一個(gè)探究質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的追疑與改進(jìn)

徐敏

（蘇州高新區(qū)第一中學(xué)　江蘇蘇州　215011）

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一個(gè)探究質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的追疑與改進(jìn)

徐敏

（蘇州高新區(qū)第一中學(xué)江蘇蘇州215011）

摘要：探究有氣體生成的化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系是初中化學(xué)在質(zhì)量守恒定律教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，難點(diǎn)中氣體的收集和稱量是關(guān)鍵，2012版滬教版九年級(jí)義務(wù)教育教科書化學(xué)上冊中利用注射器擬實(shí)現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w的收集且預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中氣體產(chǎn)生的浮力可忽略不計(jì)。作者在設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)和誤差分析的基礎(chǔ)上對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了追疑與改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律；追疑；改進(jìn)

一、教材實(shí)驗(yàn)回顧

1.白磷燃燒測定質(zhì)量

2003版滬教版義務(wù)教育教科書九年級(jí)化學(xué)上冊采用在密閉容器內(nèi)白磷燃燒的實(shí)驗(yàn)，對(duì)有氣體參加的化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量進(jìn)行測定。

圖1

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)白磷在錐形瓶內(nèi)燃燒形成大量白煙，氣球變大后又逐漸變小。該實(shí)驗(yàn)最終天平平衡但仍存在以下不足：

（1）白磷劇毒，用剩的藥品必須及時(shí)回收處理；

（2）氣球膨脹過程中的浮力不能忽略，天平的示數(shù)值有波動(dòng)。

2.石灰石與稀鹽酸反應(yīng)測定質(zhì)量

滬教版義務(wù)教育教科書九年級(jí)化學(xué)上冊P.102上有關(guān)于石灰石與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量關(guān)系探究的實(shí)驗(yàn)，其目的旨在引導(dǎo)學(xué)生探究有氣體生成的化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系。通過有目的的實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)教師將使學(xué)生注意到：研究有氣體參加或生成的化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系時(shí)應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)且有時(shí)需要考慮氣體產(chǎn)生的浮力問題。教材以學(xué)生熟悉的石灰石與稀鹽酸的化學(xué)反應(yīng)為切入點(diǎn)，減少了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的生僻感，無論是學(xué)生實(shí)驗(yàn)還是教師演示實(shí)驗(yàn)，都能起到較好的教學(xué)效果。

新教材修訂前該實(shí)驗(yàn)利用石灰水吸收二氧化碳以避免在密閉容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致橡皮塞沖出的現(xiàn)象。

圖2

這樣的設(shè)計(jì)顯然存在不足：既然實(shí)驗(yàn)的目的是研究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系，若同時(shí)存在兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果只能說明兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量相等，而不能說明其中包含的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量都相等。因此探究化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系應(yīng)以一個(gè)化學(xué)反應(yīng)為研究對(duì)象。

三、2012年教材修訂對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2011年教育部頒布義務(wù)教育化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)，滬教版教材也對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改用注射器緩沖二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生的壓強(qiáng)并使得氣體產(chǎn)生的浮力可以忽略不計(jì)。筆者在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)仍存在諸多不足之處：

（1）藥品的用量問題

實(shí)驗(yàn)時(shí)必須控制藥品的用量，否則橡皮塞極易彈出，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測定。筆者為證明藥品用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，按如圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)報(bào)告（表1）：

通常情況下每產(chǎn)生0.1g二氧化碳的體積約為50mL，實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成錐形瓶內(nèi)氣泡產(chǎn)生現(xiàn)象不明顯，注射器活塞卻較快置頂，極易導(dǎo)致橡皮塞彈出。若改用濃度較大的稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，錐形瓶內(nèi)氣泡產(chǎn)生現(xiàn)象明顯，但注射器活塞很快置頂，未稱量完畢橡皮塞已彈出。

稀鹽酸實(shí)驗(yàn)裝置圖　儀器規(guī)格　藥品用量　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象150mL錐形瓶　三粒中等大小的大理石　錐形瓶內(nèi)產(chǎn)生極少氣泡，注射器活塞上升較快，半分鐘內(nèi)活塞置頂50mL注射器　1:5稀鹽酸5mL大理石

