初中化學“質量守恒定律”實驗的商榷與建議

摘? ?要

通過對六個版本初中化學教材關于探究化學反應前后質量關系實驗內容的分析和比較，優化關于探究質量守恒定律的實驗，旨在使實驗更具有操作性，更容易讓學生通過對實驗的探究從不同角度深層次地理解質量守恒定律的含義。

關鍵詞

初中化學? 質量守恒定律? 化學實驗? 探究活動

在《義務教育化學課程標準（2011版）》中，質量守恒定律屬于“物質的變化”主題中的一個二級主題，是初中化學中的一個核心知識。課程標準對質量守恒定律的標準要求是“認識質量守恒定律，能說明化學反應中的質量關系”。活動與探究的建議之一是“實驗探究化學反應前后質量關系”。從課程標準不難看出初中學生學習質量守恒定律應是建立在實驗基礎之上，應通過實驗探究等活動來認識質量守恒定律。

本文主要對人民教育出版社（以下簡稱人教版）、上海教育出版社課標組（以下簡稱滬教版）、山東教育出版社（六三制）（以下簡稱魯教版）、科學普及出版社（以下簡稱科普版）、廣東教育出版社（以下簡稱粵教版）、北京出版社（以下簡稱北京版）等國內使用較多的六個版本的初中化學教科書中有關驗證質量守恒定律的探究實驗進行比較與分析，以期達到對實驗設計的優化。

一、對“質量守恒定律”實驗問題的商榷

所選的六個版本教材共涉及七個關于驗證質量守恒定律的實驗，具體內容見表1。七個實驗的目的均是讓學生通過實驗從宏觀的角度去驗證化學反應前后質量是否守恒，從實驗角度去認識和理解質量守恒定律，從宏觀層面幫助學生搞清楚質量守恒定律的含義。魯教版只給出實驗儀器、藥品之類供學生實驗選用，讓學生根據提示自主探究，這對于剛剛接觸化學學科的初中學生而言難度比較大，而其余版本均給出了具體的實驗操作方案，長期的教學實踐發現上述7個實驗中存在可商榷的地方。

表1? 各版本驗證反應前后質量變化實驗匯總

1.氫氧化鈉和硫酸銅實驗是否適合用來驗證質量守恒

粵教版、滬教版、魯教版、北京版的教材均使用了硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應來測量反應前后質量的變化。粵教版和滬教版是在膠頭滴管中盛放氫氧化鈉溶液，然后逐滴滴入錐形瓶中的硫酸銅溶液中;北京版是把氫氧化鈉放置于小試管中，反應的時候需將錐形瓶的橡皮塞打開，再將小試管中的氫氧化鈉溶液和錐形瓶內的硫酸銅溶液混合。從操作層面上看粵教版和滬教版的操作比較簡便，不需要將儀器從天平中取下，可以直接將氫氧化鈉溶液通過膠頭滴管直接滴入硫酸銅溶液中。

但事實上氫氧化鈉和硫酸銅的反應是比較復雜的，可能會因硫酸銅和氫氧化鈉溶液的濃度、反應溫度以及反應物的量而影響生成物質的成分，可能導致產生綠色沉淀或藍白沉淀，甚至生成黑色固體。例如，當硫酸銅的量較多于氫氧化鈉的量時，可能會發生如下的化學反應：

4CuSO4+2NaOH=Cu4（OH）6SO4↓+3Na2SO4，

得到是綠色沉淀堿式硫酸銅（Cu4（OH）6SO4），而不是藍色沉淀;如果用較濃的氫氧化鈉溶液和較濃的硫酸銅溶液等量混合，生成的氫氧化銅會在強堿性條件下自然脫水變黑。

因此，氫氧化鈉和硫酸銅反應的實驗并不適合用來驗證化學反應前后質量是否守恒。特別是粵教版和滬教版的實驗，由于膠頭滴管中只能放置1mL左右的氫氧化鈉溶液，而且氫氧化鈉溶液的濃度也不可能過濃，此實驗更不適合用此實驗裝置來驗證反應前后質量是否守恒。另外，北京版教材把氫氧化鈉敞口放置在小試管中，是否還應考慮二氧化碳也會和氫氧化鈉反應？

