質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)研究

王文婭

（蘇州市高新區(qū)第二中學(xué) 江蘇 蘇州 215129）

質(zhì)量守恒定律是初中化學(xué)的一個(gè)重要化學(xué)規(guī)律，是分析物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系的理論依據(jù)，是定量研究化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)，它的應(yīng)用貫穿于整個(gè)中學(xué)化學(xué)。透徹理解質(zhì)量守恒定律對(duì)于中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)非常重要。而質(zhì)量守恒定律是一條比較抽象的理論，需要借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)形象地理解它。初中化學(xué)教學(xué)中，教師對(duì)驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的研究也很多。

人教版教材利用白磷燃燒的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究質(zhì)量守恒定律。但是白磷的著火點(diǎn)很低，容易自燃，而且白磷有毒，燃燒產(chǎn)物三氧化二磷和五氧化二磷也有毒性，實(shí)驗(yàn)不慎就會(huì)造成一定的危害。驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)一般都是使用托盤天平來(lái)稱量，但托盤天平的感量一般為0．1g，實(shí)驗(yàn)所取用的白磷只有火柴頭大小，質(zhì)量太小，反應(yīng)時(shí)容器的敞開與密閉對(duì)天平的平衡影響不大。所以，采用白磷燃燒實(shí)驗(yàn)來(lái)研究質(zhì)量守恒定律不是很妥當(dāng)。

上教版教材選擇利用石灰石和稀鹽酸的反應(yīng)來(lái)研究質(zhì)量守恒定律。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，氣體逸出后容器內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量明顯減小，反應(yīng)時(shí)容器是敞開還是密閉對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響很大。但該實(shí)驗(yàn)最大的問(wèn)題是如何確保產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w留在密閉容器內(nèi)并且不因裝置內(nèi)氣壓變大產(chǎn)生危險(xiǎn)。就這一問(wèn)題，筆者進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了可行性分析。

一、分析“石灰石與鹽酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的幾套裝置的可行性

按圖1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。先在錐形瓶中放入少量石灰石，再將一支盛有稀鹽酸的小試管放入錐形瓶中，最后在錐形瓶口塞上橡皮塞并旋緊。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將錐形瓶側(cè)放，小試管中的稀鹽酸倒出，與石灰石接觸。石灰石與鹽酸反應(yīng)后產(chǎn)生大量二氧化碳，錐形瓶?jī)?nèi)氣壓瞬間增大，導(dǎo)致橡皮塞被彈出。該實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較大，不適合實(shí)際應(yīng)用。

圖1

圖2

圖3

圖4

為了避免反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳導(dǎo)致錐形瓶?jī)?nèi)氣壓過(guò)大而發(fā)生危險(xiǎn)，進(jìn)行了如圖2的改進(jìn)，在圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，取走橡皮塞，在錐形瓶口套一個(gè)氣球。實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)致氣球膨脹，避免了裝置內(nèi)氣壓變大而發(fā)生危險(xiǎn)。但是，如果反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳較多，使得氣球膨脹體積較大，整套裝置在空氣中受到的浮力就會(huì)明顯增大，導(dǎo)致反應(yīng)后稱得的質(zhì)量小于反應(yīng)前稱得的質(zhì)量，無(wú)法驗(yàn)證質(zhì)量守恒。所以該裝置也不可行。

上述實(shí)驗(yàn)不可行的原因是由于生成的二氧化碳導(dǎo)致錐形瓶?jī)?nèi)氣壓過(guò)大造成危險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)失敗，所以首要考慮如何使二氧化碳留在裝置內(nèi)，同時(shí)又不能改變整套裝置的體積?；谶@一考慮，選用石灰水或氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，進(jìn)行了如圖3的改進(jìn)。先在錐形瓶?jī)?nèi)倒入一定量的石灰水或氫氧化鈉溶液，把少量盛有石灰石的小試管放入錐形瓶中，再將一支膠頭滴管伸入單孔橡皮塞，并用膠頭滴管吸取一滴管的稀鹽酸，最后在錐形瓶口塞上橡皮塞并旋緊。教學(xué)過(guò)程中使用該方法進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮容^順利的完成任務(wù)，但是在進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)卻出現(xiàn)了問(wèn)題。因?yàn)槭宜驓溲趸c溶液吸收二氧化碳需要一定的時(shí)間，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)必須注意鹽酸的濃度和用量，滴加時(shí)不能一次滴加完，要分次滴加，并且要邊滴加邊振蕩，使二氧化碳被石灰水充分吸收，否則很容易因?yàn)檠b置內(nèi)氣壓過(guò)大而導(dǎo)致橡皮塞被彈出。對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)而言，注意事項(xiàng)太多，學(xué)生在進(jìn)行操作時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)橡皮塞彈出的問(wèn)題。而且，該實(shí)驗(yàn)中涉及了兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生在理解時(shí)對(duì)石灰水的作用容易產(chǎn)生疑惑，不利于質(zhì)量守恒定律的分析。該裝置雖然可行，但不適合進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

為了使實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、安全可靠，進(jìn)行了如圖4的改進(jìn)。在錐形瓶?jī)?nèi)放入少量石灰石，在注射器內(nèi)加入一定量的稀鹽酸，實(shí)驗(yàn)時(shí)將稀鹽酸注入錐形瓶中，反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳使錐形瓶?jī)?nèi)氣壓變大，注射器活塞被彈起。該裝置最大的優(yōu)點(diǎn)就是注射器所起的作用：（1）存放并滴加鹽酸；（2）利用注射器活塞移動(dòng)產(chǎn)生空間儲(chǔ)存反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w；（3）注射器的活塞移動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致整套裝置在空氣中所受到的浮力變大；（4）避免使用石灰水吸收二氧化碳，導(dǎo)致講解質(zhì)量守恒定律時(shí)因分析石灰水的作用而重點(diǎn)偏離。

