探究化學反應前后物質的質量關系

河北省秦皇島市山海關區教研中心 劉春芳

通過前面四個單元的學習，在宏觀上，大家從定性的角度，認識到化學變化中物質發生了質的變化；在微觀上，大家對物質的構成知識有了理解，對化學變化的微觀實質有了一定的認識。此外，在初二的物理課上，大家已經掌握了天平的使用技能，學習了能量守恒定律，對守恒的概念也有了一定的認識。

一、實驗探究背景

閱讀思考：大約在二三百年前，兩位科學家對于化學反應前后物質質量關系的認識引起了爭議。1673年，英國化學家波義耳在敞口容器中加熱金屬，結果發現反應后金屬的質量增加了，于是他認為化學反應前后各物質的質量總和不相等。1774年，法國化學家拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解和合成時，卻發現化學反應前后各物質的質量總和是相等的。

提出問題：對于化學變化，反應物的質量和生成物的質量之間究竟存在怎樣的關系呢？

做出猜想：依據化學反應的實質，化學反應前后，原子的種類沒有改變，數目沒有增減，原子的質量也沒有變化，那么反應前后，物質的質量總和應該是相等的。

二、實驗探究用品

100mL燒杯（盛放硫酸銅溶液），粗銅絲（直徑約0.2cm～0.3 cm，長度約10cm），100mL燒杯（底部放少量碳酸鈉粉末），12*70規格的小試管2支（盛放稀鹽酸），鐵架臺，細棉線3條，托盤天平，350mL礦泉水瓶，250mL錐形瓶（盛放約30mL稀鹽酸），食品袋（盛放約5g碳酸鈉粉末），藥匙，鑷子，酒精燈，尺子，砂紙，無銹鐵釘2根，硫酸銅溶液（質量分數約為9%），碳酸鈉粉末，稀鹽酸（濃鹽酸和水體積比大約為1∶2配制）。

三、實驗探究過程

探究一：鐵和硫酸銅溶液的反應

實驗步驟：1.取適量硫酸銅溶液于100mL小燒杯中，然后將燒杯和鐵釘（用砂紙打磨干凈）同時放在托盤天平的左盤（鐵釘放在燒杯外的托盤上），右盤加入砝碼，并調節游碼，使天平平衡。

2.用鑷子將鐵釘輕輕地放入小燒杯中的硫酸銅溶液中，靜置，觀察現象。

實驗現象：鐵釘表面逐漸覆蓋上一層紅色物質，溶液由藍色變為淺綠色，天平始終平衡。

實驗結論：化學反應前后，物質的總質量不變。

探究二：在空氣中加熱銅絲

實驗步驟：1.用一根細棉線綁在粗銅絲的中間，然后將細棉線的一端系在鐵架臺的鐵夾或鐵圈上，調整細棉線的位置使銅絲兩端保持水平。

2.用酒精燈對銅絲一端均勻加熱，觀察現象。

實驗現象：銅絲表面變黑，停止加熱后，銅絲不再保持水平，被加熱的一端下降。

實驗結論：化學反應后，物質的總質量增加。

現象分析：銅絲加熱時與空氣中的氧氣反應，生成氧化銅的質量等于參加反應的銅與氧氣的質量之和。反應之前，棉線兩端都是銅絲的質量；反應以后，被加熱的一端有一部分是氧化銅的質量，這部分氧化銅的質量大于參加反應的銅絲的質量，而增加的則是參加反應的氧氣的質量，因此銅絲不再保持水平，上面的實驗結論不準確。

探究三：在三種不同裝置中使碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應

【裝置1】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在燒杯中反應

實驗步驟：1.如圖1所示，取一藥匙碳酸鈉粉末放在100mL小燒杯底部，然后向小試管中倒入稀鹽酸（約占小試管容積的四分之三），并將小試管放入燒杯中。

圖1

2.將放置好藥品的燒杯放在天平的左盤，右盤加入砝碼，并調節游碼，使天平平衡。

3.將小試管中的稀鹽酸倒入燒杯中，待反應停止后，重新將燒杯和小試管放在天平的左盤。

實驗現象：將稀鹽酸倒入燒杯中，產生大量氣泡；重新將燒杯和小試管放在天平左盤，天平不平衡，右端下降。

實驗結論：化學反應后，物質的總質量減少。

現象分析：化學反應在敞口的燒杯中進行，生成的二氧化碳氣體擴散到空氣中，使得反應后質量減小，天平不平衡，上面的實驗結論不準確。

設疑激趣：如果將該反應放在密閉裝置中進行，防止二氧化碳氣體擴散，那么反應前后物質的總質量是什么關系呢？

【裝置2】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在密封的錐形瓶內反應

實驗步驟：1.如圖2所示，將約5g碳酸鈉粉末放入食品袋中，并將食品袋用細線緊緊系在橡膠塞中的玻璃管上，然后將大約30mL稀鹽酸放入250mL錐形瓶中。

圖2

2.將放置好藥品的錐形瓶放在天平的左盤，右盤放入砝碼，并調節游碼，使天平平衡。

3.將碳酸鈉粉末倒入稀鹽酸中，反應停止后，重新將錐形瓶放在天平的左盤。

現象記錄：錐形瓶內產生大量氣泡，食品袋逐漸膨脹；重新將錐形瓶放到天平左盤，天平不平衡，右端下降。

實驗結論：化學反應后，物質的總質量減少。

現象分析：化學反應在密閉的錐形瓶中進行，防止了二氧化碳氣體擴散，雖然錐形瓶一端的總質量不變，但是食品袋膨脹后受到空氣向上的浮力，所以也會導致天平不平衡，上面的實驗結論不準確。

設疑激趣：那么，我們究竟該如何再想辦法改進裝置，通過天平來探究該反應前后物質的質量關系呢？

【裝置3】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在密封的礦泉水瓶中反應

實驗步驟：1.將大約半藥匙的碳酸鈉粉末放入350mL礦泉水瓶的底部。

2.在小試管中放入稀鹽酸（體積約占小試管容積的二分之一），然后將小試管用細棉線系好小心放入礦泉水瓶中（注意不要將小試管中的稀鹽酸灑落）。

3.將礦泉水瓶稍稍捏癟，并擰緊瓶蓋，用托盤天平稱量其總質量。

4.將礦泉水瓶倒置，使小試管中的稀鹽酸流入礦泉水瓶中，反應停止后，重新將礦泉水瓶放在天平的左盤稱量。

現象記錄：礦泉水瓶內產生大量氣泡，反應結束后，礦泉水瓶變鼓；重新將礦泉水瓶放在天平的左盤稱量，總質量不變。

實驗結論：化學反應前后，物質的總質量不變。

現象分析：化學反應在密閉的礦泉水瓶中進行，礦泉水瓶內總質量不變，癟的礦泉水瓶變鼓以后重新放在天平上時，可以忽略空氣浮力的影響，所以天平仍保持平衡。

四、反思與評價

通過以上三個實驗探究活動可以得出，在化學反應前后，物質的質量總和是相等的。但需要注意的是，我們在驗證反應前后物質的質量關系時，如果反應物或生成物中涉及氣體，則要選擇在密閉的反應裝置中進行，同時還要考慮到理化知識的融合，例如浮力對于實驗現象的影響，謹慎進行分析。