2.鐵釘和硫酸銅反應是否適合用來驗證質量守恒

人教版、北京版均使用鐵釘和硫酸銅反應的實驗驗證化學反應前后質量是否相等。在《給質量守恒實驗加幾個“注釋”》一文中記錄了鐵和硫酸銅反應的質量變化和反應現象隨時間的變化情況，數據見表2。從表2可以看出本實驗不可能在幾分鐘之內將硫酸銅或鐵釘完全反應掉，也不可能在較短時間內看到溶液顏色由藍色變為淺綠色。那么，在兩種反應物均沒有完全反應掉的情況下，又如何能討論反應前后質量是否守恒呢？在課堂中完成此實驗顯然是不適合的，因為本實驗的目的是驗證反應前后質量是否守恒，而不是觀察該反應是如何反應的，應充分考慮反應所需的時間。

從表格2中的數據可以發現因為鐵在酸性條件下產生氫氣等原因而最終導致物質的總質量減少，盡管減少的不多，3個小時也只有0.0405g，也不會影響用靈敏度較低的托盤天平驗證反應前后質量是否相等，但我們不能因為托盤天平無法測出反應前后質量是否有變化而默認為質量是沒有變化的，這樣認為顯然是不夠嚴謹的。

3.托盤天平是否適合用來驗證某些物質反應前后的質量變化

粵教版使用了碳酸鈣和鹽酸溶液反應來驗證反應前后質量是否守恒的實驗。把鹽酸置于膠頭滴管中，分別在開放體系和密閉體系中比較反應前后質量變化情況，可以讓學生得出有氣體生成的反應驗證反應前后質量是否守恒時必須在密閉容器中進行。但是，膠頭滴管容量有限不可能放置較多的稀鹽酸，這勢必導致產生的CO2不可能很多，即使鹽酸的濃度為37%，一滴管的鹽酸也最多只能生成0.26g左右的CO2。由于托盤天平的精確度最高只有0.1g。那么，用托盤天平稱量的話未必就可以準確測出反應前后質量的變化情況。

人教版和魯教版通過測定磷燃燒前后質量的變化來驗證化學反應前后質量是否守恒。在此實驗中一般選用250mL的錐形瓶進行實驗，錐形瓶內氧氣體積的總量大概為50mL，即質量大概為0.07g。那么，0.07g的氧氣需要消耗紅磷的質量大概為0.05g。實際上，還要考慮沙子等所占的體積，參加反應的紅磷和氧氣的質量總和要小于0.12g，而錐形瓶、沙子、橡皮塞、玻璃管、氣球的總質量大概為180g。同樣，由于天平的精確度只有0.1g，用普通的托盤天平也未必能準確反應出化學反應前后的質量關系。

人教版教材用鎂條燃燒前后質量變化來驗證化學反應前后質量是否守恒。但這個實驗有一個現實的問題就是實驗中鎂條的質量不可能也不應該取很大。如果鎂的質量很大則燃燒時間長，發出的強光會傷害學生的眼睛，如果取質量較小的鎂條也同樣會因為托盤天平的精確度的原因，不可能準確稱量出反應前后質量的變化。

所以，上述實驗用普通的托盤天平能準確反應出化學反應前后的質量關系嗎？換句話說即使天平表現出平衡，這能說明反應前后一定沒有質量變化嗎？很顯然，答案是否定的。

4.磷、鎂燃燒是否適合驗證質量守恒

人教版用紅磷燃燒前后質量的變化來驗證化學反應前后質量是否守恒，而魯教版供學生選用的藥品是白磷。用紅磷做實驗，上端系有氣球的玻璃管代替玻璃棒，從操作層面來看紅磷比白磷更安全。但現實情況是紅熱的玻璃管卻很難將紅磷引燃，玻璃管上端氣球膨脹產生的浮力也可能也會給質量的測量帶來一定的影響。

人教版教材還用鎂條燃燒前后質量變化來驗證化學反應前后質量是否守恒。鎂條燃燒發出的強光可能會傷害學生的眼睛;鎂條在空氣中燃燒的情況是比較復雜的，不僅會和氧氣反應，還會和二氧化碳、氮氣等物質發生反應;鎂條燃燒時會產生大量白煙，也會使生成物有所損耗。在《給質量守恒實驗加幾個“注釋”》一文中指出用精密的電子天平進行精確測量鎂條燃燒前后質量的測定后發現，鎂條在反應后較反應前質量減少48.01%，而非質量增加。根據以上諸因素的分析，顯然用此實驗讓學生去認識質量守恒定律是不合適的。

