雞蛋在稀鹽酸中沉浮實驗的探究

徐良斌

摘要：針對雞蛋在稀鹽酸中沉浮實驗的現象，簡述了實驗原理，設計了實驗探究方案。通過觀察與分析10只雞蛋在0.4 mol·L-1稀鹽酸中出現的沉浮現象，說明雞蛋沉浮的條件比較苛刻，影響雞蛋沉浮的非化學因素是蛋殼薄膜，所得結論對雞蛋沉浮實驗提供了有益的參考。

關鍵詞：雞蛋；沉浮實驗；稀鹽酸；實驗探究；趣味實驗

文章編號：1005–6629（2015）3–0043–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 提出問題

滬教版初中教材有這樣一例有趣的實驗習題：如圖1所示，將一只新鮮雞蛋放入水中，雞蛋沉入水底。加入適量濃鹽酸后，雞蛋會出現上浮、下沉、再上浮、再下沉的現象，反復多次。教材以此為情景，提出了與物理、化學相關的3個問題（略）[1]。筆者曾詢問初中教師是否做過該實驗及實驗的效果，大多數人都搖搖頭，只有3位男性教師回答做過，但實驗結果卻差強人意。于是，筆者決定對雞蛋沉浮實驗進行探究。

2 已有研究

在中國知網（http：//www.cnki.net/）中以“雞蛋沉浮”為主題，檢索到2篇相關文獻。許小忠老師使用新鮮雞蛋在白醋和稀鹽酸（濃鹽酸與水的體積比為2：125）中進行實驗，出現上浮——下沉往復現象[2]。考慮到該方案反應速度較慢、耗時較長，此研究的推廣運用存在一定的局限性；許應華老師選用7種不同濃度的鹽酸溶液（0.14～ 1.0 mol·L-1）進行實驗，發現當鹽酸濃度為0.4 mol·L-1時，雞蛋先下沉，再上浮，用玻棒刮去蛋殼表面氣泡，雞蛋又下沉，但不久又上浮[3]。我們從中得到較大的啟發，認為其觀點值得學習、驗證和再探究。

3 實驗原理

雞蛋在鹽酸溶液中沉浮的理論依據是：由于雞蛋的密度比鹽酸溶液的密度大，造成雞蛋在鹽酸溶液中下沉。與此同時，蛋殼中的碳酸鈣與鹽酸溶液不斷反應產生的二氧化碳氣泡附著在蛋殼表面，使其體積變大、浮力增大。當浮力大于重力時開始上浮，雞蛋上浮中部分氣泡脫離逸出，蛋體的重力又大于浮力，此時雞蛋又出現下沉現象。

在實驗操作層面，筆者認為我們應該關心的是：首先，雞蛋與鹽酸的密度相差幾何；其次，產生二氧化碳氣泡的速率問題，從已有的研究文獻判斷，使用較稀的鹽酸溶液已成共識；其三，下沉前何種因素制約氣泡逸出的問題。只有處理好這3個實驗問題并將其有機地結合在一起，才能達成雞蛋沉浮的實驗目標。

4 實驗探究

4.1 實驗容器

選用高24cm、直徑7cm的生物標本瓶作實驗容器，加入800mL稀鹽酸后使酸溶液液面高度約為20cm。后續實驗表明，25℃時采用較大容積容器與較多酸溶液，可以觀察到更多的實驗細節，也為調整酸溶液濃度預留一定的空間。

4.2 測定雞蛋的密度

將雞蛋放入燒杯中，然后倒入稀氯化鈉溶液。若發現雞蛋沒有浮起，再慢慢加入濃氯化鈉溶液，并用玻棒不斷攪拌。當發現雞蛋開始浮起時，立即停止加入濃氯化鈉溶液，靜置觀察，使其懸浮于溶液之中（如已上浮至溶液表面，可滴加少量水進行調節）。此時，使用密度計測出氯化鈉溶液的密度，其密度就等于雞蛋的密度。經測定，10只雞蛋的密度見表1。

4.3 配制稀鹽酸溶液

按照濃鹽酸與水體積比為1：29的比例，配制濃度為0.4 mol·L-1的稀鹽酸[3]，使用密度計測得其密度為1.000 g·mL-1。

雞蛋的密度略大于該鹽酸溶液，客觀上要求上浮前二氧化碳氣泡的數量無需太多，加之下沉前還要有利于氣泡的凈減少，所以采用稀的鹽酸溶液較為適宜。

4.4 雞蛋與稀鹽酸的反應

室溫25℃時，在盛有800mL稀鹽酸的生物標本瓶中放入雞蛋，分別進行10次實驗。其中第3次實驗用酸為前一次實驗使用過的，其他均為新酸溶液。在實驗中，觀察到3次或3次以上沉浮現象記作“√”；經過加水或加濃鹽酸，觀察到3次或3次以上沉浮現象記作“+”；經過7min雞蛋仍停留在酸溶液下方，記作“×”。實驗現象與數據見表2。

