初中化學(xué)“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)的商榷與建議

摘? ?要

通過對六個版本初中化學(xué)教材關(guān)于探究化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量關(guān)系實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分析和比較，優(yōu)化關(guān)于探究質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，旨在使實(shí)驗(yàn)更具有操作性，更容易讓學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)的探究從不同角度深層次地理解質(zhì)量守恒定律的含義。

關(guān)鍵詞

初中化學(xué)? 質(zhì)量守恒定律? 化學(xué)實(shí)驗(yàn)? 探究活動

在《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》中，質(zhì)量守恒定律屬于“物質(zhì)的變化”主題中的一個二級主題，是初中化學(xué)中的一個核心知識。課程標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)量守恒定律的標(biāo)準(zhǔn)要求是“認(rèn)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”。活動與探究的建議之一是“實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量關(guān)系”。從課程標(biāo)準(zhǔn)不難看出初中學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律應(yīng)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)探究等活動來認(rèn)識質(zhì)量守恒定律。

本文主要對人民教育出版社（以下簡稱人教版）、上海教育出版社課標(biāo)組（以下簡稱滬教版）、山東教育出版社（六三制）（以下簡稱魯教版）、科學(xué)普及出版社（以下簡稱科普版）、廣東教育出版社（以下簡稱粵教版）、北京出版社（以下簡稱北京版）等國內(nèi)使用較多的六個版本的初中化學(xué)教科書中有關(guān)驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較與分析，以期達(dá)到對實(shí)驗(yàn)設(shè)計的優(yōu)化。

一、對“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)問題的商榷

所選的六個版本教材共涉及七個關(guān)于驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容見表1。七個實(shí)驗(yàn)的目的均是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)從宏觀的角度去驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒，從實(shí)驗(yàn)角度去認(rèn)識和理解質(zhì)量守恒定律，從宏觀層面幫助學(xué)生搞清楚質(zhì)量守恒定律的含義。魯教版只給出實(shí)驗(yàn)儀器、藥品之類供學(xué)生實(shí)驗(yàn)選用，讓學(xué)生根據(jù)提示自主探究，這對于剛剛接觸化學(xué)學(xué)科的初中學(xué)生而言難度比較大，而其余版本均給出了具體的實(shí)驗(yàn)操作方案，長期的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)上述7個實(shí)驗(yàn)中存在可商榷的地方。

表1? 各版本驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量變化實(shí)驗(yàn)匯總

1.氫氧化鈉和硫酸銅實(shí)驗(yàn)是否適合用來驗(yàn)證質(zhì)量守恒

粵教版、滬教版、魯教版、北京版的教材均使用了硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)來測量反應(yīng)前后質(zhì)量的變化。粵教版和滬教版是在膠頭滴管中盛放氫氧化鈉溶液，然后逐滴滴入錐形瓶中的硫酸銅溶液中;北京版是把氫氧化鈉放置于小試管中，反應(yīng)的時候需將錐形瓶的橡皮塞打開，再將小試管中的氫氧化鈉溶液和錐形瓶內(nèi)的硫酸銅溶液混合。從操作層面上看粵教版和滬教版的操作比較簡便，不需要將儀器從天平中取下，可以直接將氫氧化鈉溶液通過膠頭滴管直接滴入硫酸銅溶液中。

但事實(shí)上氫氧化鈉和硫酸銅的反應(yīng)是比較復(fù)雜的，可能會因硫酸銅和氫氧化鈉溶液的濃度、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)物的量而影響生成物質(zhì)的成分，可能導(dǎo)致產(chǎn)生綠色沉淀或藍(lán)白沉淀，甚至生成黑色固體。例如，當(dāng)硫酸銅的量較多于氫氧化鈉的量時，可能會發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