5.是否應注重實驗結果的分析

質量守恒定律的關鍵詞之一是“參加”，應通過對實驗的討論、分析，最終得出質量守恒定律是參加反應的各物質的質量，而非是反應物的全部質量。但六個版本的教材里都認為測得實驗前后天平保持平衡即認為質量守恒，并沒有通過對所做的實驗進行分析、探討得出質量守恒定律必須是“參加”的反應物質量，而非全部的反應物質量。所以，實驗不只是簡單的秤一下，然后比較反應前后質量是否相等那么簡單，而是需要對反應前后物質的質量作簡要的分析。

以人教版測量紅磷燃燒前后質量為例。通過分析：反應前物質的質量包括錐形瓶、玻璃管、橡皮塞、氣球、空氣、紅磷（過量）、沙子;反應后物質的質量包括錐形瓶、玻璃管、橡皮塞、氣球、除去氧氣的空氣、五氧化二磷、紅磷（剩余）。因用天平測得反應前后質量相等，所以m錐形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m氣球+m空氣+m紅磷+m沙子=m錐形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m氣球+m剩余空氣+m五氧化二磷+m剩余紅磷+ m沙子。最終得出這樣的結論：m氧氣+m參加反應的紅磷= m五氧化二磷。這樣經過對紅磷燃燒前后質量的詳細分析，學生就不難得出參加化學反應的紅磷和氧氣的質量總和等于生成物的質量總和。否則，學生很容易理解成反應物紅磷和氧氣的質量等于生成物五氧化二磷的質量，這樣就失去了做實驗的意義。

二、對“質量守恒定律”實驗內容的優化建議

“質量守恒定律”實驗應該符合以下原則：首先，能利用較為簡單的實驗儀器直觀、順利地測出化學反應前后質量的關系;其次，能通過設計的實驗得出質量守恒定律是參加反應的反應物質量，而非所有反應物質量;再者，能通過設計的實驗讓學生明白質量守恒定律中是所有參加反應的反應物和生成物的質量，讓學生知道有氣體參與反應或有氣體生成的反應需在密閉容器中進行實驗，讓學生明白質量守恒定律是一個普遍規律，表面上的不守恒都是有具體原因的;最后，設計的實驗所涉及的反應不能太復雜，實驗現象應明顯，便于觀察，有利于學生的判斷和思考。鑒于以上分析可以把實驗設計大致分為兩大組，一組是無氣體參與或生成的反應，另一組為有氣體參與或生成的反應，讓學生從不同角度去認識質量守恒，具體見表3。

表3? 優化后的實驗

1.無氣體參與或生成的實驗優化建議

（1）利用氫氧化鈉和鹽酸反應測量反應前后質量是否相等

科普版教材中是在鹽酸和酚酞的混合溶液中滴入濃的氫氧化鈉溶液來測量反應前后質量的變化。如果實驗裝置中用針筒替代膠頭滴管，彌補了膠頭滴管中不能放置較多的液體的問題，實驗裝置見圖1。實驗中學生會觀察到酚酞變紅，并根據酚酞變紅可以推斷出所滴加的氫氧化鈉已過量，即氫氧化鈉剩余。通過實驗分析不難得出：m鹽酸+m參加反應的氫氧化鈉=m氯化鈉+m水。

（2）利用氯化鈣和碳酸鈉反應測量反應前后質量是否相等

將碳酸鈉逐滴滴入氯化鈣溶液中至不再產生沉淀為止，實驗裝置同樣如圖1所示，針筒的功能也和上述實驗一樣。經實驗分析不難得出如下結論：m碳酸鈉+m氯化鈣=m碳酸鈣+m氯化鈉。

上述兩個實驗均操作簡單，現象明顯易于觀察，易于學生對實驗的分析和判斷，有利于學生對質量守恒定律形成初步的認識。

2.有氣體參與或生成的實驗優化建議

（1）利用銅粉和氧氣反應測量反應前后質量是否相等

首先將5g銅粉置于錐形瓶中，塞上橡皮塞，并稱量其質量。然后，將錐形瓶在酒精燈上微熱片刻，待冷卻后再次稱量錐形瓶等的質量，比較兩次稱量的結果。再取5g銅粉置于錐形瓶中，稱量其質量。然后，將錐形瓶在酒精燈上微熱，冷卻后再次稱量錐形瓶等的質量，比較兩次稱量的結果。因為加橡皮塞和不加橡皮塞的結果不一樣，形成了鮮明的對比。通過對前后兩次銅粉和氧氣反應的對比分析可以讓學生進一步知道質量守恒定律中所指的反應物的質量還應包括參加反應的氣體質量，有氣體參加的反應理應在密閉容器中進行實驗。

