白磷燃燒驗證質量守恒定律實驗方案的探討

◆周金娣

質量守恒定律是九年級化學教材中的重要化學定律，主要從三類反應設計實驗：有氣體參加無氣體生成、無氣體參加有氣體生成、無氣體參加和生成。滬教版九年級化學教材上對于第一類反應沒有設計實驗，筆者研究了新舊人教版九年級化學教材這類反應設計的實驗“白磷燃燒”，通過對比，設計出對教材實驗的改進方案，實施實驗，觀察現象、分析現象，并進行了實驗的延伸，基于此，對教學過程進行了反思。

化學實驗作為化學課程的重要組成部分，它對于培養學生的思維、創新、實踐等能力具有特殊的價值。我國著名化學家戴安邦先生曾經說過：“化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的形式。”在實際化學教學中，我們要充分運用實驗這一手段，通過實驗來驗證假說或檢驗理論，這是培養學生實證精神和科學素養的重要途徑。

質量守恒定律是滬教版初中化學中的重要化學規律，在初中化學教學中有著廣泛的應用，它是分析物質在發生化學反應時質量關系的重要理論依據。該定律引領學生對化學反應的認識開始從“質”到“量”的過渡，也為之后化學方程式的書寫和計算的教學構建了理論鋪墊，對整個初中化學的學習有著至關重要的作用。在質量守恒定律的學習中，滬教版九年級化學上冊教材不是從定義出發，把質量守恒定律的內容強加給學生，而是首先提出在化學反應中，反應物的質量和生成物的質量之間存在什么樣的關系問題，讓學生思考，然后通過作出假設、實驗探究、交流討論、提出結論等科學探究方法，設計并實施一些實驗方案，使學生從自己親身觀察到的事實中，經過由此及彼、由表及里的思考，得出質量守恒定律的內容。學習質量守恒定律是對學生進行辯證唯物主義教育的重要內容。

在滬教版九年級化學上冊教材中，驗證質量守恒定律的內容，對于無氣體參加和生成的反應，教材上選擇了氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液的反應；對于無氣體參加、有氣體生成的反應，教材上選擇了石灰石和稀鹽酸的反應；而對于有氣體參加、無氣體生成的反應，教材上沒有設計實驗進行驗證。筆者認為可以增加白磷燃燒實驗，該實驗設計方案可以進行一系列探索和改進，這對于開發學生智力很有效果，可以不斷地揭示矛盾和解決矛盾，有利于激起學生更強烈的求知欲。下面就白磷燃燒實驗驗證質量守恒定律，筆者談一些方案及思考。

1 新舊人教版九年級化學教材上的實驗方案

人教版九年級化學全一冊實驗方案及探討

1）實驗裝置。如圖1所示，主要儀器及藥品：250 mL錐形瓶內有火柴頭大的白磷、玻璃棒、天平。

圖1

2）實驗操作。

第一步：在錐形瓶底部鋪一層細沙（隔熱，為了吸收白磷燃燒時放出的熱量，防止錐形瓶炸裂），放入一粒火柴頭大的白磷。

第二步：在錐形瓶口的橡皮塞上安裝一根玻璃棒，并使玻璃棒下端能與白磷接觸。

第三步：將錐形瓶放在托盤天平上用砝碼平衡。

第四步：取下錐形瓶，將橡皮塞上的玻璃棒放到酒精燈火焰上灼燒至紅熱后，迅速用橡皮塞將錐形瓶塞緊，并將白磷引燃。

第五步：待錐形瓶冷卻后，重新放到托盤天平上，觀察天平是否平衡。

3）實驗中存在的問題。

①該實驗中往往會因為瓶塞不嚴密產生漏氣或被沖開而失敗。一種是原來瓶塞未旋緊，當氣體受熱膨脹時，瓶內壓強增大，將瓶塞沖開；另一種是白磷用量過多，燃燒時產生的熱量也多，使瓶內氣體因膨脹而產生的壓強過大，即使原來已旋緊的瓶塞，也會被沖開。所以白磷的用量必須嚴格按教材上的規定，同時瓶塞要旋緊。

