例談氣球在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用

摘要：審視2012年的若干個版本初中化學(xué)教科書中利用氣球設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例歸納出氣球在實(shí)驗(yàn)中的主要作用有緩解壓強(qiáng)差、形成封閉體系、收集未反應(yīng)完或生成的氣體、驗(yàn)證氣體密度大小等，分析了氣球應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的“妥”與“不妥”，并指出化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)注重簡易性、實(shí)用性、真實(shí)性。

關(guān)鍵詞：氣球；封閉體系；實(shí)驗(yàn)裝置；實(shí)驗(yàn)探究；化學(xué)教科書

文章編號：1005–6629（2017）4–0071–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

氣球在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往擔(dān)當(dāng)收集尾氣、驗(yàn)證氣體密度、驗(yàn)證物質(zhì)之間化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生等作用[1，2]。讓學(xué)生體驗(yàn)氣球在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用，可激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)知識的興趣和動力。通過研究發(fā)現(xiàn)，若氣球使用不當(dāng)，也會給學(xué)生帶來一些錯誤的認(rèn)識，加深學(xué)生的迷思概念。梳理依據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》修訂的若干個版本初中化學(xué)教科書中利用氣球設(shè)計(jì)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從以下幾個方面分析在實(shí)驗(yàn)中使用的“妥”與“不妥”，以期重新審視氣球在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的作用。

1 用做緩沖裝置，緩解壓強(qiáng)差

2012年魯教版初中化學(xué)教科書[3]在第四單元第一節(jié)“空氣的成分”的“實(shí)驗(yàn)探究”中采用加熱銅粉方案測定空氣中氧氣含量，設(shè)計(jì)了圖1的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)操作：在具支試管中裝入銅粉，塞上橡膠塞，用小氣球密封試管的支管口。移動注射器活塞，在注射器中留下一定體積的氣體，記錄體積后插入橡膠塞中。用酒精燈在銅粉部位加熱，加熱時(shí)不斷推拉注射器。停止加熱后，待試管冷卻至室溫，將氣球內(nèi)的氣體全部擠入注射器內(nèi)。待注射器活塞穩(wěn)定后，記錄注射器中氣體的體積，從而測定空氣中氧氣的含量。

筆者認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的“氣球”存在如下“不妥”：（1）在反復(fù)推拉注射器活塞時(shí)，氣球與具支試管的支管接口處很容易漏氣，且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，得將氣球中的氣體趕回試管，該操作需要用手操作，稍有不慎，氣球就容易漏氣，甚至脫落；（2）使用氣球作為緩沖裝置，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，氣體在裝置中流通不順暢，且熱的空氣不易被擠回試管內(nèi)，使氧氣與銅粉難以充分反應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能達(dá)到18.0%左右。

因此，在尊重原實(shí)驗(yàn)的前提下對該實(shí)驗(yàn)的裝置和操作流程進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，如圖2、圖3所示。通過交替推拉2支注射器活塞，使空氣在2支注射器、具支試管（或大試管）和氣球間來回傳送，避免了使用氣球的操作不便和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更接近真實(shí)值。相應(yīng)成果發(fā)表在《化學(xué)教育》2013年第11期上[4]。教科書在2014年再版時(shí)，對該裝置又進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示。該裝置相對于2012年版的裝置而言，氣球置于玻璃管的尾部，能讓空氣更易流通，節(jié)約了反應(yīng)的時(shí)間，但依然沒有解決“氣球”存在的上述問題，測得的氧氣的體積分?jǐn)?shù)誤差依然較大。

2 用于形成封閉體系，驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律

2012年科粵版初中化學(xué)教科書[5]在第4章4.3“質(zhì)量守恒定律”的“探究活動”中設(shè)計(jì)了兩個對比實(shí)驗(yàn)：“[實(shí)驗(yàn)4-7]錐形瓶瓶塞中插入玻璃管與大氣相通。往錐形瓶里的小塊石灰石滴入吸在滴管里的稀鹽酸，反應(yīng)前后稱量作比較”；“[實(shí)驗(yàn)4-8]往錐形瓶瓶塞里的玻璃管上縛緊氣球。稱量后往瓶內(nèi)的石灰石小塊滴入吸在滴管里的稀鹽酸，反應(yīng)前后稱量作比較”。[實(shí)驗(yàn)4-7]中的天平不平衡，通過測定敞開體系中化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化情況，讓學(xué)生思考：表面上似乎不符合質(zhì)量守恒定律的原因是什么？可采取什么措施使天平平衡？接著設(shè)計(jì)出[實(shí)驗(yàn)4-8]，讓學(xué)生在探究的基礎(chǔ)上，通過比較、判斷，不斷揭示矛盾和解決矛盾，從而能夠透過不同情況下測定結(jié)果的表象，更為深刻地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化情況，故采用有氣體產(chǎn)生（或參與）的化學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律，必須要在密閉裝置中進(jìn)行。事實(shí)上，[實(shí)驗(yàn)4-8]使用這樣的密閉裝置，真的能保證反應(yīng)前后所稱的質(zhì)量相等嗎？

