例談氣球在化學實驗中的使用

摘要：審視2012年的若干個版本初中化學教科書中利用氣球設計的實驗裝置的特點，結合實例歸納出氣球在實驗中的主要作用有緩解壓強差、形成封閉體系、收集未反應完或生成的氣體、驗證氣體密度大小等，分析了氣球應用于化學實驗裝置及在實驗設計中可能出現的“妥”與“不妥”，并指出化學實驗設計應注重簡易性、實用性、真實性。

關鍵詞：氣球；封閉體系；實驗裝置；實驗探究；化學教科書

文章編號：1005–6629（2017）4–0071–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

氣球在初中化學實驗中往往擔當收集尾氣、驗證氣體密度、驗證物質之間化學反應的發生等作用[1，2]。讓學生體驗氣球在化學實驗中的作用，可激發學習化學知識的興趣和動力。通過研究發現，若氣球使用不當，也會給學生帶來一些錯誤的認識，加深學生的迷思概念。梳理依據《義務教育化學課程標準（2011版）》修訂的若干個版本初中化學教科書中利用氣球設計的化學實驗，從以下幾個方面分析在實驗中使用的“妥”與“不妥”，以期重新審視氣球在化學實驗中的作用。

1 用做緩沖裝置，緩解壓強差

2012年魯教版初中化學教科書[3]在第四單元第一節“空氣的成分”的“實驗探究”中采用加熱銅粉方案測定空氣中氧氣含量，設計了圖1的實驗裝置。實驗操作：在具支試管中裝入銅粉，塞上橡膠塞，用小氣球密封試管的支管口。移動注射器活塞，在注射器中留下一定體積的氣體，記錄體積后插入橡膠塞中。用酒精燈在銅粉部位加熱，加熱時不斷推拉注射器。停止加熱后，待試管冷卻至室溫，將氣球內的氣體全部擠入注射器內。待注射器活塞穩定后，記錄注射器中氣體的體積，從而測定空氣中氧氣的含量。

筆者認為該實驗設計中的“氣球”存在如下“不妥”：（1）在反復推拉注射器活塞時，氣球與具支試管的支管接口處很容易漏氣，且實驗結束后，得將氣球中的氣體趕回試管，該操作需要用手操作，稍有不慎，氣球就容易漏氣，甚至脫落；（2）使用氣球作為緩沖裝置，在實驗操作過程中，氣體在裝置中流通不順暢，且熱的空氣不易被擠回試管內，使氧氣與銅粉難以充分反應，導致實驗誤差較大，實驗結果只能達到18.0%左右。

因此，在尊重原實驗的前提下對該實驗的裝置和操作流程進行了再設計，如圖2、圖3所示。通過交替推拉2支注射器活塞，使空氣在2支注射器、具支試管（或大試管）和氣球間來回傳送，避免了使用氣球的操作不便和對實驗結果的影響，使實驗的結果更接近真實值。相應成果發表在《化學教育》2013年第11期上[4]。教科書在2014年再版時，對該裝置又進行了改進，如圖4所示。該裝置相對于2012年版的裝置而言，氣球置于玻璃管的尾部，能讓空氣更易流通，節約了反應的時間，但依然沒有解決“氣球”存在的上述問題，測得的氧氣的體積分數誤差依然較大。

2 用于形成封閉體系，驗證質量守恒定律

2012年科粵版初中化學教科書[5]在第4章4.3“質量守恒定律”的“探究活動”中設計了兩個對比實驗：“[實驗4-7]錐形瓶瓶塞中插入玻璃管與大氣相通。往錐形瓶里的小塊石灰石滴入吸在滴管里的稀鹽酸，反應前后稱量作比較”；“[實驗4-8]往錐形瓶瓶塞里的玻璃管上縛緊氣球。稱量后往瓶內的石灰石小塊滴入吸在滴管里的稀鹽酸，反應前后稱量作比較”。[實驗4-7]中的天平不平衡，通過測定敞開體系中化學反應前后的質量變化情況，讓學生思考：表面上似乎不符合質量守恒定律的原因是什么？可采取什么措施使天平平衡？接著設計出[實驗4-8]，讓學生在探究的基礎上，通過比較、判斷，不斷揭示矛盾和解決矛盾，從而能夠透過不同情況下測定結果的表象，更為深刻地認識化學反應前后的質量變化情況，故采用有氣體產生（或參與）的化學實驗來驗證質量守恒定律，必須要在密閉裝置中進行。事實上，[實驗4-8]使用這樣的密閉裝置，真的能保證反應前后所稱的質量相等嗎？