采用銅粉為實驗原材料替代磷或者鎂和氧氣反應來比較反應前后質量的變化，主要考慮銅粉與氧氣的反應速率較快，現象由紅色變為黑色直觀明顯，且不存在其它影響反應的因素，特別是對學生不會造成任何傷害。實驗中可以明顯的觀察到有少量的銅粉沒有變黑，說明銅粉是過量的。學生通過對反應前后物質情況的分析，可以較為容易的得出反應前后質量相等必須是參加反應的物質質量，而非是所有反應物的質量。

（2）利用碳酸鈣和鹽酸反應測量反應前后質量是否相等

碳酸鈣（塊狀）和鹽酸反應前后質量的測定，是結合了粵教版和滬教版的優點形成的，具體的實驗裝置見圖2。針筒的作用相當于分液漏斗的作用，但比分液漏斗穩，不會在實驗過程中從托盤天平上翻倒。用氣球可以起到緩沖的作用，防止生成的CO2將橡皮塞沖出。實驗選用的碳酸鈣是塊狀而不是粉末狀的，主要考慮塊狀的碳酸鈣與鹽酸反應速率適中。通過對前后兩次碳酸鈣和鹽酸反應的對比分析可以讓學生進一步知道質量守恒定律中所指的生成物的質量還應包括生成的氣體質量，即有氣體生成的反應驗證反應前后質量是否守恒時必須在密閉容器中進行。

上述兩個實驗反應時間短，現象明顯，學生既能從感官上接受，又有利于學生對質量守恒的進一步認識，在腦海里架構起質量守恒定律的初步框架。

3.稱量工具的建議

眾所周知，托盤天平是一種比較粗略的稱量工具，準確度為0.1g，是不能準確測出反應前后質量微妙變化的。也就是說有時天平顯示平衡，并不代表反應前后質量沒有變化，只是因為天平靈敏度所致沒有把質量變化測出來而已。為使實驗結果更具有說服力，使實驗更為嚴謹，建議在實驗過程中使用靈敏度較高的電子天平等較為常見的稱量工具。

初三學生無法通過閱讀深刻理解質量定律的含義，更無法從微觀角度去理解質量守恒定律的本質，必須借助宏觀的實驗去驗證，從宏觀實驗再到微觀分析，幫助學生逐漸揭開定律的面紗和本質。因此，設計的實驗不是簡單的選用幾個化學反應，然后考查一下反應前后質量是否相等，而是要依據學生實際的水平、心理特點去設計一系列的實驗。當然，最重要的是學生在對定律的探究和分析的過程中能形成相應的化學思維方法和化學基本觀念。

參考文獻

[1] 史靜琤，莫顯昆，孫振球.量表編制中內容效度指數的應用[J].中南大學學報：醫學版，2012，37（04）：152-155.

[2] 化學課程教材研究開發中心.九年級化學（上）[M].北京：人民教育出版社，2012：92-95.

[3] 山東教育出版社化學室.九年級化學（上）[M].山東：山東教育出版社，2012：100-103.

[4] 北京市仁愛教育研究所.九年級化學（上）[M].北京：科學普及出版社，2013：126-129.

[5] 北京教育科學研究院.九年級化學（上）[M].北京：北京出版社，2013：126-129.

[6] 江琳才，錢揚義，李開祥.九年級化學（上）[M].北京，廣東：科學出版社，廣東教育出版社，2017：110-112.

[7] 中學化學國家課程標準研制組.九年級化學（上）[M].上海：上海教育出版社，2016：100-102.

[8] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[9] 陸江嵐.氫氧化鈉與硫酸銅定量反應的研究[J].教學儀器與實驗，2013，29（06）：28-29.

[10] 錢勝，田博文，劉懷樂.給質量守恒實驗加幾個“注釋”[J].化學教育2008，29（07）：77-78.

[11] 劉懷樂.對Cu（OH）2制備實驗的研究[J].化學教育，2004（10）：53-56.

[作者：莊曉松（1977-），男，江蘇海門人，華東師范大學教師教育學院，博士生。]

【責任編輯? 郭振玲】