且看筆者設(shè)計(jì)的如下實(shí)驗(yàn)：在4個錐形瓶中分別加入足量的稀鹽酸，用電子天平（精確至0.01g）分別稱取反應(yīng)前4個氣球的質(zhì)量，將不同質(zhì)量的碳酸鈉粉末分別放入4個氣球中，再稱重。將氣球套在錐形瓶口并用皮筋扎緊，將4個反應(yīng)體系放在4臺電子天平上稱量，記下反應(yīng)前電子天平的示數(shù)，再將氣球中的藥品全部倒入稀鹽酸中，氣球迅速漲大，待反應(yīng)結(jié)束，再次記下電子天平的示數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

分析相關(guān)數(shù)據(jù)可知，氣球的浮力是真實(shí)存在的，也是導(dǎo)致反應(yīng)后第2次稱量值變小的直接原因。第4個實(shí)驗(yàn)因?yàn)楫a(chǎn)生的氣體太多而漏氣，但也沒有影響最終的結(jié)果，也進(jìn)一步說明氣球收集氣體的能力也是有限的，超出其限度，將會“罷工”。因此，筆者認(rèn)為，不能利用托盤天平靈敏度不好的特點(diǎn)而忽略氣體浮力的存在。科粵版初中化學(xué)教科書中的該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)精神和態(tài)度，將會對學(xué)生造成不利影響，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是不妥的，建議教科書的設(shè)計(jì)者對該實(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2016年孝感市的中考化學(xué)試題的命制者則關(guān)注到這個問題。指出該實(shí)驗(yàn)中碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳，二氧化碳充滿氣球，使整個裝置所受空氣浮力增大，因此反應(yīng)后天平不能平衡。

相比之下，2012年人教版[6]初中化學(xué)教科書在“第五單元課題1質(zhì)量守恒定律”的“探究”中采用燃燒紅磷的方法驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律，裝置如圖5所示，也是用氣球密封裝置并緩沖氣壓，這個裝置的設(shè)計(jì)就顯得嚴(yán)謹(jǐn)?shù)枚?！反?yīng)前裝置中氣體的壓強(qiáng)與外界的大氣壓強(qiáng)相等，紅磷燃燒，有大量白煙，放出大量的熱！由于兩者的共同作用，裝置內(nèi)壓強(qiáng)增大，氣球脹大，但反應(yīng)結(jié)束，紅磷燃燒消耗了密閉體系中的氧氣，待裝置冷卻至室溫，密閉體系中氣體壓強(qiáng)小于外界大氣壓強(qiáng)，在大氣壓的作用下氣球又變癟。

3 用作收集未反應(yīng)完或生成的氣體

2012年魯教版初中化學(xué)教科書[7]在實(shí)驗(yàn)室煉鐵的實(shí)驗(yàn)裝置中，采用導(dǎo)管末端連接氣球的方法來收集未反應(yīng)完的一氧化碳?xì)怏w，裝置如圖6所示。該設(shè)計(jì)明顯有些“不妥”之處：氣球收集的氣體有限，隨著收集的氣體增多，內(nèi)部壓強(qiáng)會激增，若反應(yīng)的時(shí)間過長，可能也會“罷工”。同時(shí)，不可否認(rèn)的是，收得的氣體后期處理也是比較麻煩的。因此，2015年再版時(shí)，則更換成如圖7所示的裝置，對未反應(yīng)完的一氧化碳?xì)怏w一燒了之，顯得很干脆，既消除了有毒氣體一氧化碳，又免除了后期處理的麻煩。

4 驗(yàn)證氣體密度大小

一線教師利用氣球的“浮”驗(yàn)證二氧化碳的密度比空氣的密度大（圖8），氣球內(nèi)充入空氣，再將一集氣瓶中的二氧化碳傾倒入大燒杯中，會發(fā)現(xiàn)氣球會浮上來，從而得出二氧化碳的密度比空氣的密度大的結(jié)論。但筆者認(rèn)為，此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡易性、實(shí)用性都不強(qiáng)，氣球充氣后，需要迅速用細(xì)線扎緊，扎線過程中容易漏氣，若充入的空氣不足量，氣球也不一定能浮起來。還不如采用傾倒二氧化碳使高低不同的蠟燭依次熄滅的“階梯實(shí)驗(yàn)”更有價(jià)值。通過傾倒二氧化碳不但證明其密度大小，還可證明二氧化碳既不能燃燒也不能支持燃燒的性質(zhì)，可謂一舉多得。

氣球雖有其在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的獨(dú)到之處，但若使用不當(dāng)，可能會帶來適得其反的效果。教學(xué)即研究，在課時(shí)緊張的情況下，應(yīng)把探究的核心放在初中化學(xué)的核心知識和技能上，教師應(yīng)在充分遵循實(shí)用性、真實(shí)性的前提下，依據(jù)學(xué)生的興趣和科學(xué)態(tài)度、認(rèn)知水平和學(xué)科能力發(fā)展等各因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王榮橋.例析氣球在中考化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].教學(xué)與管理·中學(xué)版，2014，（2）：53～55.

[2]王榮橋.氣球在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用案例[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（7）：39～40.

[3]畢華林，盧巍.全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2012.：75

[4]胡巢生.“測定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教育，2013，（11）：77～78，80.

[5]江琳才.全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社；廣州：廣東教育出版社，2012：111～112.

[6]王晶，鄭長龍.全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級）（下冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：92～93.

[7]畢華林，盧巍.全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級）（下冊）[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2012：59.