也探雞蛋在稀鹽酸溶液中的沉浮問題

黨文祥

[摘? ?要]雞蛋在稀鹽酸溶液中的沉浮，是一種很有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。雞蛋的沉浮過程涉及兩個(gè)重要參數(shù)：雞蛋沉底的時(shí)間長短;雞蛋自動(dòng)下沉的次數(shù)多少。通過對比性實(shí)驗(yàn)探究和分析歸納得出：雞蛋沉浮與鹽酸濃度和溫度有關(guān)。（1）溫度相同，濃度較大時(shí)，雞蛋沉底的時(shí)間較短，自動(dòng)下沉的次數(shù)較少。（2）濃度相同，溫度較高時(shí)，雞蛋沉底的時(shí)間較短，自動(dòng)下沉的次數(shù)較少。雞蛋沉浮的本質(zhì)是由密度決定的。當(dāng)雞蛋與溶液的密度大小出現(xiàn)交替變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生自動(dòng)沉浮現(xiàn)象。文章大致確定了與溫度相對應(yīng)的濃度參考值，舉例說明了參考值在實(shí)際應(yīng)用中的靈活處理方法，使雞蛋的沉浮實(shí)驗(yàn)得到了推廣。

[關(guān)鍵詞]雞蛋沉浮;密度關(guān)系;濃度大小;溫度高低

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）26-0076-04

義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級(jí)下冊（上海教育出版社2017年第二版）第67頁習(xí)題：將一個(gè)雞蛋放入水中，雞蛋沉入水底。加入適量濃鹽酸后，雞蛋會(huì)出現(xiàn)上浮、下沉、再上浮、再下沉的現(xiàn)象，反復(fù)多次?！没瘜W(xué)和物理知識(shí)解釋雞蛋上浮、下沉多次的原因。

該習(xí)題有三個(gè)特點(diǎn)：（1）呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)情境。讀完文字內(nèi)容，看著實(shí)驗(yàn)圖形，讀者似乎看到了雞蛋上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。（2）富有趣味性。雞蛋在溶液中上下沉浮的現(xiàn)象，對學(xué)生有強(qiáng)烈的吸引力和神奇感。（3）設(shè)置了問題情境。學(xué)生在很感興趣的情況下，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的求知欲，在這樣的時(shí)刻，依此情境提出幾個(gè)關(guān)鍵性的問題，學(xué)生的注意力高度集中，對問題的分析和解決更加投入，其結(jié)果更為理想。

然而，教材對此內(nèi)容并未按照必做實(shí)驗(yàn)來要求，只當(dāng)作習(xí)題問題來對待，因此做此實(shí)驗(yàn)的人很少。同時(shí)，由于內(nèi)容敘述模糊，使操作者對實(shí)驗(yàn)的操作很盲目、很被動(dòng)，很少有人能達(dá)到滿意的結(jié)果。有關(guān)資料[1-3]對此問題進(jìn)行了探究，但其結(jié)果都不盡如人意，其原因都是沒有掌握該實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和規(guī)律。

那么，雞蛋的沉浮實(shí)驗(yàn)有什么特點(diǎn)和規(guī)律呢？

一、實(shí)驗(yàn)探究

雞蛋的沉浮實(shí)驗(yàn)的影響因素很多，為了實(shí)驗(yàn)的公平性，本文對下列因素有統(tǒng)一的規(guī)定：（1）反應(yīng)容器用細(xì)長透明的玻璃或塑料水杯，也可以將透明塑料礦泉水瓶或飲料瓶截去上部，留下直圓筒形部分來使用（下面統(tǒng)稱水杯）。（2）水的種類不同，其密度也不同，例如海水、湖水、自來水、純凈水等，其密度有較大差別。本文中一律用水廠生產(chǎn)的純凈水（pH=6～7，分別加入AgNO3和BaCl2溶液不變渾濁，硬度小于0.1 mmol·L-1）。（3）如果用水量大，將會(huì)造成鹽酸和水的浪費(fèi)，因此，溶液的體積以250 mL為準(zhǔn)。（4）x∶250既表示鹽酸溶液的濃度，又表示濃鹽酸與水的體積比。（5）配制溶液時(shí)，向燒杯中依次先后加入水和濃鹽酸后，要充分?jǐn)嚢瑁駝t濃度不均勻，雞蛋表面生成氣泡的快慢、多少不均勻，會(huì)使雞蛋不斷發(fā)生翻轉(zhuǎn)，釋放更多的氣泡，在很大程度上影響雞蛋的沉浮。（6）都用新鮮雞蛋。

