探究質(zhì)量守恒定律的實驗改進與創(chuàng)新

張激 陳婷鈺 曾婷

摘要：通過分析人教版九年級化學(xué)教材中探究質(zhì)量守恒定律的兩個實驗方案，提出教材方案存在的不足，進而介紹基于教材的實驗改進方案，以及實驗改進后的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律;實驗;改進;創(chuàng)新

文章編號：1008-0546（2020）01-0089-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.025

質(zhì)量守恒定律在學(xué)生變化觀的形成中起著承前啟后的作用，將實現(xiàn)學(xué)生對化學(xué)變化的認識從“質(zhì)”到“量”的突破。另外，本節(jié)內(nèi)容也為后續(xù)化學(xué)方程式的書寫和計算提供了理論依據(jù)。課程標準對質(zhì)量守恒定律的教學(xué)要求是“認識質(zhì)量守恒定律，能說明化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”，建議“通過實驗探究反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系”。

一、問題的提出

人教版九年級化學(xué)教材探究質(zhì)量守恒定律的實驗方案一“紅磷燃燒前后質(zhì)量的測定”，裝置如圖1所示。操作時將玻璃管的一端加熱后要準確地接觸到錐形瓶里的紅磷，同時橡膠塞又要剛好塞緊瓶口，使裝置密封，實際操作時經(jīng)常出現(xiàn)“白煙”泄漏，造成兩次稱量的質(zhì)量不相等。

教材中的方案二“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”，裝置如圖2所示，不僅希望學(xué)生觀察到“反應(yīng)前后總質(zhì)量不變”，還能觀察到“溶液由藍色變?yōu)闇\綠色，鐵釘表面有紅色物質(zhì)”。但事實上，由于鐵釘與硫酸銅溶液接觸不充分、硫酸銅溶液濃度不合適等原因，短時間內(nèi)甚至到一堂課結(jié)束都觀察不到溶液顏色的改變，給教學(xué)帶來了干擾。

教材中將碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定設(shè)計在開放體系中進行，反應(yīng)前后測定的質(zhì)量不相等，使學(xué)生形成認知沖突，這是引導(dǎo)學(xué)生自我構(gòu)建知識的絕佳素材，應(yīng)加以充分利用。

另外本節(jié)內(nèi)容所有實驗的質(zhì)量測定均使用托盤天平，托盤天平的使用如調(diào)平、加減砝碼、撥動游碼、讀數(shù)等耗費的時間相對較長，不利于提高課堂效率。

為解決上述問題，最大化發(fā)揮實驗價值，現(xiàn)提出以下實驗改進和創(chuàng)新方案。

二、實驗的改進

首先本節(jié)內(nèi)容所有實驗的重點是“質(zhì)量”，不是“測定”，所以可用精確度為0.1g的電子天平（如圖3）代替托盤天平，測定更方便、更準確，還節(jié)省寶貴的課堂時間。

1.火柴燃燒前后質(zhì)量的測定（如圖4所示）

（1）實驗用品和試劑

火柴、試管、燒杯、氣球、酒精燈、試管夾、電子天平

（2）實驗步驟

①在試管中放入一枚火柴，在試管口系牢一個小氣球，使裝置密封;

②將試管放入燒杯，將裝置放到電子天平上稱量，記錄質(zhì)量m1;

③加熱試管，引燃火柴;

④待試管冷卻后，再放入燒杯中，用電子天平稱量，記錄質(zhì)量m2。

（3）改進后的優(yōu)點

①用火柴燃燒代替紅磷燃燒，去繁就簡;

②裝置始終密閉，實驗成功率高;

