一個探究質量守恒定律實驗的追疑與改進

徐敏

（蘇州高新區第一中學　江蘇蘇州　215011）

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一個探究質量守恒定律實驗的追疑與改進

徐敏

（蘇州高新區第一中學江蘇蘇州215011）

摘要：探究有氣體生成的化學反應前后物質質量關系是初中化學在質量守恒定律教學中的一個難點，難點中氣體的收集和稱量是關鍵，2012版滬教版九年級義務教育教科書化學上冊中利用注射器擬實現二氧化碳氣體的收集且預計實驗過程中氣體產生的浮力可忽略不計。作者在設計對照實驗和誤差分析的基礎上對該實驗進行了追疑與改進。

關鍵詞：質量守恒定律；追疑；改進

一、教材實驗回顧

1.白磷燃燒測定質量

2003版滬教版義務教育教科書九年級化學上冊采用在密閉容器內白磷燃燒的實驗，對有氣體參加的化學反應前后質量進行測定。

圖1

實驗中發現白磷在錐形瓶內燃燒形成大量白煙，氣球變大后又逐漸變小。該實驗最終天平平衡但仍存在以下不足：

（1）白磷劇毒，用剩的藥品必須及時回收處理；

（2）氣球膨脹過程中的浮力不能忽略，天平的示數值有波動。

2.石灰石與稀鹽酸反應測定質量

滬教版義務教育教科書九年級化學上冊P.102上有關于石灰石與稀鹽酸反應前后質量關系探究的實驗，其目的旨在引導學生探究有氣體生成的化學反應前后物質的質量關系。通過有目的的實驗探究和實驗方案改進教師將使學生注意到：研究有氣體參加或生成的化學反應前后物質質量關系時應在密閉容器中進行實驗且有時需要考慮氣體產生的浮力問題。教材以學生熟悉的石灰石與稀鹽酸的化學反應為切入點，減少了學生對實驗內容的生僻感，無論是學生實驗還是教師演示實驗，都能起到較好的教學效果。

新教材修訂前該實驗利用石灰水吸收二氧化碳以避免在密閉容器中進行實驗導致橡皮塞沖出的現象。

圖2

這樣的設計顯然存在不足：既然實驗的目的是研究化學反應前后的質量關系，若同時存在兩個化學反應，實驗的結果只能說明兩個化學反應前后物質總質量相等，而不能說明其中包含的每一個化學反應前后物質總質量都相等。因此探究化學反應前后物質的質量關系應以一個化學反應為研究對象。

三、2012年教材修訂對該實驗的改進

2011年教育部頒布義務教育化學新課程標準，滬教版教材也對該實驗進行了改進，改用注射器緩沖二氧化碳氣體產生的壓強并使得氣體產生的浮力可以忽略不計。筆者在實驗過程中發現，改進后的實驗仍存在諸多不足之處：

（1）藥品的用量問題

實驗時必須控制藥品的用量，否則橡皮塞極易彈出，影響實驗結果的測定。筆者為證明藥品用量對實驗結果的影響，按如圖裝置進行實驗，并記錄實驗報告（表1）：

通常情況下每產生0.1g二氧化碳的體積約為50mL，實驗結果造成錐形瓶內氣泡產生現象不明顯，注射器活塞卻較快置頂，極易導致橡皮塞彈出。若改用濃度較大的稀鹽酸進行實驗，錐形瓶內氣泡產生現象明顯，但注射器活塞很快置頂，未稱量完畢橡皮塞已彈出。

稀鹽酸實驗裝置圖　儀器規格　藥品用量　實驗現象150mL錐形瓶　三粒中等大小的大理石　錐形瓶內產生極少氣泡，注射器活塞上升較快，半分鐘內活塞置頂50mL注射器　1:5稀鹽酸5mL大理石

（2）注射器的量程問題

實驗選用注射器量程需在50mL以上，否則在稱量完成前橡皮塞已彈出。

針對該實驗產生二氧化碳量少卻體積大的情況，筆者先后選用10mL、20mL和50mL注射器用同樣的大理石與等體積等濃度的稀鹽酸分別進行實驗，記錄實驗現象如下：

利用注射器完成該實驗，注射器的體積需在50mL以上，這樣便造成錐形瓶體積小注射器體積大，整套裝置頭重腳輕，也給稱量帶來不便。

選用注射器規格　10mL　20mL　50mL實驗現象　5s內活塞置頂，橡皮塞彈出　10s內活塞置頂，橡皮塞彈出　半分鐘內活塞置頂，橡皮塞彈出

四、對改進后實驗的追疑

即使滿足以上兩個條件，筆者在實驗過程中依然發現稱量前后的數據存在偏差，為證明實驗產生的浮力不能忽略，筆者改用1：3的稀鹽酸5mL與三粒中等大小的大理石利用不同的實驗裝置進行反應，在相同時間內稱量反應前后的實驗數據如下：

實驗裝置圖稀鹽酸大理石稀鹽酸大理石稀鹽酸　　氣球大理石m(反應前)/g　60.55　78.94　121.06 m(反應后)/g　60.47　78.89　120.97 m(反應前)-m(反應后)/g 　0.08　0.05　0.09誤差允許范圍　電子天平200g/0.01g，誤差范圍正負0.03g以內

實驗數據表明，利用50mL注射器進行實驗，二氧化碳氣體排開空氣的體積已經較大，若選用精度為0.01g的電子天平，產生的浮力將不能被忽略。教材選用精度為0.1g的托盤天平進行實驗，浮力值的變化在誤差范圍內，使得天平在反應前后保持平衡。

結論是：選用注射器進行實驗，氣體在生成過程中依然會產生浮力，只是在一定的稱量精度范圍內該浮力值可以忽略不計。另外筆者發現選用上述儀器和藥品進行實驗，注射器活塞每上升10mL，稱量值會變化0.01g，因此控制藥品的用量便成為該實驗成敗的關鍵。

利用注射器進行實驗不僅要控制藥品的用量，實驗前還需做足準備，以保證注射器在稱量時間內不置頂，而且天平的示數不會變化。

基于上述原因筆者與同仁探討，對教材實驗又進行了再次改進。

五、對教材實驗的再改進

筆者利用塑料瓶對實驗進行了改進，實驗報告記錄如下：

實驗中大理石與稀鹽酸反應氣泡產生現象明顯，且反應前后質量幾乎不變。該實驗較好地詮釋了質量守恒定律也適用于有氣體參加的化學反應這一事實。

實驗裝置圖　實驗藥品　實驗現象　實驗數據記錄三粒中等大小大理石m（反應前）=33.37g 1：3稀鹽酸5mL　m（反應后）=33.36g產生大量氣泡，并伴有“嘶嘶”聲，半分鐘后打開瓶蓋質量減少了0.1g

六、結束語

教材的演示實驗都是較經典、數據重現性較好的實驗，但往往很多初中化學教師花在準備實驗上的時間較多。新課程標準十分重視實驗教學和實驗探究，如果演示實驗能夠實現操作簡單、藥品和儀器易得、數據復現性好，那無疑為眾多一線初中化學教師節約了大量準備實驗的時間，使得教學實現減負增效。

筆者此次由于實驗室條件所限選用了大理石代替石灰石完成了上述實驗的探究與改進，不當之處請同行不吝批評指正。

參考文獻

［1］王祖浩.義務教育教科書滬教版九年級化學（上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2012

［2］李德前.碳酸鈣與鹽酸反應前后質量的測定實驗改進［J］，化學教育，2011，（10）：84～85

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.029

文章編號：1008-0546（2016）02-0088-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B