科学课电子天平的奇妙应用

李学海

摘要：文章具体介绍了电子天平在验证反应物、生成物之间的质量关系和验证二氧化碳密度比空气大的实验中的应用。从实验思路、实验数据处理和结论分析来验证反应物、生成物之间的质量关系；用实验说明托盘天平、电子天平来测量二氧化碳密度大小的可行性。

关键词：电子天平；质量关系；二氧化碳密度

文章编号：1008-0546（2017）12-0086-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.030

一、验证反应物、生成物之间存在一定的质量关系

1.问题的提出

浙教版科学第四册第三章第三节化学反应方程式有三课时内容，分别是质量守恒定律、化学方程式的配平以及根据化学反应方程式进行计算。质量守恒定律是化学由定性走向定量的第一步，具有重要的意义。第二课时化学反应方程式的配平中涉及了化学方程式的意义，其中化学方程式可以定量的表示反应物、生成物各物质之间的质量比。

根据理论分析反应物、生成物之间是存在一定质量比的，但是实际情况是学生只是记住了最终的结果，没有直观的体验过程。学习是学生自我建构的过程，只有当学生经历过实验的设计、分析讨论、师生互动，学生才会真正的理解。在教学中，应尽量避免将结论直接告诉学生，而应该根据学习内容和要求的需要，积极创造实验条件，开展实验教学的研究和实践，通过实验教学让抽象的思维具体化、形象思维直观化、逻辑思维显现化。

因此笔者也在思考，能否设计一个简单实验证明反应物、生成物之间存在质量比？化学反应物质的状态类型很多，如固体与固体、固体与液体、液体与液体等。我们考虑反应物状态是固体和液体反应产生气体，因为固体的质量与生成气体质量的关系容易称量、计算，如碳酸钙与稀盐酸的反应。碳酸钙固体用粉末，不用纯度不高的石灰石、大理石，生成气体的质量用反应前后药品和仪器的质量差值来计算。

2.实验部分

实验药品和器材：碳酸钙（粉末）、稀盐酸、药匙、两只小烧杯（50mL）、电子天平（精确到0.01g）。

反应的原理是CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，反应前先称量出一只空烧杯的质量，用药匙取一定质量碳酸钙粉末放入空烧杯中，它们质量的差值即为碳酸钙的质量。再取一只小烧杯倒入过量的稀盐酸，然后将两只小烧杯放在电子天平上称量反应前药品和仪器的总质量，如图1。下一步将稀盐酸慢慢倒入到装有碳酸钙粉末的小烧杯中，反应结束后称量两只烧杯及反应后剩余物的总质量。反应前后药品和仪器总质量的差值即为生成并逃逸的二氧化碳的质量，将数据填入表格1。

3.数据处理与结论

只有一次实验数据不能说明反应物、生成物之间的质量比，那还需要更多组的质量关系，于是笔者投影展示课前实验的几组数据，如表格2。

因为是定量实验，有了这些数据，如何进行数据处理？学生很容易想到在直角坐标系中以碳酸钙质量为横坐标，二氧化碳的质量为纵坐标，描出相对应的点，找出它们之间的关系。但手工作图误差比较大，于是笔者借助Excel画出各个散点，右键添加趋势线。在趋势线选项中选择线性、设置截距（S）=0.0、显示公式（E），最终得出直线和函数公式，如图2。

二、验证二氧化碳的密度比空气大

在“二氧化碳的性质和用途”的教学中，证明二氧化碳的密度比空气大的演示实验常见的有两种方法。第一种方法是在大烧杯中放置一个支架，支架上固定两支点燃的蜡烛，将一瓶二氧化碳慢慢倒入烧杯中，观察蜡烛火焰变化。正常现象是下层蜡烛先熄灭、上层蜡烛后熄灭。

第二种方法是在一根粗细均匀的杠杆中间，用棉线拴住后悬挂在铁架台上，先让两个充满空气的塑料袋挂在杠杆的两端，调节杠杆平衡。然后，向其中一只塑料袋中倒入二氧化碳气体，可以看到，杠桿向装有二氧化碳的一侧倾斜。

有同学认为下面的方法也可行：取一托盘天平，在天平左边放一只500mL的烧杯，用砝码平衡。再向烧杯内倒入300mL的集气瓶收集到的二氧化碳气体，可明显看到天平向二氧化碳一侧倾斜。

但笔者经过实验发现，左侧托盘并不下降，实验现象并不明显。究其原因，可能排空气法收集的气体不纯，在倾倒过程中有部分的二氧化碳气体逸出导致烧杯内质量变化太小。如果用电子天平代替托盘天平会有什么样的结果？

实验器材：电子天平（精确到0.01g）、集气瓶（300mL）、毛玻璃片、烧杯（500mL）。

实验室制取二氧化碳采用的是石灰石和稀盐酸反应，用向上排空气法收集产生的二氧化碳气体，用点燃的木条放在集气瓶口来检验，若燃着的木条熄灭证明二氧化碳已经收集满。我们可以将托盘天平换成电子天平（精确到0.01g），其上放上500mL的烧杯，调零去皮。然后将实物投影对准电子天平的显示屏，使显示屏的信息在屏幕上显示。将集气瓶中收集到的气体倒入到烧杯中，观察电子天平的读数变化，如图3。

由以上的数据可知，用精确到0.01g的电子天平测量效果明显。0℃时，一个标准大气压下二氧化碳的密度为1.977g/L，空气的密度为1.293g/L。

向上排空气法收集的气体中二氧化碳的体积分数为0.099L/0.3L×100%=33.0%，由计算结果可知，能使燃着木条熄灭的二氧化碳的体积分数并不是100%，达到上述的体积分数也能使点燃的木条熄灭。endprint