4CuSO4+2NaOH=Cu4（OH）6SO4↓+3Na2SO4，

得到是綠色沉淀堿式硫酸銅（Cu4（OH）6SO4），而不是藍(lán)色沉淀;如果用較濃的氫氧化鈉溶液和較濃的硫酸銅溶液等量混合，生成的氫氧化銅會在強(qiáng)堿性條件下自然脫水變黑。

因此，氫氧化鈉和硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)并不適合用來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒。特別是粵教版和滬教版的實(shí)驗(yàn)，由于膠頭滴管中只能放置1mL左右的氫氧化鈉溶液，而且氫氧化鈉溶液的濃度也不可能過濃，此實(shí)驗(yàn)更不適合用此實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒。另外，北京版教材把氫氧化鈉敞口放置在小試管中，是否還應(yīng)考慮二氧化碳也會和氫氧化鈉反應(yīng)？

2.鐵釘和硫酸銅反應(yīng)是否適合用來驗(yàn)證質(zhì)量守恒

人教版、北京版均使用鐵釘和硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等。在《給質(zhì)量守恒實(shí)驗(yàn)加幾個“注釋”》一文中記錄了鐵和硫酸銅反應(yīng)的質(zhì)量變化和反應(yīng)現(xiàn)象隨時間的變化情況，數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出本實(shí)驗(yàn)不可能在幾分鐘之內(nèi)將硫酸銅或鐵釘完全反應(yīng)掉，也不可能在較短時間內(nèi)看到溶液顏色由藍(lán)色變?yōu)闇\綠色。那么，在兩種反應(yīng)物均沒有完全反應(yīng)掉的情況下，又如何能討論反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒呢？在課堂中完成此實(shí)驗(yàn)顯然是不適合的，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒，而不是觀察該反應(yīng)是如何反應(yīng)的，應(yīng)充分考慮反應(yīng)所需的時間。

從表格2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)因?yàn)殍F在酸性條件下產(chǎn)生氫氣等原因而最終導(dǎo)致物質(zhì)的總質(zhì)量減少，盡管減少的不多，3個小時也只有0.0405g，也不會影響用靈敏度較低的托盤天平驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等，但我們不能因?yàn)橥斜P天平無法測出反應(yīng)前后質(zhì)量是否有變化而默認(rèn)為質(zhì)量是沒有變化的，這樣認(rèn)為顯然是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

3.托盤天平是否適合用來驗(yàn)證某些物質(zhì)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化

粵教版使用了碳酸鈣和鹽酸溶液反應(yīng)來驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒的實(shí)驗(yàn)。把鹽酸置于膠頭滴管中，分別在開放體系和密閉體系中比較反應(yīng)前后質(zhì)量變化情況，可以讓學(xué)生得出有氣體生成的反應(yīng)驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒時必須在密閉容器中進(jìn)行。但是，膠頭滴管容量有限不可能放置較多的稀鹽酸，這勢必導(dǎo)致產(chǎn)生的CO2不可能很多，即使鹽酸的濃度為37%，一滴管的鹽酸也最多只能生成0.26g左右的CO2。由于托盤天平的精確度最高只有0.1g。那么，用托盤天平稱量的話未必就可以準(zhǔn)確測出反應(yīng)前后質(zhì)量的變化情況。

人教版和魯教版通過測定磷燃燒前后質(zhì)量的變化來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒。在此實(shí)驗(yàn)中一般選用250mL的錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，錐形瓶內(nèi)氧氣體積的總量大概為50mL，即質(zhì)量大概為0.07g。那么，0.07g的氧氣需要消耗紅磷的質(zhì)量大概為0.05g。實(shí)際上，還要考慮沙子等所占的體積，參加反應(yīng)的紅磷和氧氣的質(zhì)量總和要小于0.12g，而錐形瓶、沙子、橡皮塞、玻璃管、氣球的總質(zhì)量大概為180g。同樣，由于天平的精確度只有0.1g，用普通的托盤天平也未必能準(zhǔn)確反應(yīng)出化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系。