1.濃度因素

【實(shí)驗(yàn)1】（1）取3個(gè)細(xì)長水杯，編為1∽3號(hào)。向其中各加入溫度為12 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液，充分?jǐn)嚢韬螅瑑A斜水杯，小心地各放入1個(gè)雞蛋，直立靜置（下同）。（2）取3個(gè)細(xì)長水杯，編為1∽3號(hào)。向其中各加入溫度為12 ℃、濃度為11︰250的鹽酸溶液，充分?jǐn)嚢韬蟾鞣湃?個(gè)雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底時(shí)間（即雞蛋從放入溶液到第1次開始上浮的時(shí)間）和自動(dòng)下沉的情況，將記錄結(jié)果列于表1中。

【實(shí)驗(yàn)2】（1）取3個(gè)細(xì)長的水杯，編為1∽3號(hào)。向其中各加入溫度為24 ℃、濃度為7︰250的鹽酸溶液，充分?jǐn)嚢韬蟾鞣湃?個(gè)雞蛋。（2）取3個(gè)細(xì)長水杯，編為1∽3號(hào)。向其中各加入溫度為24 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液，充分?jǐn)嚢韬蟾鞣湃?個(gè)雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底的時(shí)間和自動(dòng)下沉的情況，將記錄結(jié)果列于表2中。

從表1和表2可以看出雞蛋沉浮的變化規(guī)律：溫度相同，但濃度不同時(shí)，雞蛋的沉浮情況不同。濃度較大時(shí)，雞蛋沉底時(shí)間較短，自沉次數(shù)較少;反之，濃度較小時(shí)，雞蛋沉底時(shí)間較長，自沉次數(shù)較多。

2.溫度因素

【實(shí)驗(yàn)3】取3個(gè)細(xì)長水杯，編為1∽3號(hào)。向其中各加入水溫為18 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液。充分振蕩后各放入1個(gè)雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底的時(shí)間和自動(dòng)下沉的情況，將記錄結(jié)果連同實(shí)驗(yàn)1（1）、實(shí)驗(yàn)2（2）列于表3中。

從表3的實(shí)驗(yàn)1（1）、實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)2（2）的比較可以看出雞蛋沉浮的變化規(guī)律：濃度相同，但溫度不同時(shí)，雞蛋的沉浮情況不同。溫度較高時(shí)，雞蛋沉底時(shí)間較短，自沉次數(shù)較少;反之，溫度較低時(shí)，雞蛋沉底時(shí)間較長，自沉次數(shù)較多。當(dāng)溫度相對較高同時(shí)濃度相對較大時(shí)，沉底時(shí)間更短，自沉次數(shù)更少。

表1、表2、表3所反映出的情況中，雖然因雞蛋個(gè)體品質(zhì)的差別，使得條件相同情況下的沉底時(shí)間和自沉情況差別較大，但從宏觀上仍然能反映出沉底時(shí)間和自沉次數(shù)的總體變化規(guī)律。

二、 問題分析

1.雞蛋沉浮與密度的關(guān)系

雞蛋為什么會(huì)沉?。?/p>

雞蛋的沉浮是由雞蛋本身的重力F重與其所受的浮力F浮之間的大小關(guān)系決定的。當(dāng)F重>F浮時(shí)，雞蛋就會(huì)下沉;當(dāng)F重<F浮時(shí)，雞蛋就會(huì)上浮;當(dāng)F重>F浮時(shí)，雞蛋就會(huì)漂浮或懸浮。

F重=m蛋g=[ρ]蛋[V]蛋g，F(xiàn)浮=m液g=[ρ]液[V]液g=[ρ]液V蛋g。當(dāng)F重=F浮時(shí)，[ρ]蛋[V]蛋g= [ρ]液[V]蛋g，故有[ρ]蛋= [ρ]液。同理，當(dāng)F重>F浮時(shí)，[ρ]蛋> [ρ]液，當(dāng)F重< F浮時(shí)，[ρ]蛋< [ρ]液。

也就是說，[ρ]蛋> [ρ]液時(shí)，雞蛋下沉，[ρ]蛋< [ρ]液時(shí)，雞蛋上浮。即雞蛋的沉浮，本質(zhì)上是由雞蛋與溶液的密度大小關(guān)系所決定的。

