专题6 质量守恒定律及其应用
考点一、质量守恒定律的验证或探究
例1.定律是对自然现象或关系的描述，通常可用数学方式加以表达。在学习“质量守恒定律”时，小丽查阅到以下材料：
（1）玻义耳实验中，金属灰增加的质量是 ；
（2）质量守恒定律的发现过程，带给我们的启示有 （填字母）；
A.要善于总结前人的成果和经验
B.实验的成功与否，取决于药品的选择
C.定量方法是科学研究的重要方法
受上述研究启发，小丽对相关实验进行了深入探究。
（3）在白磷燃烧前后质量测定实验中（如图），气球的作用有 ；
（4）小丽认为，蜡烛燃烧后剩下的固体质量比燃烧前少了，因此该现象不符合质量守恒定律。请你设计一个能说服小丽的简明实验思路 。
【解析】（1）玻义耳实验中，汞与氧气反应生成氧化汞，则金属灰增加的质量是参加反应的氧气质量或氧化汞中氧元素的质量；（2）质量守恒定律的发现过程，带给我们的启示有要善于总结前人的成果和经验、定量方法是科学研究的重要方法；（3）在点燃的条件下，白磷与氧气反应生成五氧化二磷，温度升高导致装置内的气体体积膨胀，且生成的五氧化二磷有毒，因此在白磷燃烧前后质量测定实验中（如图），气球的作用有形成密闭空间，使瓶内气压保持在一定范围内，防止瓶塞因压强过大而冲出，防止五氧化二磷弥漫到空气造成空气污染；（4）在密闭装置中完成蜡烛燃烧，并测量蜡烛燃烧前后整个装置的质量，比较两者的质量大小，来进一步说服小丽。
【答案】（1）参加反应的氧气质量或氧化汞中氧元素的质量；（2）AC；（3）形成密闭空间，使瓶内气压保持在一定范围内，防止瓶塞因压强过大而冲出（合理即可）；（4）在密闭装置中完成蜡烛燃烧，并测量蜡烛燃烧前后整个装置的质量，比较两者的质量大小
考点二、化学式与元素组成的推断
例2.汽车尾气中的氮氧化合物和一氧化碳对空气会造成污染，通常采用催化净化装置将其转化成无毒物质再排放。其主要反应原理为2NO+2COX+2CO2，请推测X的化学式（ ）
A．O2 B．N2 C．H2O D．NO2
【解析】由质量守恒定律：反应前后，原子种类、数目均不变，由反应的化学方程式，反应前氮、氧、碳原子个数分别为2、4、2，反应后的生成物中氮、氧、碳原子个数分别为0、4、2，根据反应前后原子种类、数目不变，则每个X分子由2个氮原子构成，则物质X的化学式为N2。
【答案】B
考点三、微观反应示意图
例3.经研究发现，利用催化剂可有效消除室内装修材料释放的甲醛。该反应的微观示意图如下：
下列说法正确的是（ ）
A．该反应为化合反应
B．丙物质中碳、氧元素的质量比为1：1
C．生成的丙、丁的分子个数比为2：1
D．1个甲醛分子由1个碳原子、2个氢原子、1个氧原子构成
【答案】D
【解析】由微观反应图可得，该反应的化学方程式为CH2O+O2CO2+H2O。该反应的生成物是两种，不是化合反应，A错误。丙物质中碳、氧元素的质量比为12：（16×2）＝3：8，B错误。由化学方程式可得，生成的丙、丁的分子个数比为1：1，C错误。1个甲醛分子由1个碳原子、2个氢原子、1个氧原子构成，D正确。
考点四、密闭容器中数据分析（表格）
例4.把一定质量的甲、乙、丙、丁四种物质放入密闭容器中，在一定条件下反应一段时间后，测得各物质的质量如下表所示，下列说法正确的是（ ）
物质 甲 乙 丙 丁
反应前的质量/g 7 10 28 37
反应后的质量/g 14 10 33 x
A.x的值是25 B.乙一定是催化剂
C.甲和丁都是反应物 D.反应中，甲与丙发生改变的质量比是14：33
【解析】根据质量守恒定律，密闭容器中的化学反应，反应前后物质总质量不变，则（7+10+28+37）g=（14+10+33+x）g，x=25 g，故A正确；乙物质的质量反应前后质量不变可能是反应的催化剂，也可能是不反应的杂质，B错误；甲的质量和反应后增加，故为生成物，丁的质量反应后减少为反应物；反应中，甲与丙发生改变的质量比是（14-7）：（33-28）=7：5，D错误。
【答案】A
考点五、坐标曲线（或直方图）数据分析