人教版教材用鎂條燃燒前后質(zhì)量變化來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒。但這個實(shí)驗(yàn)有一個現(xiàn)實(shí)的問題就是實(shí)驗(yàn)中鎂條的質(zhì)量不可能也不應(yīng)該取很大。如果鎂的質(zhì)量很大則燃燒時間長，發(fā)出的強(qiáng)光會傷害學(xué)生的眼睛，如果取質(zhì)量較小的鎂條也同樣會因?yàn)橥斜P天平的精確度的原因，不可能準(zhǔn)確稱量出反應(yīng)前后質(zhì)量的變化。

所以，上述實(shí)驗(yàn)用普通的托盤天平能準(zhǔn)確反應(yīng)出化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系嗎？換句話說即使天平表現(xiàn)出平衡，這能說明反應(yīng)前后一定沒有質(zhì)量變化嗎？很顯然，答案是否定的。

4.磷、鎂燃燒是否適合驗(yàn)證質(zhì)量守恒

人教版用紅磷燃燒前后質(zhì)量的變化來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒，而魯教版供學(xué)生選用的藥品是白磷。用紅磷做實(shí)驗(yàn)，上端系有氣球的玻璃管代替玻璃棒，從操作層面來看紅磷比白磷更安全。但現(xiàn)實(shí)情況是紅熱的玻璃管卻很難將紅磷引燃，玻璃管上端氣球膨脹產(chǎn)生的浮力也可能也會給質(zhì)量的測量帶來一定的影響。

人教版教材還用鎂條燃燒前后質(zhì)量變化來驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒。鎂條燃燒發(fā)出的強(qiáng)光可能會傷害學(xué)生的眼睛;鎂條在空氣中燃燒的情況是比較復(fù)雜的，不僅會和氧氣反應(yīng)，還會和二氧化碳、氮?dú)獾任镔|(zhì)發(fā)生反應(yīng);鎂條燃燒時會產(chǎn)生大量白煙，也會使生成物有所損耗。在《給質(zhì)量守恒實(shí)驗(yàn)加幾個“注釋”》一文中指出用精密的電子天平進(jìn)行精確測量鎂條燃燒前后質(zhì)量的測定后發(fā)現(xiàn)，鎂條在反應(yīng)后較反應(yīng)前質(zhì)量減少48.01%，而非質(zhì)量增加。根據(jù)以上諸因素的分析，顯然用此實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去認(rèn)識質(zhì)量守恒定律是不合適的。

5.是否應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

質(zhì)量守恒定律的關(guān)鍵詞之一是“參加”，應(yīng)通過對實(shí)驗(yàn)的討論、分析，最終得出質(zhì)量守恒定律是參加反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量，而非是反應(yīng)物的全部質(zhì)量。但六個版本的教材里都認(rèn)為測得實(shí)驗(yàn)前后天平保持平衡即認(rèn)為質(zhì)量守恒，并沒有通過對所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析、探討得出質(zhì)量守恒定律必須是“參加”的反應(yīng)物質(zhì)量，而非全部的反應(yīng)物質(zhì)量。所以，實(shí)驗(yàn)不只是簡單的秤一下，然后比較反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等那么簡單，而是需要對反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量作簡要的分析。

以人教版測量紅磷燃燒前后質(zhì)量為例。通過分析：反應(yīng)前物質(zhì)的質(zhì)量包括錐形瓶、玻璃管、橡皮塞、氣球、空氣、紅磷（過量）、沙子;反應(yīng)后物質(zhì)的質(zhì)量包括錐形瓶、玻璃管、橡皮塞、氣球、除去氧氣的空氣、五氧化二磷、紅磷（剩余）。因用天平測得反應(yīng)前后質(zhì)量相等，所以m錐形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m氣球+m空氣+m紅磷+m沙子=m錐形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m氣球+m剩余空氣+m五氧化二磷+m剩余紅磷+ m沙子。最終得出這樣的結(jié)論：m氧氣+m參加反應(yīng)的紅磷= m五氧化二磷。這樣經(jīng)過對紅磷燃燒前后質(zhì)量的詳細(xì)分析，學(xué)生就不難得出參加化學(xué)反應(yīng)的紅磷和氧氣的質(zhì)量總和等于生成物的質(zhì)量總和。否則，學(xué)生很容易理解成反應(yīng)物紅磷和氧氣的質(zhì)量等于生成物五氧化二磷的質(zhì)量，這樣就失去了做實(shí)驗(yàn)的意義。