根據不同雞蛋在稀鹽酸中出現的不同現象，可以將實驗分為4種類型，具體說明如下：

（1）現象完整的實驗。雞蛋在上浮之前，其表面布滿了數以百計的氣泡，只有零星的、細小的氣泡逸出；經過約1min時間，雞蛋的鈍端懸浮而銳端仍停留在底部，蛋體出現1～2次輕微的晃動；氣泡聚集2～3min后，雞蛋開始上浮。在上浮過程中，只有個位數的氣泡逸出。當蛋體少部分露出液面時，其立即下沉至底部，且未見氣泡冒出。雞蛋的沉浮過程均較平穩、速率緩慢（相對而言，下沉稍快），其間未見蛋體翻轉。

（2）需要加水的實驗。在30s時間內，雞蛋較快地上浮，逸出的氣泡數目超過10個，且下沉的距離不到酸溶液高度的一半。加入少量水后，雞蛋可一直下沉至底部。

（3）需要加酸的實驗。雞蛋雖能上浮，但只能上浮至酸溶液高度的2/3處。

（4）不理想的實驗。雖然雞蛋表面布滿許多氣泡，且同時有較多、較大氣泡逸出，但雞蛋長時間一直停留在底部，未見晃動、上浮等現象。這可能是酸溶液酸度不夠，不能產生足夠的浮力或雞蛋自身的品質已遭損壞（見下文說明）等原因造成的。

由于不同雞蛋間存在個體差異，其蛋重、蛋殼厚度、蛋形指數、蛋殼硬度、裂紋，甚至包括表面污斑都會影響二氧化碳氣泡的形成與逸出，使得雞蛋在酸溶液中的浮力變化存在著一定的不確定性，但這種不確定性是有邊界的，是可控制的。以“現象完整的實驗”為模型，對實驗過程中出現的異常現象作出正確的判斷，通過加水或加酸調節酸溶液濃度，為雞蛋的沉浮提供適當的條件。依據上述實驗現象，筆者試作如下推論：

（1）0.4 mol·L-1稀鹽酸與雞蛋殼反應產生氣泡，能使60%的雞蛋出現沉浮現象；通過加水或加酸調節酸溶液濃度，能使30%的雞蛋出現同樣的現象。

（2）雞蛋的密度直接決定了其沉浮能力，但不同雞蛋所呈現出的沉浮表現與其密度大小沒有對應關系。

（3）實驗③現象表明，3次沉浮后酸溶液的濃度變化不大，這也說明沉浮過程中產生二氧化碳的量與速率均較低。

對此，筆者的教學建議是：同時進行兩組平行實驗，以提高實驗的成功率。

5 問題討論

在指定鹽酸溶液濃度的條件下，除了大家熟知的化學因素（二氧化碳氣泡）外，雞蛋自身具有的何種屬性是決定沉浮現象的關鍵呢？在實驗過程中，我們觀察到雞蛋殼表面存在著一層薄膜（其成分為糖蛋白，又稱殼上膜）[4]，經酸溶液浸泡膨脹其顏色變深（棕色），大量氣泡被吸附在膨脹的薄膜與蛋殼之間。在上浮前與上浮過程中，雖然有少量氣泡逸出，但吸附的大量氣泡仍被薄膜鎖定；下沉時則沒有氣泡逸出。把進行過沉浮實驗的雞蛋取出（使用工具或手，均會加劇薄膜破損），放入新的酸溶液中，雞蛋不再出現沉浮現象；當第4個實驗出現“啞”蛋現象時，觀察到殼上膜已部分破損；一旦鹽酸的濃度稍大，二氧化碳氣泡易沖破薄膜，常會出現雞蛋只上浮不下沉的尷尬。種種跡象表明，蛋殼薄膜在沉浮過程中起著控制和調節浮力大小的作用。

6 實驗結論

（1）雞蛋在酸溶液中沉浮的條件比較苛刻。室溫25℃時，在0.4 mol·L-1稀鹽酸中，六成的雞蛋會出現多次沉浮現象；三成雞蛋的沉浮需要通過加水或加酸進行調節；只有少數殼上膜已破損的雞蛋不適合進行沉浮實驗。

（2）雞蛋在稀酸溶液里沉浮時，其氣泡（浮力）的變化不大，化學反應速率、沉浮速率均較緩慢。

（3）蛋殼薄膜在沉浮過程中起著控制和調節浮力大小的作用。蛋殼薄膜在上浮前與上浮過程中將大部分氣泡鎖定在蛋殼表面，起著聚集氣泡的作用；在下沉前與下沉過程中，大部分氣泡仍被蛋殼薄膜鎖定，同時蛋殼薄膜（包括氣泡）起著阻礙蛋殼與酸溶液接觸的作用。

參考文獻：

[1]中學化學國家課程標準研制組.化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：67.

[2]許小忠.雞蛋在酸溶液中沉浮實驗的再探究[J].化學教學，2009，（6）：21～23.

[3]許應華.雞蛋在鹽酸中沉浮現象的探討[J].教學儀器與實驗，2004，（10）：23～24.

[4]姚成立，朱金苗，徐汪華等.雞殼中的化學[J].化學教育，2009，30（6）：1～2.