一个探究质量守恒定律实验的追疑与改进

徐敏

（苏州高新区第一中学　江苏苏州　215011）



一个探究质量守恒定律实验的追疑与改进

徐敏

（苏州高新区第一中学江苏苏州215011）

摘要：探究有气体生成的化学反应前后物质质量关系是初中化学在质量守恒定律教学中的一个难点，难点中气体的收集和称量是关键，2012版沪教版九年级义务教育教科书化学上册中利用注射器拟实现二氧化碳气体的收集且预计实验过程中气体产生的浮力可忽略不计。作者在设计对照实验和误差分析的基础上对该实验进行了追疑与改进。

关键词：质量守恒定律；追疑；改进

一、教材实验回顾

1.白磷燃烧测定质量

2003版沪教版义务教育教科书九年级化学上册采用在密闭容器内白磷燃烧的实验，对有气体参加的化学反应前后质量进行测定。

图1

实验中发现白磷在锥形瓶内燃烧形成大量白烟，气球变大后又逐渐变小。该实验最终天平平衡但仍存在以下不足：

（1）白磷剧毒，用剩的药品必须及时回收处理；

（2）气球膨胀过程中的浮力不能忽略，天平的示数值有波动。

2.石灰石与稀盐酸反应测定质量

沪教版义务教育教科书九年级化学上册P.102上有关于石灰石与稀盐酸反应前后质量关系探究的实验，其目的旨在引导学生探究有气体生成的化学反应前后物质的质量关系。通过有目的的实验探究和实验方案改进教师将使学生注意到：研究有气体参加或生成的化学反应前后物质质量关系时应在密闭容器中进行实验且有时需要考虑气体产生的浮力问题。教材以学生熟悉的石灰石与稀盐酸的化学反应为切入点，减少了学生对实验内容的生僻感，无论是学生实验还是教师演示实验，都能起到较好的教学效果。

新教材修订前该实验利用石灰水吸收二氧化碳以避免在密闭容器中进行实验导致橡皮塞冲出的现象。

图2

这样的设计显然存在不足：既然实验的目的是研究化学反应前后的质量关系，若同时存在两个化学反应，实验的结果只能说明两个化学反应前后物质总质量相等，而不能说明其中包含的每一个化学反应前后物质总质量都相等。因此探究化学反应前后物质的质量关系应以一个化学反应为研究对象。

三、2012年教材修订对该实验的改进

2011年教育部颁布义务教育化学新课程标准，沪教版教材也对该实验进行了改进，改用注射器缓冲二氧化碳气体产生的压强并使得气体产生的浮力可以忽略不计。笔者在实验过程中发现，改进后的实验仍存在诸多不足之处：

（1）药品的用量问题

实验时必须控制药品的用量，否则橡皮塞极易弹出，影响实验结果的测定。笔者为证明药品用量对实验结果的影响，按如图装置进行实验，并记录实验报告（表1）：

通常情况下每产生0.1g二氧化碳的体积约为50mL，实验结果造成锥形瓶内气泡产生现象不明显，注射器活塞却较快置顶，极易导致橡皮塞弹出。若改用浓度较大的稀盐酸进行实验，锥形瓶内气泡产生现象明显，但注射器活塞很快置顶，未称量完毕橡皮塞已弹出。

稀盐酸实验装置图　仪器规格　药品用量　实验现象150mL锥形瓶　三粒中等大小的大理石　锥形瓶内产生极少气泡，注射器活塞上升较快，半分钟内活塞置顶50mL注射器　1:5稀盐酸5mL大理石

（2）注射器的量程问题

实验选用注射器量程需在50mL以上，否则在称量完成前橡皮塞已弹出。

针对该实验产生二氧化碳量少却体积大的情况，笔者先后选用10mL、20mL和50mL注射器用同样的大理石与等体积等浓度的稀盐酸分别进行实验，记录实验现象如下：

利用注射器完成该实验，注射器的体积需在50mL以上，这样便造成锥形瓶体积小注射器体积大，整套装置头重脚轻，也给称量带来不便。

选用注射器规格　10mL　20mL　50mL实验现象　5s内活塞置顶，橡皮塞弹出　10s内活塞置顶，橡皮塞弹出　半分钟内活塞置顶，橡皮塞弹出

四、对改进后实验的追疑

即使满足以上两个条件，笔者在实验过程中依然发现称量前后的数据存在偏差，为证明实验产生的浮力不能忽略，笔者改用1：3的稀盐酸5mL与三粒中等大小的大理石利用不同的实验装置进行反应，在相同时间内称量反应前后的实验数据如下：

实验装置图稀盐酸大理石稀盐酸大理石稀盐酸　　气球大理石m(反应前)/g　60.55　78.94　121.06 m(反应后)/g　60.47　78.89　120.97 m(反应前)-m(反应后)/g 　0.08　0.05　0.09误差允许范围　电子天平200g/0.01g，误差范围正负0.03g以内

实验数据表明，利用50mL注射器进行实验，二氧化碳气体排开空气的体积已经较大，若选用精度为0.01g的电子天平，产生的浮力将不能被忽略。教材选用精度为0.1g的托盘天平进行实验，浮力值的变化在误差范围内，使得天平在反应前后保持平衡。

结论是：选用注射器进行实验，气体在生成过程中依然会产生浮力，只是在一定的称量精度范围内该浮力值可以忽略不计。另外笔者发现选用上述仪器和药品进行实验，注射器活塞每上升10mL，称量值会变化0.01g，因此控制药品的用量便成为该实验成败的关键。

利用注射器进行实验不仅要控制药品的用量，实验前还需做足准备，以保证注射器在称量时间内不置顶，而且天平的示数不会变化。

基于上述原因笔者与同仁探讨，对教材实验又进行了再次改进。

五、对教材实验的再改进

笔者利用塑料瓶对实验进行了改进，实验报告记录如下：

实验中大理石与稀盐酸反应气泡产生现象明显，且反应前后质量几乎不变。该实验较好地诠释了质量守恒定律也适用于有气体参加的化学反应这一事实。

实验装置图　实验药品　实验现象　实验数据记录三粒中等大小大理石m（反应前）=33.37g 1：3稀盐酸5mL　m（反应后）=33.36g产生大量气泡，并伴有“嘶嘶”声，半分钟后打开瓶盖质量减少了0.1g

六、结束语

教材的演示实验都是较经典、数据重现性较好的实验，但往往很多初中化学教师花在准备实验上的时间较多。新课程标准十分重视实验教学和实验探究，如果演示实验能够实现操作简单、药品和仪器易得、数据复现性好，那无疑为众多一线初中化学教师节约了大量准备实验的时间，使得教学实现减负增效。

笔者此次由于实验室条件所限选用了大理石代替石灰石完成了上述实验的探究与改进，不当之处请同行不吝批评指正。

参考文献

［1］王祖浩.义务教育教科书沪教版九年级化学（上册）［M］.上海：上海教育出版社，2012

［2］李德前.碳酸钙与盐酸反应前后质量的测定实验改进［J］，化学教育，2011，（10）：84～85

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.029

文章编号：1008-0546（2016）02-0088-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B