綜上，圖4裝置最適合進(jìn)行驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

二、定量研究圖4裝置所需的儀器規(guī)格和鹽酸濃度

上教版教材上關(guān)于圖4裝置的實(shí)驗(yàn)只要求石灰石用量5g、鹽酸用量5mL，對(duì)于鹽酸濃度、錐形瓶、注射器和托盤天平的規(guī)格均沒有具體要求。但是，要使該實(shí)驗(yàn)安全進(jìn)行，儀器規(guī)格和鹽酸濃度的選擇有一定的要求。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)討論鹽酸濃度和儀器規(guī)格的選擇。

1．注射器、錐形瓶、托盤天平規(guī)格的選擇

（1）注射器規(guī)格的選擇

市售注射器的規(guī)格一般有 10mL、20mL、30mL、50mL和100mL。根據(jù)理論計(jì)算，5mL濃度為1∶4的鹽酸與足量石灰石充分反應(yīng)，得到的二氧化碳的體積約為130mL左右。但是考慮到藥品不可能全反應(yīng)完，且100mL注射器組裝后裝置頭重腳輕，所以選擇50mL注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

注射器要注意選擇活塞與針筒壁摩擦較小的，否則可能會(huì)因?yàn)榛钊苿?dòng)不暢而導(dǎo)致橡皮塞被彈出。

（2）錐形瓶規(guī)格的選擇

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般配備100mL和250mL兩種規(guī)格的錐形瓶。

使用100mL的錐形瓶、50mL的注射器，濃度為1∶4的鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察到注射器活塞迅速上升，很快超過(guò)50mL刻度線上升到超過(guò)60mL的位置（60mL無(wú)刻度，估算的），停留一段時(shí)間后橡皮塞被彈出。

使用250mL的錐形瓶、50mL注射器，濃度為1∶4的鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察到注射器活塞隔幾秒后再開始上升，停留在約40mL處超過(guò)1分鐘，振蕩錐形瓶后活塞又開始上升，停留在約60mL（估算）處較長(zhǎng)時(shí)間。

兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選擇250mL的錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更安全。

（3）托盤天平規(guī)格的選擇

由于250mL錐形瓶加上注射器和藥品，總質(zhì)量會(huì)超過(guò)100g，需要使用量程為200g或500g的托盤天平才能完成實(shí)驗(yàn)。

2．鹽酸濃度的選擇

選用 1∶2、1∶4、1∶6 三種濃度的鹽酸進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，裝置選用250mL的錐形瓶、50mL注射器。

使用1∶2的鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注射器活塞迅速上升，最終橡皮塞被彈出。

使用1∶4的鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注射器活塞隔幾秒后再開始上升，停留在約40mL處超過(guò)1分鐘，振蕩錐形瓶后活塞又開始上升，停留在約50mL處1～2分鐘，活塞繼續(xù)上升，最后停留在約60mL（估算）處較長(zhǎng)時(shí)間。

使用1∶6的鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，注射器活塞1分鐘后才開始上升，停留在約25mL刻度處，振蕩后緩慢上升，停留在約35mL處，隔1～2分鐘后又繼續(xù)上升，重復(fù)上述過(guò)程，最終停留在約60mL（估算）處。

綜上，使用濃度為1∶2的鹽酸與石灰石反應(yīng)，注射器活塞很容易被彈出，實(shí)驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)。

使用濃度為1∶4的鹽酸，注射器活塞上升的現(xiàn)象明顯，在一定的時(shí)間里活塞不會(huì)被彈出，比較安全。但是如果放置過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，活塞還是有可能被彈出，所以在實(shí)驗(yàn)完成后一定要學(xué)生將橡皮塞取下，防止二氧化碳不斷產(chǎn)生而導(dǎo)致活塞被彈出。

使用濃度為1∶6的鹽酸，所需時(shí)間較長(zhǎng)，但是實(shí)驗(yàn)相對(duì)更安全，所以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)建議使用該濃度的鹽酸。安全起見，實(shí)驗(yàn)完成后也要求將橡皮塞取下。

3．小結(jié)

該實(shí)驗(yàn)建議使用250mL錐形瓶、50mL注射器、200g量程的托盤天平、濃度為1∶4或1∶6的鹽酸。

有些學(xué)校因?yàn)闂l件所限，200g天平的數(shù)量不夠開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，需要將裝置和藥品的總質(zhì)量控制在100g以下，這種情況下只能使用100mL的錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)，應(yīng)該將石灰石和鹽酸的用量減半，實(shí)驗(yàn)才能夠安全進(jìn)行。

2012上教版中學(xué)化學(xué)教材在實(shí)驗(yàn)的設(shè)置、內(nèi)容、數(shù)量以及形式等方面較以往都有了很大的改變，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也應(yīng)隨著新課程的實(shí)施進(jìn)行相應(yīng)的改革和創(chuàng)新。目前教材上很多演示實(shí)驗(yàn)都變?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)。對(duì)于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，一般要求原料易得、操作簡(jiǎn)便、安全性高，對(duì)于質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的研究也是本著這一原則進(jìn)行的，一線的化學(xué)教師應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中不斷發(fā)揮聰明才智，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使得實(shí)驗(yàn)更適合學(xué)生進(jìn)行操作。

參考資料

［1］ 人教社課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］．北京：人民教育出版社，2009

［2］ 中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］．上海：上海教育出版社，2009

［3］ 中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組．義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）［M］．上海：上海教育出版社，2012