2.影響密度的因素

雞蛋剛放入溶液中時(shí)，[ρ]蛋> [ρ]液，故其沉入底部，在溶液中發(fā)生反應(yīng)：CaCO3+2H+=Ca2++CO2↑+H2O。對于溶液來說，蛋殼中的Ca2+進(jìn)入溶液，會(huì)使[ρ]液增大，Cl-等滲入雞蛋內(nèi)會(huì)使[ρ]液減小。對于雞蛋來說，蛋殼中的Ca2+進(jìn)入溶液、CO2氣體脫離雞蛋放出，會(huì)使[ρ]蛋減小，水的浸濕、Cl-等的滲入，會(huì)使[ρ]蛋增大。開始時(shí)，H+濃度最大，雞蛋與溶液接觸程度最大，因此反應(yīng)最快，Cl-等的滲入也最快。隨著反應(yīng)的發(fā)生，雞蛋表面覆蓋的氣泡會(huì)阻止蛋殼和溶液接觸，而滲入的Cl-進(jìn)入蛋清中會(huì)使蛋白質(zhì)發(fā)生鹽析，形成的固體會(huì)阻止Cl-等的繼續(xù)滲入。因此，反應(yīng)的進(jìn)行和其他各種變化，會(huì)隨著時(shí)間的推進(jìn)而變慢。由此可知，由質(zhì)量引起的密度變化，對于[ρ]蛋和[ρ]液都是相互消減的，而且都存在逐漸減弱的趨勢。

反應(yīng)過程中生成大量的CO2形成氣泡，覆蓋在雞蛋表面，使其體積增大，密度減小。因此，氣泡附著使雞蛋密度減小，對其上浮起著決定性作用，而溶液密度增大所起的作用是很小的。

3.雞蛋上浮后的密度變化

雞蛋上浮后，密度的變化受多種因素的影響。

（1）沉在底部的雞蛋，其表面的氣泡受到上部液體產(chǎn)生的壓力，使氣泡的體積相對較小。隨著雞蛋的上浮，液體對氣泡的壓力減小，氣泡脹大，使雞蛋的體積增大、密度減小。

（2）因雞蛋體積增大，有少量氣泡會(huì)與雞蛋的中心距離增大，附著作用減小，從而脫離表面而釋放，使雞蛋的體積減小、密度增大。

（3）雞蛋上浮后，因勢能增大，使其形成了下沉的趨勢。一方面：①溶液對雞蛋下沉有阻尼作用;②從向上變?yōu)橄蛳逻\(yùn)動(dòng)時(shí)，處于“上拋”的最高點(diǎn)，速度在零及零附近變化。這就使雞蛋在上部會(huì)停留一定的時(shí)間（一般小于2分鐘），使雞蛋的下沉趨勢得到一定程度的緩沖，將此時(shí)間叫作緩沖時(shí)間。稀溶液中緩沖時(shí)間較短，濃溶液中緩沖時(shí)間較長。另一方面，在緩沖時(shí)間內(nèi)，CaCO3與鹽酸的反應(yīng)仍在進(jìn)行，生成的氣泡又會(huì)在雞蛋的表面附著，使體積增大。

多種因素共同作用的結(jié)果，決定了[ρ]蛋與[ρ]液的大小關(guān)系，進(jìn)而決定了雞蛋的沉浮。

如果[ρ]蛋 ≤ [ρ]液，雞蛋就不會(huì)再下沉了。

如果[ρ]蛋 > [ρ]液，雞蛋又開始下沉，片刻后又會(huì)上浮，如此循環(huán)往復(fù)。

4.濃度、溫度對雞蛋沉浮的影響

（1）濃度對雞蛋沉浮的影響

①在稀溶液中，反應(yīng)慢，氣泡附著慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液變?yōu)閇ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需時(shí)間長。因此，雞蛋沉底的時(shí)間較長。

而濃度較大的溶液中則相反，雞蛋沉底的時(shí)間較短。

②雞蛋上浮后，濃度小的溶液一是反應(yīng)慢，氣泡附著慢;二是對雞蛋下沉的阻尼作用小，緩沖作用小，緩沖時(shí)間短。再與其他因素綜合作用的結(jié)果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次數(shù)多，使雞蛋沉浮循環(huán)的次數(shù)多。

而上浮后，在濃度相對較大的溶液中則相反，即形成[ρ]蛋>[ρ]液的次數(shù)較少，雞蛋沉浮循環(huán)的次數(shù)較少。

（2） 溫度對雞蛋沉浮的影響

①雞蛋剛放入溶液中時(shí)，溫度低的溶液反應(yīng)慢，氣泡附著慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液變?yōu)閇ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需的時(shí)間較長。因此，雞蛋沉底時(shí)間較長。

