“說(shuō)謊”的托盤(pán)天平

天平歷來(lái)象征著公平與正義，是人民法院標(biāo)志的重要組成部分。它在化學(xué)發(fā)展史上，也起到過(guò)至關(guān)重要的作用，其中最著名的就是拉瓦錫利用天平總結(jié)出質(zhì)量守恒定律，開(kāi)創(chuàng)了定量化學(xué)（即近代化學(xué)）時(shí)代。

滬教版初中化學(xué)第四章第二節(jié)，就是利用拉瓦錫的研究方法，通過(guò)托盤(pán)天平稱(chēng)量來(lái)講解質(zhì)量守恒定律的。但是涉及有氣體參與的化學(xué)反應(yīng)，一向正直的天平卻會(huì)“說(shuō)謊”。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，在教學(xué)中應(yīng)該補(bǔ)充探究實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)，剖析、理解天平“說(shuō)謊”的原因，以加深學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律的理解。

一、敞口體系，天平“說(shuō)謊”似是而非

敞口體系，由于忽視參與反應(yīng)的氣體，許多化學(xué)反應(yīng)好像不符合質(zhì)量守恒定律。教師在講解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，一般會(huì)舉“蠟燭燃燒，越燒越少”的例子，說(shuō)明沒(méi)考慮生成的水與二氧化碳的逸散。筆者認(rèn)為這里應(yīng)增加一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)（或?qū)W生實(shí)驗(yàn)）。如圖1：在一個(gè)紙槽（可用一次性紙水杯剪制）里放適量的石灰水（或氫氧化鈉溶液），中間直立一支蠟燭，連同一個(gè)可以罩住它的燒杯一起放在天平左盤(pán)，調(diào)節(jié)天平平衡后，取下左盤(pán)的裝置，點(diǎn)燃蠟燭，迅速用燒杯罩住，待蠟燭熄滅冷卻后，再放回左盤(pán)，天平保持平衡。這樣，不但考慮到生成的氣體，還考慮到參與反應(yīng)的氧氣，驗(yàn)證了質(zhì)量守恒定律的正確性，說(shuō)服力更強(qiáng)。

又如，鐵釘生銹后會(huì)變重，怎么說(shuō)明這種緩慢的氧化反應(yīng)也是符合質(zhì)量守恒定律的呢？筆者建議這里應(yīng)補(bǔ)充一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖2：用食鹽水潤(rùn)濕一支試管內(nèi)壁，里面沾上適量鐵粉（如用脫氧劑，效果更快），立即塞緊橡皮塞，放在天平左盤(pán)，調(diào)節(jié)天平平衡，然后取下，等到鐵粉變紅銹后，再稱(chēng)量，天平依然保持平衡。

雖然敞口體系的天平平衡問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，但是不可忽視這中間的德育教育：科學(xué)具有嚴(yán)密性，需要實(shí)踐檢驗(yàn)。通過(guò)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生明白，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，空口說(shuō)白話(huà)是站不住腳的。

二、密閉體系，天平“說(shuō)謊”浮力作怪

對(duì)于有氣體參與反應(yīng)的密閉體系，在驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律時(shí)，天平也會(huì)“說(shuō)謊”，形成了學(xué)生學(xué)習(xí)上的難點(diǎn)。如何突破難點(diǎn)？筆者認(rèn)為，應(yīng)該結(jié)合學(xué)生已有的物理知識(shí)，進(jìn)行體系局部的受力分析，找到“作怪”的浮力，理解天平“說(shuō)謊”的原因。

如圖3所示，在一個(gè)錐形瓶中加入適量稀硫酸，在錐形瓶口上套緊一只氣球，預(yù)先在氣球中裝入適量鎂粉，但不要與稀硫酸接觸。將這個(gè)裝置放在天平左盤(pán)上，調(diào)節(jié)天平平衡；然后將氣球中的鎂粉撒入稀硫酸中，充分反應(yīng)，待裝置冷卻后，將裝置放回左盤(pán)，天平會(huì)平衡嗎？先讓學(xué)生進(jìn)行猜想，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：天平指針向右偏轉(zhuǎn)。為什么質(zhì)量好像“不守恒”？這時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生觀察密閉體系的體積是否發(fā)生變化，讓學(xué)生自己找到氣球膨脹是體積變化的原因。由于體系的其他部分體積沒(méi)有變，在天平上稱(chēng)量時(shí)反應(yīng)前后受到的浮力是一致的，因此只需考慮氣球膨脹引起的浮力變化。如圖4進(jìn)行受力分析：

顯然：F支持是負(fù)數(shù)，天平當(dāng)然會(huì)向右傾斜。

但是，如果密閉體系不膨脹也不收縮，即V排=0，則F浮=0，那么天平肯定會(huì)平衡的。通過(guò)體系局部的受力分析，能很直觀地說(shuō)明天平“說(shuō)謊”的原因，從而進(jìn)一步驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的正確性。值得一提的是，筆者在日常教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)生有這樣的誤解，認(rèn)為氫氣的密度比空氣密度小，有浮力，但是二氧化碳的密度比空氣密度大，會(huì)“往下沉”，沒(méi)有浮力影響，這種錯(cuò)誤相當(dāng)普遍。對(duì)于這種典型的錯(cuò)誤應(yīng)該及時(shí)糾正，要向?qū)W生說(shuō)明，氣體的密度與空氣的密度只要在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，那么在稱(chēng)量時(shí)就會(huì)受到浮力的顯著影響，即稱(chēng)量的質(zhì)量是不準(zhǔn)確的。

在另外一種情況下，驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律時(shí)，天平也會(huì)“說(shuō)謊”。如圖5：在一個(gè)敞口的具支錐形瓶上套緊一只氣球，具支錐形瓶中充滿(mǎn)二氧化碳?xì)怏w，支管上用乳膠管連接一個(gè)裝滿(mǎn)氫氧化鈉溶液的注射器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先

將裝置放在天平左盤(pán)，調(diào)節(jié)天平平衡，然后取下裝置，將氫氧化鈉溶液注入具支錐形瓶中，充分振蕩，待反應(yīng)完全、冷卻后，重新放在天平左盤(pán)，結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)，天平向左傾斜。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？教師再做一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖6：將圖5裝置中的氣球改為一個(gè)橡皮塞，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果這次天平居然保持平衡了。

教師要不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖5中的裝置不但體積變化了，而且它的“密閉”也是假象，反應(yīng)發(fā)生后，外界空氣通過(guò)氣球進(jìn)入了體系中（如圖7），導(dǎo)致體系質(zhì)量增大，從而引起天平不平衡。

圖7

從上述幾個(gè)例子可以看出，化學(xué)學(xué)習(xí)中經(jīng)常會(huì)遇到一些異常情況，連天平都會(huì)“說(shuō)謊”。教師要及時(shí)地把握和利用學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)異常情況進(jìn)行分析、探究，甚至可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生只有通過(guò)自己努力，才會(huì)有更大的成就感。這樣，教師才真正做到“授之以漁”，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)他們的化學(xué)素養(yǎng)。

（責(zé)任編輯 羅 艷）