且看筆者設計的如下實驗：在4個錐形瓶中分別加入足量的稀鹽酸，用電子天平（精確至0.01g）分別稱取反應前4個氣球的質量，將不同質量的碳酸鈉粉末分別放入4個氣球中，再稱重。將氣球套在錐形瓶口并用皮筋扎緊，將4個反應體系放在4臺電子天平上稱量，記下反應前電子天平的示數，再將氣球中的藥品全部倒入稀鹽酸中，氣球迅速漲大，待反應結束，再次記下電子天平的示數，實驗數據如表1所示。

分析相關數據可知，氣球的浮力是真實存在的，也是導致反應后第2次稱量值變小的直接原因。第4個實驗因為產生的氣體太多而漏氣，但也沒有影響最終的結果，也進一步說明氣球收集氣體的能力也是有限的，超出其限度，將會“罷工”。因此，筆者認為，不能利用托盤天平靈敏度不好的特點而忽略氣體浮力的存在。科粵版初中化學教科書中的該實驗設計產生的實驗結果，不利于培養學生嚴謹的實驗精神和態度，將會對學生造成不利影響，這樣的實驗設計是不妥的，建議教科書的設計者對該實驗重新進行設計。

2016年孝感市的中考化學試題的命制者則關注到這個問題。指出該實驗中碳酸鈉與鹽酸反應生成二氧化碳，二氧化碳充滿氣球，使整個裝置所受空氣浮力增大，因此反應后天平不能平衡。

相比之下，2012年人教版[6]初中化學教科書在“第五單元課題1質量守恒定律”的“探究”中采用燃燒紅磷的方法驗證質量守恒定律，裝置如圖5所示，也是用氣球密封裝置并緩沖氣壓，這個裝置的設計就顯得嚴謹得多！反應前裝置中氣體的壓強與外界的大氣壓強相等，紅磷燃燒，有大量白煙，放出大量的熱！由于兩者的共同作用，裝置內壓強增大，氣球脹大，但反應結束，紅磷燃燒消耗了密閉體系中的氧氣，待裝置冷卻至室溫，密閉體系中氣體壓強小于外界大氣壓強，在大氣壓的作用下氣球又變癟。

3 用作收集未反應完或生成的氣體

2012年魯教版初中化學教科書[7]在實驗室煉鐵的實驗裝置中，采用導管末端連接氣球的方法來收集未反應完的一氧化碳氣體，裝置如圖6所示。該設計明顯有些“不妥”之處：氣球收集的氣體有限，隨著收集的氣體增多，內部壓強會激增，若反應的時間過長，可能也會“罷工”。同時，不可否認的是，收得的氣體后期處理也是比較麻煩的。因此，2015年再版時，則更換成如圖7所示的裝置，對未反應完的一氧化碳氣體一燒了之，顯得很干脆，既消除了有毒氣體一氧化碳，又免除了后期處理的麻煩。

4 驗證氣體密度大小

一線教師利用氣球的“浮”驗證二氧化碳的密度比空氣的密度大（圖8），氣球內充入空氣，再將一集氣瓶中的二氧化碳傾倒入大燒杯中，會發現氣球會浮上來，從而得出二氧化碳的密度比空氣的密度大的結論。但筆者認為，此實驗設計簡易性、實用性都不強，氣球充氣后，需要迅速用細線扎緊，扎線過程中容易漏氣，若充入的空氣不足量，氣球也不一定能浮起來。還不如采用傾倒二氧化碳使高低不同的蠟燭依次熄滅的“階梯實驗”更有價值。通過傾倒二氧化碳不但證明其密度大小，還可證明二氧化碳既不能燃燒也不能支持燃燒的性質，可謂一舉多得。

氣球雖有其在化學實驗中的獨到之處，但若使用不當，可能會帶來適得其反的效果。教學即研究，在課時緊張的情況下，應把探究的核心放在初中化學的核心知識和技能上，教師應在充分遵循實用性、真實性的前提下，依據學生的興趣和科學態度、認知水平和學科能力發展等各因素設計實驗以提升實驗教學的效果。

參考文獻：

[1]王榮橋.例析氣球在中考化學實驗中的應用[J].教學與管理·中學版，2014，（2）：53～55.

[2]王榮橋.氣球在初中化學實驗中的應用案例[J].化學教學，2013，（7）：39～40.

[3]畢華林，盧巍.全日制義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級）（上冊）[M].濟南：山東教育出版社，2012.：75

[4]胡巢生.“測定空氣中氧氣的含量”實驗探究[J].化學教育，2013，（11）：77～78，80.

[5]江琳才.全日制義務教育課程標準實驗教科書·化學[M].北京：科學出版社；廣州：廣東教育出版社，2012：111～112.

[6]王晶，鄭長龍.全日制義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級）（下冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：92～93.

[7]畢華林，盧巍.全日制義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級）（下冊）[M].濟南：山東教育出版社，2012：59.