②白磷燃燒產生的白煙五氧化二磷有毒，在實驗過程中，即使白磷取的量不多，但燃燒生成的白煙往往容易從錐形瓶和橡皮塞的縫隙中溢出，危害人體健康，造成空氣污染。

③實驗操作過程中先將橡皮塞取下加熱玻璃棒，然后又旋緊橡皮塞，無可避免瓶內氣體和外界空氣的交換，影響實驗的準確性。

人教版新教材九年級化學上冊實驗方案及探討

1）實驗改進及過程。在人民教育出版社出版的《義務教育課程標準實驗教科書》化學九年級上冊第90頁對上述實驗進行了改進。為了防止白磷在錐形瓶中燃燒放熱，使瓶內氣體體積膨脹，導致瓶塞被沖開，造成空氣污染，使實驗失敗，實驗時將玻璃棒改成了玻璃管，在玻璃管的上端系牢一個小氣球，并使玻璃管下端能與白磷接觸。如圖2所示，其余實驗儀器和藥品、實驗步驟和上述實驗相同。

圖2

2）實驗現象。白磷燃燒，放熱，產生大量白煙，氣球膨脹。待裝置冷卻后，氣球變癟。實驗前后天平指針不發生偏轉。

3）實驗中存在的問題。教材中的操作方法是將玻璃管燒紅來引燃白磷，玻璃管灼熱后既要迅速插入到錐形瓶中，又要恰好與錐形瓶中的白磷接觸，操作起來不太方便；和前面第一種實驗設計方案相似，用玻璃管加熱白磷，會導致錐形瓶內的空氣有所流動，造成實驗結果不準確。玻璃管伸入錐形瓶比較長，白磷燃燒放熱導致錐形瓶內氣體受熱膨脹，來不及從玻璃管中導出進入氣球中，從而使橡皮塞被沖開，導致實驗失敗。可以做如下改進：把長玻璃管換成短玻璃管，在三角架上放上石棉網，再將錐形瓶放在石棉網上，用酒精燈加熱錐形瓶來點燃白磷（注：玻璃管上的氣球要用橡皮筋綁牢）。待錐形瓶冷卻后，重新放到托盤天平上，觀察天平是否平衡。裝置如圖3所示。

圖3

優點：該實驗中，錐形瓶內外沒有空氣對流，保證了實驗的準確性；實驗始終在氣球形成的密封容器中進行，避免了白磷燃燒產生的白煙逸散到空氣中，造成空氣污染；這樣操作，還能讓學生加深對使用錐形瓶加熱時，要墊石棉網的認識。

2 對教材的改進方案

新舊人教版九年級化學教材上該實驗的設計是用玻璃棒或玻璃管加熱白磷，存在“取下橡皮塞，再立即旋緊橡皮塞”這一過程，或多或少都會使瓶內氣體與外界空氣產生交換，影響實驗的準確性。即便改用酒精燈加熱錐形瓶來點燃白磷，需要將整套裝置從托盤天平上取下，待實驗發生后甚至實驗結束后再將整套裝置放回到托盤天平上進行再次稱量，在這一操作過程中會帶來一些誤差，也無法觀察到在實驗過程中天平指針的變化情況。故筆者對實驗方案進行如下調整：

1）實驗裝置。如圖4所示，主要儀器和藥品：250 mL錐形瓶、氣球、橡皮筋、天平、白磷。

圖4

2）實驗操作。

第一步：錐形瓶內鋪一層細沙，將少量白磷放在細沙上。

第二步：將一個癟氣球扎在錐形瓶的瓶口上，用橡皮筋扎緊。

第三步：將上述裝置放在托盤天平上用砝碼平衡。

第四步：用日光做光源，以凸透鏡聚焦，點燃錐形瓶內的白磷。

3）實驗現象及分析。

①現象：白磷燃燒，產生大量白煙，氣球較快變大后較快變癟，最終氣球縮進錐形瓶口內，實驗過程中天平指針沒有偏轉。

②分析：白磷燃燒，放出大量的熱，導致錐形瓶內空氣受熱膨脹，氣球較快膨脹。燃燒時消耗了瓶內的氧氣，生成的五氧化二磷又是固體，等實驗結束，裝置冷卻，因氧氣量減少，剩余氣體體積不再膨脹，故氣球變癟，甚至被倒吸至錐形瓶中。由于本實驗中氣球體積變大是瓶內氣體受熱膨脹導致，此時氣體的密度小于在一個標準大氣壓下空氣的密度，在實驗過程中用的白磷的量又比較少，膨脹的氣球體積并不大，又因為托盤天平用于粗略稱量，故在本實驗中，變大的氣球產生的浮力對天平指針無法造成影響，因此實驗過程中指針始終沒有發生偏轉。

