不只是描述“谁与谁反应、生成什么”，它还精确地表达了各物质之间的数量关系。以氢气燃烧为例：

这个方程式同时包含了三层含义：

方程式前面的系数叫做“化学计量数”，它表示参与反应的各物质分子（或原子）的个数比。由于相对分子质量反映了分子之间的质量比，把化学计量数乘以各自的相对分子质量，就能得到各物质参与反应时的质量比。

从化学方程式求各物质的质量比

具体计算步骤分为三步：第一步，写出配平的化学方程式，确认每种物质的化学计量数；第二步，计算每种物质的相对分子质量；第三步，将化学计量数乘以对应的相对分子质量，得到各物质的质量比。

以氢气燃烧反应为例，完整推导如下：

因此，氢气、氧气、水的质量比为：

可以验证：$4 + 32 = 36$，反应物总质量等于生成物总质量，符合质量守恒定律。

例题 2

已知工业合成氨的化学方程式为：

求参与反应的 $\text{N}_2$、$\text{H}_2$、$\text{NH}_3$ 三种物质的质量比。

解析：

验证：$28 + 6 = 34$，符合质量守恒定律。

答：$\text{N}_2$、$\text{H}_2$、$\text{NH}_3$ 的质量比为 $28:6:34$。

碳酸钙分解的质量关系

碳酸钙（石灰石的主要成分）加热后会分解，这是工业生产氧化钙（生石灰）的重要反应：

这意味着每 $100\text{g}$ 碳酸钙完全分解，能得到 $56\text{g}$ 氧化钙，同时逸出 $44\text{g}$ 二氧化碳气体。固体质量减少了 $44\text{g}$，但那部分质量以气体形式散逸，总质量依然守恒。

例题 3

加热 $50\text{g}$ 碳酸钙，使其完全分解，求生成氧化钙和二氧化碳各多少克。

利用质量比进行计算

掌握了各物质的质量比之后，只要知道其中一种物质的质量，就可以用比例关系求出其他物质的质量。解题步骤如下：

第一步，写出配平的化学方程式；第二步，在方程式下方标出各物质的质量比；第三步，设未知量，根据已知质量与质量比建立比例关系；第四步，解比例，求出结果，并验证质量守恒。

常见反应的质量比汇总

练习题

选择题

第 1 题“知识点：质量守恒定律的理解”

在一个密闭容器中，$4\text{g}$ 氢气与 $32\text{g}$ 氧气完全反应，生成水的质量是：

A. $28\text{g}$

B. $32\text{g}$

C. $36\text{g}$

D. $44\text{g}$

第 2 题“知识点：从化学方程式求质量比”

已知碳完全燃烧的方程式为 $\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{CO}_2$，则参与反应的碳、氧气、二氧化碳的质量比为：

A. $1 : 1 : 1$

B. $12 : 16 : 28$

C. $12 : 32 : 44$

D. $6 : 16 : 22$

第 3 题“知识点：质量守恒与气体逸出”

将一定量的碳酸钙在敞口容器中加热至完全分解，称量反应后固体质量，发现固体质量明显减少。下列说法正确的是：

A. 该反应不遵守质量守恒定律

B. 固体质量减少，说明有一部分物质“消失”了

C. 减少的质量等于逸出的二氧化碳气体的质量，总质量仍守恒

D. 加热时容器吸收了一部分质量，导致固体减少

第 4 题“知识点：利用质量比计算生成物质量”

工业上用一氧化碳还原氧化铜制备铜，反应方程式为：

$\text{CO} + \text{CuO} \xrightarrow{\Delta} \text{Cu} + \text{CO}_2$

若消耗 $80\text{g}$ 氧化铜（$\text{CuO}$，$M = 80$），生成铜的质量为：

A. $64\text{g}$

B. $80\text{g}$

C. $44\text{g}$

D. $56\text{g}$

计算题

第 5 题“知识点：根据化学方程式求反应物和生成物的质量”

甲烷（天然气的主要成分，$\text{CH}_4$）在空气中完全燃烧的方程式为：

$\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

（已知：$M(\text{CH}_4) = 16$，$M(\text{O}_2) = 32$，$M({\text{CO}}_2)=$，）

若完全燃烧 $32\text{g}$ 甲烷，求：

（1）消耗氧气的质量；

（2）生成二氧化碳的质量；

（3）生成水的质量。

第 6 题“知识点：已知生成物质量，反求反应物质量”

工业上用高温煅烧石灰石（碳酸钙）的方法生产生石灰（氧化钙），反应方程式为：

$\text{CaCO}_3 \xrightarrow{\text{高温}} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow$

（已知：$M(\text{CaCO}_3) = 100$，$M(\text{CaO}) = 56$，$M(\text{CO}_2) = 44$）

某工厂需要生产 $280\text{g}$ 氧化钙，求：

（1）需要碳酸钙的质量；

（2）同时释放出二氧化碳的质量。

选 C。选项 A（$28\text{g}$）是 $32 - 4$，属于相减的错误做法；选项 B（$32\text{g}$）只算了氧气的质量；选项 D（$44\text{g}$）是二氧化碳的相对分子质量，与本题无关。

质量比 $= 1 \times 12 : 1 \times 32 : 1 \times 44 = 12 : 32 : 44$，选 C。

选项 A（$1:1:1$）混淆了计量数比与质量比；选项 B（$12:16:28$）将 $\text{O}_2$ 的相对分子质量误算为 $16$（即氧原子的质量）；选项 D 是 C 选项各数值除以 $2$，虽然比值等价但不是最简整数比的正确表达方式，且题目本选项数值错误。

设生成铜为 $x$：

$\frac{80\text{g}}{80} = \frac{x}{64}$

$x = 64\text{g}$

选 A。选项 B（$80\text{g}$）是错误地认为铜与 $\text{CuO}$ 质量相等；选项 C（$44\text{g}$）是 $\text{CO}_2$ 的质量，混淆了物质；选项 D（$56\text{g}$）是铁的相对原子质量，与铜无关。

设消耗 $\text{O}_2$ 为 $a$，生成 $\text{CO}_2$ 为 $b$，生成 $\text{H}_2\text{O}$ 为 $c$：

$\frac{32\text{g}}{16} = \frac{a}{64} = \frac{b}{44} = \frac{c}{36}$

比例系数为 $\dfrac{32}{16} = 2$，因此：

$a = 64 \times 2 = 128\text{g}$

$b = 44 \times 2 = 88\text{g}$

$c = 36 \times 2 = 72\text{g}$

验证：$32 + 128 = 160\text{g}$（反应物总质量），$88 + 72 = 160\text{g}$（生成物总质量），符合质量守恒定律。

答：（1）消耗氧气 $128\text{g}$；（2）生成二氧化碳 $88\text{g}$；（3）生成水 $72\text{g}$。

设需要 $\text{CaCO}_3$ 为 $p$，释放 $\text{CO}_2$ 为 $q$：

$\frac{p}{100} = \frac{280\text{g}}{56} = \frac{q}{44}$

比例系数为 $\dfrac{280}{56} = 5$，因此：

$p = 100 \times 5 = 500\text{g}$

$q = 44 \times 5 = 220\text{g}$

验证：$500\text{g}$（反应物）$= 280 + 220 = 500\text{g}$（生成物），符合质量守恒定律。

答：（1）需要碳酸钙 $500\text{g}$；（2）同时释放二氧化碳 $220\text{g}$。