例5.一定条件下，密闭容器中发生了某一化学反应，涉及的物质为甲、乙、丙、丁，如图为各物质在反应前和反应后某时刻的质量关系。下列说法不正确的是（ ）
A. x的值是31
B. 甲、丁的相对分子质量之比可能为7：11
C. 丁可能为单质
D. 反应中消耗甲和乙的质量比为7：4
【解析】根据质量守恒定律，化学反应前后，物质的总质量不变，故20+20+20+20=13+16+20+x，x=31，反应后，甲的质量减小，甲是反应物，乙的质量减小，乙是反应物，丙的质量不变，丙可能是催化剂，也可能是不参与反应的杂质，丁的质量增加，丁是生成物。A.由分析可知，x的值是31，不符合题意；B.参加反应的甲和生成丁的质量比为：（20-13）：（31-20）=7:11，如果甲、丁的化学计量数之比为1:1，则甲、丁的相对分子质量之比为7：11，不符合题意；C.甲、乙是反应物，丁是生成物，根据质量守恒定律，化学反应前后，元素的种类不变，丁一定由两种或两种以上元素组成，丁一定是化合物，符合题意；D.反应中消耗甲和乙的质量比为：（20-13）：（20-16）=7:4，不符合题意。故选C。
【答案】C
1.右图是通过白磷燃烧来验证质量守恒定律的实验，下列说法错误的是（ ）
A．反应前锥形瓶内白磷和氧气的总质量一定等于反应后生成五氧化二磷的质量
B．白磷燃烧结束，锥形瓶应冷却后再放在天平上称量
C．实验过程中气球先变大后变瘪
D．瓶底的细沙起隔热作用
2.2020年6月23日最后一颗北斗卫星在西昌卫星发射中心成功发射。火箭发射液体推进剂为偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮，发射时发生如下反应：。下列有关说法不正确的是（ ）
A.X为CO
B.X为CO2
C.该反应产物不会污染环境
D.燃烧过程并不一定需要氧气
3.高铁酸钾是一种优良的多功能水处理剂。实验室可用氯气、氢氧化铁和X来制备，反应的化学方程式：。下列说法错误的是（ ）
A. X的化学式是KOH
B. 高铁酸钾是一种酸
C. 高铁酸钾由三种元素组成
D. Fe（OH）3是一种碱
4.在点燃条件下，甲和乙反应生成丙和丁。它们的微观结构示意图如表所示（其中“”代表氢原子，“”代表碳原子，“”代表氧原子）。下列叙述错误的是（ ）
物质 甲 乙 丙 丁
微观示意图
A．生成物均为氧化物
B．甲中碳、氢、氧三种元素的质量比为12：3：8
C．在该反应中，生成丙和丁的质量比为3：11
D．在该反应中，甲和乙的分子个数比为1：3
5.已知某纯净物2.3 g在足量的氧气中充分燃烧后，生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水。下列关于该纯净物组成的说法正确的是（ ）
A. 只含有碳、氢元素
B. 一定含有碳、氢、氧三种元素
C. 一定含有碳、氢元素，可能含有氧元素
D. 一定含有碳元素，可能含有氢、氧元素
6.随着科学的发展，新能源的开发不断取得突破。清华大学研究人员成功研制出一种纳米纤维催化剂，可将二氧化碳转化成液体燃料甲醇，其微观示意图如下图所示（图中的微粒恰好完全反应）。
下列说法错误的是（ ）
A. 丁的化学式是H2O
B. 甲是单质，乙、丙、丁均为化合物
C. 乙物质中碳元素的化合价为+4
D. 反应前后分子种类和原子种类均发生改变
7.在一个密闭容器中，有a、b、c、d四种物质，反应前各物质的质量关系如下图刻度纸所示（例如：d的质量为2 g）。
在一定条件下发生反应，反应结束后，再次测得各物质的质量变化，并通过刻度的移动来表示，且记录在同一张刻度纸上：刻度线Ⅰ向右移动9格；刻度线Ⅱ向左移动8格；刻度线Ⅲ向左移动8格。下列说法正确的是（ ）
A.反应结束后c的质量为14 g
B.该反应可能为置换反应
C.a、b变化的质量比一定为9:17
D.a、d的相对分子质量之比一定为9:8
8.建立“宏观一微观一符号”之间的联系是学习化学的思维方法。下图是汽车尾气中某些有害气体在催化剂作用下转化为空气中的无毒成分的微观示意图。下列有关说法不正确的是（ ）
