“說謊”的托盤天平

天平歷來象征著公平與正義，是人民法院標志的重要組成部分。它在化學發展史上，也起到過至關重要的作用，其中最著名的就是拉瓦錫利用天平總結出質量守恒定律，開創了定量化學（即近代化學）時代。

滬教版初中化學第四章第二節，就是利用拉瓦錫的研究方法，通過托盤天平稱量來講解質量守恒定律的。但是涉及有氣體參與的化學反應，一向正直的天平卻會“說謊”。經過長期的教學實踐，筆者認為，在教學中應該補充探究實驗、對比實驗，剖析、理解天平“說謊”的原因，以加深學生對質量守恒定律的理解。

一、敞口體系，天平“說謊”似是而非

敞口體系，由于忽視參與反應的氣體，許多化學反應好像不符合質量守恒定律。教師在講解這個知識點時，一般會舉“蠟燭燃燒，越燒越少”的例子，說明沒考慮生成的水與二氧化碳的逸散。筆者認為這里應增加一個對比實驗（或學生實驗）。如圖1：在一個紙槽（可用一次性紙水杯剪制）里放適量的石灰水（或氫氧化鈉溶液），中間直立一支蠟燭，連同一個可以罩住它的燒杯一起放在天平左盤，調節天平平衡后，取下左盤的裝置，點燃蠟燭，迅速用燒杯罩住，待蠟燭熄滅冷卻后，再放回左盤，天平保持平衡。這樣，不但考慮到生成的氣體，還考慮到參與反應的氧氣，驗證了質量守恒定律的正確性，說服力更強。

又如，鐵釘生銹后會變重，怎么說明這種緩慢的氧化反應也是符合質量守恒定律的呢？筆者建議這里應補充一個實驗，如圖2：用食鹽水潤濕一支試管內壁，里面沾上適量鐵粉（如用脫氧劑，效果更快），立即塞緊橡皮塞，放在天平左盤，調節天平平衡，然后取下，等到鐵粉變紅銹后，再稱量，天平依然保持平衡。

雖然敞口體系的天平平衡問題比較簡單，但是不可忽視這中間的德育教育：科學具有嚴密性，需要實踐檢驗。通過補充實驗能使學生明白，實踐是檢驗真理的唯一標準，空口說白話是站不住腳的。

二、密閉體系，天平“說謊”浮力作怪

對于有氣體參與反應的密閉體系，在驗證質量守恒定律時，天平也會“說謊”，形成了學生學習上的難點。如何突破難點？筆者認為，應該結合學生已有的物理知識，進行體系局部的受力分析，找到“作怪”的浮力，理解天平“說謊”的原因。

如圖3所示，在一個錐形瓶中加入適量稀硫酸，在錐形瓶口上套緊一只氣球，預先在氣球中裝入適量鎂粉，但不要與稀硫酸接觸。將這個裝置放在天平左盤上，調節天平平衡；然后將氣球中的鎂粉撒入稀硫酸中，充分反應，待裝置冷卻后，將裝置放回左盤，天平會平衡嗎？先讓學生進行猜想，進而通過實驗證明：天平指針向右偏轉。為什么質量好像“不守恒”？這時教師引導學生觀察密閉體系的體積是否發生變化，讓學生自己找到氣球膨脹是體積變化的原因。由于體系的其他部分體積沒有變，在天平上稱量時反應前后受到的浮力是一致的，因此只需考慮氣球膨脹引起的浮力變化。如圖4進行受力分析：

顯然：F支持是負數，天平當然會向右傾斜。

但是，如果密閉體系不膨脹也不收縮，即V排=0，則F浮=0，那么天平肯定會平衡的。通過體系局部的受力分析，能很直觀地說明天平“說謊”的原因，從而進一步驗證質量守恒定律的正確性。值得一提的是，筆者在日常教學中發現，許多學生有這樣的誤解，認為氫氣的密度比空氣密度小，有浮力，但是二氧化碳的密度比空氣密度大，會“往下沉”，沒有浮力影響，這種錯誤相當普遍。對于這種典型的錯誤應該及時糾正，要向學生說明，氣體的密度與空氣的密度只要在一個數量級上，那么在稱量時就會受到浮力的顯著影響，即稱量的質量是不準確的。

在另外一種情況下，驗證質量守恒定律時，天平也會“說謊”。如圖5：在一個敞口的具支錐形瓶上套緊一只氣球，具支錐形瓶中充滿二氧化碳氣體，支管上用乳膠管連接一個裝滿氫氧化鈉溶液的注射器。實驗時，先

將裝置放在天平左盤，調節天平平衡，然后取下裝置，將氫氧化鈉溶液注入具支錐形瓶中，充分振蕩，待反應完全、冷卻后，重新放在天平左盤，結果會發現，天平向左傾斜。為什么會出現這種現象呢？教師再做一個對比實驗，如圖6：將圖5裝置中的氣球改為一個橡皮塞，重復上述實驗，結果這次天平居然保持平衡了。

教師要不失時機地引導學生對比，發現圖5中的裝置不但體積變化了，而且它的“密閉”也是假象，反應發生后，外界空氣通過氣球進入了體系中（如圖7），導致體系質量增大，從而引起天平不平衡。

圖7

從上述幾個例子可以看出，化學學習中經常會遇到一些異常情況，連天平都會“說謊”。教師要及時地把握和利用學生的好奇心，引導學生對異常情況進行分析、探究，甚至可以讓學生自己設計實驗，完成實驗。學生只有通過自己努力，才會有更大的成就感。這樣，教師才真正做到“授之以漁”，提高學生解決問題的能力，增強他們的化學素養。

（責任編輯 羅 艷）