（2）注射器的量程問題

實(shí)驗(yàn)選用注射器量程需在50mL以上，否則在稱量完成前橡皮塞已彈出。

針對(duì)該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生二氧化碳量少卻體積大的情況，筆者先后選用10mL、20mL和50mL注射器用同樣的大理石與等體積等濃度的稀鹽酸分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：

利用注射器完成該實(shí)驗(yàn)，注射器的體積需在50mL以上，這樣便造成錐形瓶體積小注射器體積大，整套裝置頭重腳輕，也給稱量帶來不便。

選用注射器規(guī)格　10mL　20mL　50mL實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象　5s內(nèi)活塞置頂，橡皮塞彈出　10s內(nèi)活塞置頂，橡皮塞彈出　半分鐘內(nèi)活塞置頂，橡皮塞彈出

四、對(duì)改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的追疑

即使?jié)M足以上兩個(gè)條件，筆者在實(shí)驗(yàn)過程中依然發(fā)現(xiàn)稱量前后的數(shù)據(jù)存在偏差，為證明實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的浮力不能忽略，筆者改用1：3的稀鹽酸5mL與三粒中等大小的大理石利用不同的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行反應(yīng)，在相同時(shí)間內(nèi)稱量反應(yīng)前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

實(shí)驗(yàn)裝置圖稀鹽酸大理石稀鹽酸大理石稀鹽酸　　氣球大理石m(反應(yīng)前)/g　60.55　78.94　121.06 m(反應(yīng)后)/g　60.47　78.89　120.97 m(反應(yīng)前)-m(反應(yīng)后)/g 　0.08　0.05　0.09誤差允許范圍　電子天平200g/0.01g，誤差范圍正負(fù)0.03g以內(nèi)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用50mL注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，二氧化碳?xì)怏w排開空氣的體積已經(jīng)較大，若選用精度為0.01g的電子天平，產(chǎn)生的浮力將不能被忽略。教材選用精度為0.1g的托盤天平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浮力值的變化在誤差范圍內(nèi)，使得天平在反應(yīng)前后保持平衡。

結(jié)論是：選用注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氣體在生成過程中依然會(huì)產(chǎn)生浮力，只是在一定的稱量精度范圍內(nèi)該浮力值可以忽略不計(jì)。另外筆者發(fā)現(xiàn)選用上述儀器和藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注射器活塞每上升10mL，稱量值會(huì)變化0.01g，因此控制藥品的用量便成為該實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。

利用注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅要控制藥品的用量，實(shí)驗(yàn)前還需做足準(zhǔn)備，以保證注射器在稱量時(shí)間內(nèi)不置頂，而且天平的示數(shù)不會(huì)變化。

基于上述原因筆者與同仁探討，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)又進(jìn)行了再次改進(jìn)。

五、對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

筆者利用塑料瓶對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄如下：

實(shí)驗(yàn)中大理石與稀鹽酸反應(yīng)氣泡產(chǎn)生現(xiàn)象明顯，且反應(yīng)前后質(zhì)量幾乎不變。該實(shí)驗(yàn)較好地詮釋了質(zhì)量守恒定律也適用于有氣體參加的化學(xué)反應(yīng)這一事實(shí)。

實(shí)驗(yàn)裝置圖　實(shí)驗(yàn)藥品　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄三粒中等大小大理石m（反應(yīng)前）=33.37g 1：3稀鹽酸5mL　m（反應(yīng)后）=33.36g產(chǎn)生大量氣泡，并伴有“嘶嘶”聲，半分鐘后打開瓶蓋質(zhì)量減少了0.1g

六、結(jié)束語

教材的演示實(shí)驗(yàn)都是較經(jīng)典、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好的實(shí)驗(yàn)，但往往很多初中化學(xué)教師花在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)上的時(shí)間較多。新課程標(biāo)準(zhǔn)十分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)探究，如果演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)操作簡單、藥品和儀器易得、數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性好，那無疑為眾多一線初中化學(xué)教師節(jié)約了大量準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，使得教學(xué)實(shí)現(xiàn)減負(fù)增效。

筆者此次由于實(shí)驗(yàn)室條件所限選用了大理石代替石灰石完成了上述實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn)，不當(dāng)之處請同行不吝批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

［1］王祖浩.義務(wù)教育教科書滬教版九年級(jí)化學(xué)（上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2012

［2］李德前.碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］，化學(xué)教育，2011，（10）：84～85

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.029

文章編號(hào)：1008-0546（2016）02-0088-02

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B