而溫度較高的溶液中則相反，雞蛋沉底時(shí)間較短。

②雞蛋上浮后，溫度較低的溶液中，因反應(yīng)慢，氣泡附著慢，再與其他因素綜合作用的結(jié)果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次數(shù)較多，使雞蛋沉浮循環(huán)的次數(shù)較多。

而在溫度較高的溶液中則相反，即形成[ρ]蛋> [ρ]液的次數(shù)少，雞蛋沉浮循環(huán)的次數(shù)少。

不論哪種情況，能沉浮循環(huán)的雞蛋，不論次數(shù)多少，最終都會(huì)浮于上部而不再下沉。但當(dāng)?shù)皻ね耆Ш螅ㄐ枰獢?shù)天時(shí)間），不再有氣泡的生成和附著，雞蛋又會(huì)沉回底部。

三、應(yīng)用推廣

1.關(guān)于實(shí)驗(yàn)效果

由上述實(shí)驗(yàn)可知，凡沉底時(shí)間短的雞蛋，其自沉次數(shù)少;凡沉底時(shí)間長的雞蛋，其自沉次數(shù)多。因此，要在短時(shí)間（幾分鐘）內(nèi)得到自沉次數(shù)多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不可能的。

（1）雞蛋上浮后能自然下沉，而且反復(fù)多次的，其效果最為理想。

（2）雞蛋上浮后，其頂部稍有外露或一般在2分鐘內(nèi)不能下沉的，則標(biāo)志著不能再自動(dòng)下沉了。對此，可以扭動(dòng)使其下沉：在杯底不離桌面的情況下，用手按住杯身，繞著水杯的中心線稍快地扭轉(zhuǎn)約60°角，雞蛋便因有氣泡放出而下沉（這種情況下，再上浮后不會(huì)再自沉，因此，不要再等待了，應(yīng)及時(shí)扭動(dòng)使其下沉）。這樣，仍然可以得到雞蛋沉浮的循環(huán)往復(fù)。但因其下沉的原因是人工扭動(dòng)操作，會(huì)讓人覺得其效果不比自動(dòng)下沉的滿意。

而怎樣的實(shí)驗(yàn)效果最好，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但可以根據(jù)人們的需要，從沉底時(shí)間長短和自動(dòng)下沉次數(shù)的多少兩個(gè)方向來選擇。要在短時(shí)間內(nèi)看到雞蛋的沉浮，可以選擇濃度相對較大的溶液，其效果較好，但其下沉需要扭動(dòng)操作。如果側(cè)重于觀賞雞蛋的自動(dòng)沉浮，可以選擇濃度相對較小的溶液，其效果較好，但雞蛋的沉底時(shí)間相對較長。

2.實(shí)際應(yīng)用中溶液濃度的取值問題

由實(shí)驗(yàn)可知，雞蛋的沉浮不僅與濃度有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，即實(shí)驗(yàn)中所需溶液的濃度是不固定的，是隨溫度的變化而變化的。因此，不能只用某種固定濃度的溶液在任意溫度下去做實(shí)驗(yàn)。那么，在具體的應(yīng)用中，濃度應(yīng)該怎樣隨溫度取值呢？

（1） 參考值的確定

上述實(shí)驗(yàn)探測了幾個(gè)不同溫度值對應(yīng)的雞蛋沉浮情況。12 ℃、18 ℃、24 ℃依次相差6 ℃，把這些溫度值叫作溫度節(jié)點(diǎn)。把12 ℃、18 ℃、24 ℃的實(shí)驗(yàn)中，雞蛋自動(dòng)下沉2次以上（不取平均次數(shù)最大或最小的）的實(shí)驗(yàn)列舉出來，列于表4中。

將這些溫度節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的濃度叫作節(jié)點(diǎn)參考值。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)參考值只是人為的選擇。由于雞蛋個(gè)體品質(zhì)差別較大，因此，以參考值做實(shí)驗(yàn)時(shí)，仍然具有很大的不確定性。例如，實(shí)驗(yàn)3 中得到3個(gè)雞蛋都自沉的結(jié)果，但如果在18 ℃、9︰250的條件下重做此實(shí)驗(yàn)，不一定能得到與實(shí)驗(yàn)3相同的結(jié)果。