A.反应前后原子的种类和数目都没有发生改变
B.参加反应的两种物质的分子个数比为2:3
C.化学反应前后氮元素的化合价发生了改变
D.在化学反应中，分子可以再分，原子不可再分
9. 北京大学科研团队以炼钢废气为原料，实现了制备油品的新催化过程，反应过程如下图所示。相关说法正确的是（ ）
A.制备的油品为纯净物 B.反应物不用和催化剂接触
C.反应的实质是分子的重新组合 D.可处理有毒气体，具备工业应用价值
10.某密闭容器中只有乙、丙、丁三种物质，在一定条件下发生了一个化学反应，容器中乙、丙、丁的质量随甲的质量变化情况如图所示。下列说法错误的是（ ）
A. a的值为12
B. 丁属于化合物
C. 当丁为5 g时，容器中乙的质量为11 g
D. 当甲为2 g时，容器中丙与丁的质量之比为12:5
11.某种火箭在发射时，其燃料发生反应的微粒种类变化示意图如下。下列说法正确的是（ ）
A.该反应为置换反应
B.反应前后都存在N2分子
C.每个甲分子中含有6个原子
D.反应生成丙和丁的质量比为28:18
12．水蒸气和天然气可用于制备氢气，反应前后分子种类的微观示意图如图所示。有关说法正确的是（ ）
A．反应后分子数目增多
B．该反应类型为置换反应
C．反应物和生成物都是无机物
D．该反应不遵循质量守恒定律
13.在一定条件下，一密闭容器内发生某反应，测得反应前后各物质的质量如下表所示。下列说法不正确的是（ ）
物质 a b c d
反应前的质量/g 40 5 16 15
反应后的质量/g X 5 30 26
A. b可能是催化剂
B. X的值等于15
C. 该反应是分解反应
D. 参加反应的c与d的质量比为15：13
14.在密闭容器中加入甲、乙、丙、丁四种物质，在一定条件下发生化学反应，在不同时刻测得各物质的质量（单位为克）如右表所示，下列说法不正确的是（ ）
甲 乙 丙 丁
t0 45 20 25 10
t1 25 b 41 c
t2 5 6 d 32
A.该反应中，乙是反应物，丙是生成物
B. b=13
C. t2时刻，甲、丙物质质量比为5:32
D.若丙、丁的相对分子质量分别是64、44，则丙、丁的化学计量数之比为1 : 1
15.化学兴趣小组为验证质量守恒定律，做了镁条在空气中燃烧的实验（如右图）。同学们观察到镁条在空气中剧烈燃烧，发出耀眼的强光，产生的大量白烟弥漫到空气中，最后在石棉网上得到一些白色固体。
（1）请写出镁条燃烧的化学方程式____________。
（2）同学们通过称量发现：在石棉网上收集到产物的质量小于镁条的质量。有人认为这个反应不遵循质量守恒定律。你认为出现这样实验结果的原因可能是：_______________。
（3）小红按下图装置改进实验，验证了质量守恒定律，还发现产物中有少量黄色固体。
【提出问题】黄色固体是什么？
【查阅资料】①氧化镁为白色固体；②镁能与氮气剧烈反应生成黄色的氮化镁（Mg3N2）固体；③氮化镁可与水剧烈反应产生氨气，该气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。
【做出猜想】黄色固体是Mg3N2
【实验探究】请设计实验，验证猜想
实验操作 实验现象及结论
_______________________ _______________________
【反思与交流】①氮化镁中氮元素的化合价是_______________________；
②空气中N2的含量远大于O2的含量，可是镁条在空气中燃烧产物MgO却远多于Mg3N2，合理的解释是：_______________________ ；
③同学们又联想到氢气在氯气中能够燃烧，于是对燃烧条件又有了新的认识：_______________________。
参考答案
1.A【解析】锥形瓶内白磷和氧气不一定正好完全反应，所以反应前锥形瓶内白磷和氧气的总质量不一定等于反应后生成五氧化二磷的质量。
