探究質量守恒定律的實驗改進與創新

張激 陳婷鈺 曾婷

摘要：通過分析人教版九年級化學教材中探究質量守恒定律的兩個實驗方案，提出教材方案存在的不足，進而介紹基于教材的實驗改進方案，以及實驗改進后的優點。

關鍵詞：質量守恒定律;實驗;改進;創新

文章編號：1008-0546（2020）01-0089-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.025

質量守恒定律在學生變化觀的形成中起著承前啟后的作用，將實現學生對化學變化的認識從“質”到“量”的突破。另外，本節內容也為后續化學方程式的書寫和計算提供了理論依據。課程標準對質量守恒定律的教學要求是“認識質量守恒定律，能說明化學反應中的質量關系”，建議“通過實驗探究反應前后的質量關系”。

一、問題的提出

人教版九年級化學教材探究質量守恒定律的實驗方案一“紅磷燃燒前后質量的測定”，裝置如圖1所示。操作時將玻璃管的一端加熱后要準確地接觸到錐形瓶里的紅磷，同時橡膠塞又要剛好塞緊瓶口，使裝置密封，實際操作時經常出現“白煙”泄漏，造成兩次稱量的質量不相等。

教材中的方案二“鐵釘與硫酸銅溶液反應前后質量的測定”，裝置如圖2所示，不僅希望學生觀察到“反應前后總質量不變”，還能觀察到“溶液由藍色變為淺綠色，鐵釘表面有紅色物質”。但事實上，由于鐵釘與硫酸銅溶液接觸不充分、硫酸銅溶液濃度不合適等原因，短時間內甚至到一堂課結束都觀察不到溶液顏色的改變，給教學帶來了干擾。

教材中將碳酸鈉與稀鹽酸反應前后質量的測定設計在開放體系中進行，反應前后測定的質量不相等，使學生形成認知沖突，這是引導學生自我構建知識的絕佳素材，應加以充分利用。

另外本節內容所有實驗的質量測定均使用托盤天平，托盤天平的使用如調平、加減砝碼、撥動游碼、讀數等耗費的時間相對較長，不利于提高課堂效率。

為解決上述問題，最大化發揮實驗價值，現提出以下實驗改進和創新方案。

二、實驗的改進

首先本節內容所有實驗的重點是“質量”，不是“測定”，所以可用精確度為0.1g的電子天平（如圖3）代替托盤天平，測定更方便、更準確，還節省寶貴的課堂時間。

1.火柴燃燒前后質量的測定（如圖4所示）

（1）實驗用品和試劑

火柴、試管、燒杯、氣球、酒精燈、試管夾、電子天平

（2）實驗步驟

①在試管中放入一枚火柴，在試管口系牢一個小氣球，使裝置密封;

②將試管放入燒杯，將裝置放到電子天平上稱量，記錄質量m1;

③加熱試管，引燃火柴;

④待試管冷卻后，再放入燒杯中，用電子天平稱量，記錄質量m2。

（3）改進后的優點

①用火柴燃燒代替紅磷燃燒，去繁就簡;

②裝置始終密閉，實驗成功率高;

③培養學生的實驗創新意識。

2.鋼絲棉與硫酸銅溶液反應前后質量的測定

該實驗的改進目的是提高反應速率，一分鐘或兩分鐘內就出現理想的現象，從而節省寶貴的課堂時間。反應物鐵，用鋼絲棉（非常細的鐵絲，柔軟如棉，如圖5）代替鐵釘，可以使反應物接觸面積增加到足夠大，進而明顯提高反應速率。硫酸銅溶液的選擇，如果濃度過大，反應后就有較多硫酸銅剩余，會使溶液仍然顯藍色。如果硫酸銅溶液濃度過小，溶液顏色太淺，也不易觀察到明顯的顏色變化。通過查閱文獻和實驗驗證，最終選用質量分數為4%的硫酸銅溶液，為了更快地出現理想現象，還可以在4%的硫酸銅溶液中加入少量氯化鈉。實驗裝置及現象如圖6所示。

（1）實驗用品和試劑

鋼絲棉、質量分數4%的硫酸銅溶液、試管、橡膠塞、燒杯、電子天平

（2）實驗步驟

①在試管中加入適量硫酸銅溶液，塞好橡膠塞，觀察溶液的顏色;

②取適量鋼絲棉，輕輕擰成比試管稍長的條狀，便于反應后將鋼絲棉提離液面，觀察鋼絲棉表面的變化以及溶液顏色的變化。鋼絲棉浸入硫酸銅溶液的一端稍大，以增加反應物的量（這步可由教師課前準備，以節省課堂時間）;

③稱量反應前儀器、藥品的總質量，記錄質量m1;

④將鋼絲棉浸入硫酸銅溶液中，塞好橡膠塞，觀察現象。待反應一段時間后，將鋼絲棉提離液面，觀察現象;

⑤待溶液顏色改變后，稱量反應后儀器、藥品的總質量，記錄質量m2。

（3）改進后的優點

①反應速率快，實驗現象明顯;

②節約藥品。用試管代替錐形瓶，反應物用量少，而且實驗結束后剪去下端參加反應的鋼絲棉，上端可回收再利用。

3.碳酸鈉與稀鹽酸反應前后質量的測定

稍作分析，學生不難發現，反應后沒有稱量到二氧化碳的質量，可順勢引導學生對實驗進行改進與創新，設計密閉體系的實驗裝置。然后由學生對各小組設計的裝置進行評價、改進，最后選擇合理的裝置（如圖7），小組合作再次實驗。

（1）實驗用品和試劑

碳酸鈉粉末、稀鹽酸、錐形瓶、氣球、試管、單孔橡膠塞、注射器、礦泉水瓶、電子天平

（2）實驗步驟

①使用提供的實驗用品，設計一套實驗裝置，使反應中的各物質都能被稱量到;

②利用設計的裝置進行實驗，先稱量反應前儀器、藥品的總質量，記錄質量m1;

③使反應發生，觀察記錄實驗現象;

④稱量反應后儀器、藥品的總質量，記錄質量m2;

⑤破壞密封體系，再稱量儀器、剩余藥品的總質量，記錄質量m3，分析數據變化的原因，得出結論。

（3）改進后的優點

①便于學生意識到氣體對該實驗質量測定的影響，進而深化對定律中“各物質”與“質量總和”兩個關鍵詞的理解;

②培養學生的質疑精神和實驗創新能力。

三、實驗教學反思

以上實驗內容基于教材又不拘泥于教材。改進后的實驗，藥品用量少、耗時短、操作簡單、現象明顯，便于教師演示和學生分組實驗。學生在實驗中學會合作，面對“異常”現象敢于提出自己的見解，發展了學生“實驗探究與創新意識”的學科核心素養。