二、對“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化建議

“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)應(yīng)該符合以下原則：首先，能利用較為簡單的實(shí)驗(yàn)儀器直觀、順利地測出化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量的關(guān)系;其次，能通過設(shè)計的實(shí)驗(yàn)得出質(zhì)量守恒定律是參加反應(yīng)的反應(yīng)物質(zhì)量，而非所有反應(yīng)物質(zhì)量;再者，能通過設(shè)計的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白質(zhì)量守恒定律中是所有參加反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量，讓學(xué)生知道有氣體參與反應(yīng)或有氣體生成的反應(yīng)需在密閉容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生明白質(zhì)量守恒定律是一個普遍規(guī)律，表面上的不守恒都是有具體原因的;最后，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)所涉及的反應(yīng)不能太復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)明顯，便于觀察，有利于學(xué)生的判斷和思考。鑒于以上分析可以把實(shí)驗(yàn)設(shè)計大致分為兩大組，一組是無氣體參與或生成的反應(yīng)，另一組為有氣體參與或生成的反應(yīng)，讓學(xué)生從不同角度去認(rèn)識質(zhì)量守恒，具體見表3。

表3? 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)

1.無氣體參與或生成的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化建議

（1）利用氫氧化鈉和鹽酸反應(yīng)測量反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等

科普版教材中是在鹽酸和酚酞的混合溶液中滴入濃的氫氧化鈉溶液來測量反應(yīng)前后質(zhì)量的變化。如果實(shí)驗(yàn)裝置中用針筒替代膠頭滴管，彌補(bǔ)了膠頭滴管中不能放置較多的液體的問題，實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生會觀察到酚酞變紅，并根據(jù)酚酞變紅可以推斷出所滴加的氫氧化鈉已過量，即氫氧化鈉剩余。通過實(shí)驗(yàn)分析不難得出：m鹽酸+m參加反應(yīng)的氫氧化鈉=m氯化鈉+m水。

（2）利用氯化鈣和碳酸鈉反應(yīng)測量反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等

將碳酸鈉逐滴滴入氯化鈣溶液中至不再產(chǎn)生沉淀為止，實(shí)驗(yàn)裝置同樣如圖1所示，針筒的功能也和上述實(shí)驗(yàn)一樣。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析不難得出如下結(jié)論：m碳酸鈉+m氯化鈣=m碳酸鈣+m氯化鈉。

上述兩個實(shí)驗(yàn)均操作簡單，現(xiàn)象明顯易于觀察，易于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的分析和判斷，有利于學(xué)生對質(zhì)量守恒定律形成初步的認(rèn)識。