2.A【解析】根据质量守恒定律可知，化学反应前后，各元素的原子个数相等，根据偏二甲肼和四氧化二氮反应的化学方程式，可以推求出X的化学式为CO2，CO有毒，是大气污染物之一，CO2是大气碳氧循环的重要物质，不是大气污染物，所以该反应产物不会污染空气，根据这一反应我们可以知道，偏二甲肼可以和四氧化二氮发生燃烧反应，说明燃烧不一定需要氧气参加。
3.B【解析】根据质量守恒定律，化学反应前后，原子的种类和数目不变，反应物中含6个Cl、2个Fe、6个H、6个O，生成物中含10个K、2个Fe、16个O、6个Cl、16个H，故生成物中还应含10个O、10个H、10个K，故X的化学式为：KOH，A不符合题意；高铁酸钾是由钾离子和高铁酸根离子构成的化合物，属于盐，B符合题意；高铁酸钾是由Fe、K、O三种元素组成，C不符合题意；氢氧化铁是电离时产生的阴离子都是氢氧根离子的化合物，属于碱，D不符合题意。
4.C【解析】生成物为水和二氧化碳，水是由氢氧两种元素组成，二氧化碳则由碳、氧两种元素组成，都是氧化物，A正确；根据甲的微示意图可以写出甲的这式为C2H5OH，根据甲的化学式可以计算出碳、氢、氧三种元素的质量比为（12×2）：（1×6）：（16×1）=12：3：8，B正确；根据微观示意图写出该反应的化学方程式为C2H5OH＋3O22CO2＋3H2O，生成的水和二氧化碳的质量比为（3×18）：（2×44）=27：44，C错误；从微观看，该反应是一个甲烷分子和三个氧分子之间的反应，分子个数比为1：3，D正确。
5.B【解析】已知某纯净物2.3 g在足量的氧气中充分燃烧后，生成4.4 g二氧化碳和2.7 g水。根据质量守恒定律，化学反应前后，元素的种类和质量不变，故该纯净物中一定含C、H元素，碳元素的质量为：，氢元素的质量为： ，1.2 g+0.3 g=1.5 g＜2.3 g，故该纯净物中一定含氧元素。
故选B。
6.D【解析】由题目信息和质量守恒定律可知，该反应为氢气和二氧化碳在催化剂的作用下生成甲醇和水，化学方程式为。由上述分析可知，丁为水，化学式为H2O，A正确；由图示和化学方程式可知，甲为氢气，乙为二氧化碳，丙为甲醇，丁为水，则甲是单质，乙、丙、丁均为化合物，B正确；由上述分析可知，乙为二氧化碳，化学式为CO2，其中碳元素的化合价为+4，C正确；由图示和质量守恒定律可知，反应前后分子种类发生改变，原子种类不发生改变，D错误。
7.C【解析】刻度线Ⅰ向右移动9格，到了刻度14，；刻度线Ⅱ向左移动8格，到了刻度14,刻度线Ⅲ向左移动8格到了刻度20，故反应后a为14 g，b为0，c为6 g，d为10 g。故此反应的反应物为b，减少了17 g，生成物为a、d分别生成了9 g和8 g，c的质量不变。
A.反应前c的质量为6 g，反应结束后刻度线Ⅲ向左移动8格，刻度线Ⅱ向左移动8格，故c的质量不变，为6 g，错误；B.该反应是b分解为a和d，为分解反应，B错；C. 反应物为b，减少了17 g，生成物为a、d分别生成了9 g和8 g，a、b变化的质量比一定为9:17，正确；D.a、d的相对分子质量之比一定为据题中条件无法计算，错误。
8.B 【解析】原子是化学变化中的最小粒子，在化学反应前后，原子的种类、数目都不变，A正确；反应前有3个分子，反应后还剩余1个，说明只有2个分子参加反应，所以反应的两种物质的分子个数比为2:2，即1:1,B错误；反应前NO中氮元素为+2价，反应后N2中氮元素为0价，氮元素的化合价发生改变，C正确；化学反应的实质是分子分解为原子，原子重新组合成新的分子的过程， D正确。
9.D【解析】通过图示可以看出，最后制得的油品分子中原子的个数明显不同，所以油品为混合物，A错误；通过图示可以看出，反应物中分子需要和催化剂中的Pt原子和Ru原子接触，B错误；化学反应的实质是分子分成原子，原子重新结合成新分子的过程，C错误；一氧化碳有毒，该反应的反应物是一氧化碳，工业上可用于处理有毒气体，D正确。