（2） 應(yīng)用中濃度的取值方法

①對應(yīng)參考。在節(jié)點(diǎn)溫度做實(shí)驗(yàn)，就以表4中的濃度作為參考。例如，在水溫為18 ℃時(shí)做雞蛋沉浮的實(shí)驗(yàn)，就以9︰250的濃度作為參考值。若要使沉浮現(xiàn)象在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，就應(yīng)加大濃鹽酸的用量，以11︰250等濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對于雞蛋上浮后不能自沉的情況，通過扭動(dòng)操作使其下沉。若實(shí)驗(yàn)時(shí)間充裕，要觀賞雞蛋自動(dòng)沉浮現(xiàn)象，可以減小濃鹽酸用量，以7︰250或6︰250等濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

②折中參考。位于兩個(gè)相鄰溫度節(jié)點(diǎn)中間的溫度值，可以取兩個(gè)相鄰溫度節(jié)點(diǎn)對應(yīng)濃度的平均值。如12 ℃與18 ℃的中間溫度15 ℃，此溫度時(shí)以11︰250和9︰250的平均值10︰250為濃度參考值。若要使雞蛋上浮快，可以提高鹽酸的濃度，如以12︰250等濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。若要充分看到雞蛋的自沉現(xiàn)象，就以6︰250等濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同樣地，18 ℃與24 ℃的中間溫度21 ℃時(shí)，可以8︰250作為濃度參考值。

③就近參考。對于節(jié)點(diǎn)溫度及中間溫度之外的溫度，可以鄰近取值作為參考。11 ℃、13 ℃與節(jié)點(diǎn)溫度12 ℃相鄰，可取12 ℃的濃度參考值11︰250。14 ℃、16 ℃與中間溫度15 ℃相鄰，可取15 ℃的濃度參考值10︰250……23 ℃和25 ℃與24 ℃相鄰，可取24 ℃的濃度參考值7︰250。將這些溫度的關(guān)系列于表5中。

這樣，通過對應(yīng)、折中、就近參考的取值方法，使11～25 ℃范圍內(nèi)的每一個(gè)溫度值對應(yīng)的濃度都有大致合理的參考依據(jù)，提供了實(shí)驗(yàn)中通常涉及的各種溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的參考值。據(jù)此，可以有目的地、主動(dòng)地根據(jù)人為需要選取溶液濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

四、小結(jié)

（1）濃度、溫度對雞蛋沉浮的影響，本質(zhì)上是對密度的影響。

（2）雞蛋的沉浮是由密度大小決定的，而密度是變化的。溶液密度的變化是由質(zhì)量引起的微小增大;雞蛋密度的變化主要是氣泡附著而形成的密度減小。在雞蛋沉浮中，[ρ]蛋的減小起著決定性的作用。

（3）雞蛋在不同時(shí)段內(nèi)密度變化趨勢不同。在沉底時(shí)段密度逐漸減小。上浮后，如果密度持續(xù)減小，[ρ]蛋始終小于[ρ]液，雞蛋就不再下沉;如果[ρ]蛋與[ρ]液交替變化，雞蛋就會(huì)沉浮循環(huán)。

（4）只要是放入稀鹽酸中能沉底的雞蛋，都能夠上浮，只是時(shí)間長短不同。能上浮的雞蛋不論是自動(dòng)下沉還是扭動(dòng)下沉，都能夠使沉浮循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行，不會(huì) “失敗”。

（5）濃度參考值的確定，使雞蛋在鹽酸溶液中的沉浮實(shí)驗(yàn)得到了推廣。

雞蛋的沉浮實(shí)驗(yàn)，是激發(fā)和培養(yǎng)興趣的很好的教學(xué)資源，可以通過習(xí)題課、興趣活動(dòng)等加以實(shí)施和推廣。

由于雞蛋的沉浮與密度有關(guān)，所以向稀鹽酸溶液中加入適量的NaCl，也會(huì)得到上述結(jié)果。例如，向4︰250的稀鹽酸溶液中加入5 g NaCl，充分?jǐn)嚢枞芙夂?，放入雞蛋，其沉浮情況與9︰250稀鹽酸中的情況大致相近。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 徐良斌.雞蛋在稀酸鹽中沉浮實(shí)驗(yàn)的探究[J].化學(xué)教學(xué)，2015（3）：43-45.

[2]? 許小忠.雞蛋在酸溶液中沉浮實(shí)驗(yàn)的再探究[J].化學(xué)教學(xué)，2009（6）：21-23.

[3]? 許應(yīng)華，唐力，謝能偉.雞蛋在鹽酸中沉浮現(xiàn)象的探討[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2004（10）：23-24.

（責(zé)任編輯 羅 艷）