③培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新意識。

2.鋼絲棉與硫酸銅溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定

該實驗的改進目的是提高反應(yīng)速率，一分鐘或兩分鐘內(nèi)就出現(xiàn)理想的現(xiàn)象，從而節(jié)省寶貴的課堂時間。反應(yīng)物鐵，用鋼絲棉（非常細的鐵絲，柔軟如棉，如圖5）代替鐵釘，可以使反應(yīng)物接觸面積增加到足夠大，進而明顯提高反應(yīng)速率。硫酸銅溶液的選擇，如果濃度過大，反應(yīng)后就有較多硫酸銅剩余，會使溶液仍然顯藍色。如果硫酸銅溶液濃度過小，溶液顏色太淺，也不易觀察到明顯的顏色變化。通過查閱文獻和實驗驗證，最終選用質(zhì)量分數(shù)為4%的硫酸銅溶液，為了更快地出現(xiàn)理想現(xiàn)象，還可以在4%的硫酸銅溶液中加入少量氯化鈉。實驗裝置及現(xiàn)象如圖6所示。

（1）實驗用品和試劑

鋼絲棉、質(zhì)量分數(shù)4%的硫酸銅溶液、試管、橡膠塞、燒杯、電子天平

（2）實驗步驟

①在試管中加入適量硫酸銅溶液，塞好橡膠塞，觀察溶液的顏色;

②取適量鋼絲棉，輕輕擰成比試管稍長的條狀，便于反應(yīng)后將鋼絲棉提離液面，觀察鋼絲棉表面的變化以及溶液顏色的變化。鋼絲棉浸入硫酸銅溶液的一端稍大，以增加反應(yīng)物的量（這步可由教師課前準備，以節(jié)省課堂時間）;

③稱量反應(yīng)前儀器、藥品的總質(zhì)量，記錄質(zhì)量m1;

④將鋼絲棉浸入硫酸銅溶液中，塞好橡膠塞，觀察現(xiàn)象。待反應(yīng)一段時間后，將鋼絲棉提離液面，觀察現(xiàn)象;

⑤待溶液顏色改變后，稱量反應(yīng)后儀器、藥品的總質(zhì)量，記錄質(zhì)量m2。

（3）改進后的優(yōu)點

①反應(yīng)速率快，實驗現(xiàn)象明顯;

②節(jié)約藥品。用試管代替錐形瓶，反應(yīng)物用量少，而且實驗結(jié)束后剪去下端參加反應(yīng)的鋼絲棉，上端可回收再利用。

3.碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定

稍作分析，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)后沒有稱量到二氧化碳的質(zhì)量，可順勢引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行改進與創(chuàng)新，設(shè)計密閉體系的實驗裝置。然后由學(xué)生對各小組設(shè)計的裝置進行評價、改進，最后選擇合理的裝置（如圖7），小組合作再次實驗。

（1）實驗用品和試劑

碳酸鈉粉末、稀鹽酸、錐形瓶、氣球、試管、單孔橡膠塞、注射器、礦泉水瓶、電子天平

（2）實驗步驟

①使用提供的實驗用品，設(shè)計一套實驗裝置，使反應(yīng)中的各物質(zhì)都能被稱量到;

②利用設(shè)計的裝置進行實驗，先稱量反應(yīng)前儀器、藥品的總質(zhì)量，記錄質(zhì)量m1;

③使反應(yīng)發(fā)生，觀察記錄實驗現(xiàn)象;

④稱量反應(yīng)后儀器、藥品的總質(zhì)量，記錄質(zhì)量m2;

⑤破壞密封體系，再稱量儀器、剩余藥品的總質(zhì)量，記錄質(zhì)量m3，分析數(shù)據(jù)變化的原因，得出結(jié)論。

（3）改進后的優(yōu)點

①便于學(xué)生意識到氣體對該實驗質(zhì)量測定的影響，進而深化對定律中“各物質(zhì)”與“質(zhì)量總和”兩個關(guān)鍵詞的理解;

②培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和實驗創(chuàng)新能力。

三、實驗教學(xué)反思

以上實驗內(nèi)容基于教材又不拘泥于教材。改進后的實驗，藥品用量少、耗時短、操作簡單、現(xiàn)象明顯，便于教師演示和學(xué)生分組實驗。學(xué)生在實驗中學(xué)會合作，面對“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見解，發(fā)展了學(xué)生“實驗探究與創(chuàng)新意識”的學(xué)科核心素養(yǎng)。