2.有氣體參與或生成的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化建議

（1）利用銅粉和氧氣反應(yīng)測量反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等

首先將5g銅粉置于錐形瓶中，塞上橡皮塞，并稱量其質(zhì)量。然后，將錐形瓶在酒精燈上微熱片刻，待冷卻后再次稱量錐形瓶等的質(zhì)量，比較兩次稱量的結(jié)果。再取5g銅粉置于錐形瓶中，稱量其質(zhì)量。然后，將錐形瓶在酒精燈上微熱，冷卻后再次稱量錐形瓶等的質(zhì)量，比較兩次稱量的結(jié)果。因?yàn)榧酉鹌と筒患酉鹌と慕Y(jié)果不一樣，形成了鮮明的對比。通過對前后兩次銅粉和氧氣反應(yīng)的對比分析可以讓學(xué)生進(jìn)一步知道質(zhì)量守恒定律中所指的反應(yīng)物的質(zhì)量還應(yīng)包括參加反應(yīng)的氣體質(zhì)量，有氣體參加的反應(yīng)理應(yīng)在密閉容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用銅粉為實(shí)驗(yàn)原材料替代磷或者鎂和氧氣反應(yīng)來比較反應(yīng)前后質(zhì)量的變化，主要考慮銅粉與氧氣的反應(yīng)速率較快，現(xiàn)象由紅色變?yōu)楹谏庇^明顯，且不存在其它影響反應(yīng)的因素，特別是對學(xué)生不會造成任何傷害。實(shí)驗(yàn)中可以明顯的觀察到有少量的銅粉沒有變黑，說明銅粉是過量的。學(xué)生通過對反應(yīng)前后物質(zhì)情況的分析，可以較為容易的得出反應(yīng)前后質(zhì)量相等必須是參加反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量，而非是所有反應(yīng)物的質(zhì)量。

（2）利用碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)測量反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等

碳酸鈣（塊狀）和鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定，是結(jié)合了粵教版和滬教版的優(yōu)點(diǎn)形成的，具體的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。針筒的作用相當(dāng)于分液漏斗的作用，但比分液漏斗穩(wěn)，不會在實(shí)驗(yàn)過程中從托盤天平上翻倒。用氣球可以起到緩沖的作用，防止生成的CO2將橡皮塞沖出。實(shí)驗(yàn)選用的碳酸鈣是塊狀而不是粉末狀的，主要考慮塊狀的碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)速率適中。通過對前后兩次碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)的對比分析可以讓學(xué)生進(jìn)一步知道質(zhì)量守恒定律中所指的生成物的質(zhì)量還應(yīng)包括生成的氣體質(zhì)量，即有氣體生成的反應(yīng)驗(yàn)證反應(yīng)前后質(zhì)量是否守恒時必須在密閉容器中進(jìn)行。

上述兩個實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時間短，現(xiàn)象明顯，學(xué)生既能從感官上接受，又有利于學(xué)生對質(zhì)量守恒的進(jìn)一步認(rèn)識，在腦海里架構(gòu)起質(zhì)量守恒定律的初步框架。

3.稱量工具的建議

眾所周知，托盤天平是一種比較粗略的稱量工具，準(zhǔn)確度為0.1g，是不能準(zhǔn)確測出反應(yīng)前后質(zhì)量微妙變化的。也就是說有時天平顯示平衡，并不代表反應(yīng)前后質(zhì)量沒有變化，只是因?yàn)樘炱届`敏度所致沒有把質(zhì)量變化測出來而已。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，使實(shí)驗(yàn)更為嚴(yán)謹(jǐn)，建議在實(shí)驗(yàn)過程中使用靈敏度較高的電子天平等較為常見的稱量工具。

初三學(xué)生無法通過閱讀深刻理解質(zhì)量定律的含義，更無法從微觀角度去理解質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)，必須借助宏觀的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，從宏觀實(shí)驗(yàn)再到微觀分析，幫助學(xué)生逐漸揭開定律的面紗和本質(zhì)。因此，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)不是簡單的選用幾個化學(xué)反應(yīng)，然后考查一下反應(yīng)前后質(zhì)量是否相等，而是要依據(jù)學(xué)生實(shí)際的水平、心理特點(diǎn)去設(shè)計一系列的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，最重要的是學(xué)生在對定律的探究和分析的過程中能形成相應(yīng)的化學(xué)思維方法和化學(xué)基本觀念。

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[作者：莊曉松（1977-），男，江蘇海門人，華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，博士生。]

【責(zé)任編輯? 郭振玲】