10.D【解析】据质量守恒定律可知反应前后物质的总质量不变，所以10 g+6 g+10 g= 8 g+a+6 g+0 g，丁的质量a的值为12，A正确；质量增加的是生成物，甲的质量增加8 g，是生成物；丁的质量减少10 g，是反应物，乙的质量增加2 g，是生成物，反应的表达式为：丁→甲+乙，丁属于化合物，B正确；由上述分析可知，乙和丁的质量比为2:10，当丁为5 g时，反应掉的丁为5 g，容器中乙的质量增加1 g，乙的总质量为11 g，C正确；甲和丁的质量比为8:10，当甲为2 g时，反应掉丁的质量为2.5 g，剩余丁的质量为7.5 g，容器中，丙与丁的质量之比为6：7.5=4：5，D错误。
故选D。
11.C【解析】根据分子、原子结构模型可知，甲是N2O4，乙是N2H4,丙是N2，丁是H2O，可写出反应的化学方程式为N2O4+2N2H4=3N2+4H2O。置换反应是指一种单质和一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应，本题反应物是两种化合物，不符合定义，A错误。氮气是生成物，故氮分子只存在于生成物中，反应物中没有氮分子，B错误。甲是N2O4，它的一个分子是由2个N原子和4个O原子构成的，一个分子中共计含有6个原子，C正确。根据化学方程式可计算出丙和丁的质量比=（14×2×3）∶[（1×2+16）×4]=21∶18，D错误。
12.A【解析】根据图中分子结构模型和原子模型，可知该反应是甲烷（CH4）和水（H2O）反应生成CO和H2，据此可写出反应的化学方程式为CH4+H2O CO+3H2。反应中各物质的分子个数比为1∶1∶1∶3，反应物与生成物分子总数比为2∶4，反应后分子总数增多，A正确；置换反应是一种单质和一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应，该反应中反应物为两种化合物，不属于置换反应，B错误；反应物质甲烷属于有机化合物，水、一氧化碳属于无机化合物，氢气属于单质，不都是无机物，C错误；所有化学反应都遵守质量守恒定律，该反应也遵守，D错误。
13.D【解析】A.b反应前后质量不变，可能作该反应的催化剂，也可能没有参加反应，故A正确；B.根据质量守恒定律可知，X＝40+5+16+15﹣5﹣30﹣26＝15，故B正确；C.反应后a质量减小，是反应物，c、d质量增大，是生成物，该反应是由一种物质生成两种物质，属于分解反应，故C正确；D.参加反应的c与d的质量比=（30﹣16）g：（26﹣15）g＝14：11，故D错误。
14.C【解析】根据质量过恒定律，有45+20+25+10=5+6+d+32，d=57，因此反应后，甲和乙的质量均减小，丙和丁的质量均增加，即甲和乙是该反应的反应物，丙和丁是该反应的生成物，A正确；对t0与t2时刻各物质的质量，可知该反应中甲与乙的质量比为（45-5）：（20-6）=40：14=20：7，因此有（45-25）：（20-b）=20：7，b=13，B正确；t2时刻甲、丙的质量比为25：41，C不正确；该反应中丙与丁的质量比为（57-25）：（32-10）=32：22，设该反应中丙的化学计量数为X，丙的化学计量数为Y，则64X：44Y=32：22，所以X：Y=1：1，D正确。
15.（1）2Mg +O2 2MgO （2）大量的白烟弥漫到空气中，使得生成物收集不全 （3）[实验探究]收集产物中的黄色固体放入试管中，加入适量的水，在试管口放置湿润的红色石蕊试纸 有刺激性气味的气体生成，试纸由红色变蓝色 得到结论:黄色固体是Mg3N2 [反思与交流]①-3 ②氮气化学性质不如氧气活泼 ③燃烧不一定需要有氧气参加。
【解析】⑴镁在化合物里显+2价。⑵镁条燃烧会产生大量的白烟逸散在空气中，造成收集到的产物质量减少。⑶[实验探究]收集产物中的黄色固体放入试管中，加入适量的水，在试管口放置湿润的红色石蕊试纸，有刺激性气味的气体生成，试纸由红色变蓝色，说明黄色固体是Mg3N2；【反思与交流】①Mg3N2中镁显+2价，则氮为-3价；②氮气多却产物少，说明反应很难，也就是说氮气与镁很难反应，即氮气化学性质比较稳定；③镁能在氮气中燃烧、氢气能在氯气中燃烧，说明燃烧不一定要有氧气参加。