4）實驗優缺點。該實驗裝置不僅在氣球形成的封閉體系中進行，有效防止空氣污染，而且點燃白磷的方式選擇了凸透鏡聚焦法，在整個實驗過程中，沒有把錐形瓶拿下托盤天平進行加熱，減少了實驗過程中的誤差，而且可以觀察到氣球在逐漸膨脹過程中天平指針的變化情況。但在錐形瓶底部鋪一層細沙，用凸透鏡聚焦加熱白磷，耗時較直接用酒精燈加熱長些，在實驗時，可先對錐形瓶底部的細沙進行預熱，再將白磷置于細沙上，用凸透鏡聚焦加熱，可以減少實驗時間。如果氣球是新的，應揉搓、拉伸并使其變軟后再用。

3 實驗延伸

滬教版九年級化學上冊教材中對于反應物中沒有氣體，生成物中有氣體的反應選擇了石灰石和稀鹽酸的反應，在密封環境中進行，用澄清石灰水吸收反應生成的二氧化碳氣體。按照教材上的要求實驗，最終天平指針沒有發生偏轉，很好地驗證了質量守恒定律。那么這個實驗能否也用類似白磷燃燒用氣球形成的封閉體系來驗證質量守恒定律呢？筆者用白磷燃燒時對教材改進的實驗方案進行石灰石和稀鹽酸的反應。

1）實驗裝置。主要儀器和藥品：250 mL錐形瓶、氣球、橡皮筋、天平、石灰石、稀鹽酸。

2）實驗操作。

第一步：在錐形瓶中加入一定量的稀鹽酸，在癟氣球中加入一定量的石灰石。

第二步：將癟氣球扎在錐形瓶的瓶口上，用橡皮筋扎緊，如圖5所示。

第三步：將實驗裝置放在托盤天平上用砝碼平衡。

第四步：將錐形瓶略微傾斜，將氣球中的石灰石沿錐形瓶壁慢慢加入到稀鹽酸中，觀察。

3）實驗現象及分析。

①現象：固體表面產生很多氣泡，液體變得很渾濁，氣球逐漸變大，剛開始天平指針不發生偏轉，當氣球膨脹到一定體積時，天平指針逐漸向右偏轉。反應結束后，氣球依然膨脹，天平指針始終向右偏轉。

②分析：石灰石與稀鹽酸作用，產生了二氧化碳氣體，由于氣體量的增加導致實驗裝置內氣壓增大，從而使氣球體積逐漸變大。實驗結束后，二氧化碳沒有逸散到空氣中去，整個裝置中空氣的量也沒有減少，所以最終氣球還是膨脹，在空氣中形成一定的浮力，當浮力達到一定的值時，天平能感應得到，此時天平指針開始向右發生偏轉。實驗結束后，整套裝置內增加了反應產生的二氧化碳，因此最終氣球依然是膨脹的，指針始終向右偏轉。故本實驗設計不能用于驗證質量守恒定律，必須要選擇一些試劑把產生的二氧化碳氣體完全吸收。

4 實驗反思

中學化學新教材在實驗的設置、內容、數量以及形式等方面較以往都有了很大的改變，我們的化學實驗教學也應隨著新課程的實施進行相應的改革和創新。化學實驗教學已成為培養學生觀察能力、思維能力和動手能力的重要途徑。目前教材上很多實驗都是探究性實驗，但探究的過程離不開驗證，驗證的過程同樣也可以充滿探究。在驗證質量守恒定律實驗時采用的“白磷燃燒”和“石灰石和稀鹽酸作用”兩個實驗，實驗過程中都可以觀察到氣球膨脹這一現象，但前者天平指針沒有發生偏轉，后者指針最終向右偏轉，這與藥品用量有關，也與天平的感量有關。我們在進行實驗的改進時，需對改進的實驗方案進行驗證，切不可紙上談兵，只從理論上分析。對于實驗過程中出現的一些“意外現象”不能忽視，要進行深入思考，仔細研究，切實重視實驗教學。