科學(xué)課電子天平的奇妙應(yīng)用

李學(xué)海

摘要：文章具體介紹了電子天平在驗(yàn)證反應(yīng)物、生成物之間的質(zhì)量關(guān)系和驗(yàn)證二氧化碳密度比空氣大的實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。從實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)論分析來(lái)驗(yàn)證反應(yīng)物、生成物之間的質(zhì)量關(guān)系；用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明托盤(pán)天平、電子天平來(lái)測(cè)量二氧化碳密度大小的可行性。

關(guān)鍵詞：電子天平；質(zhì)量關(guān)系；二氧化碳密度

文章編號(hào)：1008-0546（2017）12-0086-02 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.030

一、驗(yàn)證反應(yīng)物、生成物之間存在一定的質(zhì)量關(guān)系

1.問(wèn)題的提出

浙教版科學(xué)第四冊(cè)第三章第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)方程式有三課時(shí)內(nèi)容，分別是質(zhì)量守恒定律、化學(xué)方程式的配平以及根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算。質(zhì)量守恒定律是化學(xué)由定性走向定量的第一步，具有重要的意義。第二課時(shí)化學(xué)反應(yīng)方程式的配平中涉及了化學(xué)方程式的意義，其中化學(xué)方程式可以定量的表示反應(yīng)物、生成物各物質(zhì)之間的質(zhì)量比。

根據(jù)理論分析反應(yīng)物、生成物之間是存在一定質(zhì)量比的，但是實(shí)際情況是學(xué)生只是記住了最終的結(jié)果，沒(méi)有直觀的體驗(yàn)過(guò)程。學(xué)習(xí)是學(xué)生自我建構(gòu)的過(guò)程，只有當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、分析討論、師生互動(dòng)，學(xué)生才會(huì)真正的理解。在教學(xué)中，應(yīng)盡量避免將結(jié)論直接告訴學(xué)生，而應(yīng)該根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和要求的需要，積極創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究和實(shí)踐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓抽象的思維具體化、形象思維直觀化、邏輯思維顯現(xiàn)化。

因此筆者也在思考，能否設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)物、生成物之間存在質(zhì)量比？化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的狀態(tài)類(lèi)型很多，如固體與固體、固體與液體、液體與液體等。我們考慮反應(yīng)物狀態(tài)是固體和液體反應(yīng)產(chǎn)生氣體，因?yàn)楣腆w的質(zhì)量與生成氣體質(zhì)量的關(guān)系容易稱(chēng)量、計(jì)算，如碳酸鈣與稀鹽酸的反應(yīng)。碳酸鈣固體用粉末，不用純度不高的石灰石、大理石，生成氣體的質(zhì)量用反應(yīng)前后藥品和儀器的質(zhì)量差值來(lái)計(jì)算。

2.實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)藥品和器材：碳酸鈣（粉末）、稀鹽酸、藥匙、兩只小燒杯（50mL）、電子天平（精確到0.01g）。

反應(yīng)的原理是CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，反應(yīng)前先稱(chēng)量出一只空燒杯的質(zhì)量，用藥匙取一定質(zhì)量碳酸鈣粉末放入空燒杯中，它們質(zhì)量的差值即為碳酸鈣的質(zhì)量。再取一只小燒杯倒入過(guò)量的稀鹽酸，然后將兩只小燒杯放在電子天平上稱(chēng)量反應(yīng)前藥品和儀器的總質(zhì)量，如圖1。下一步將稀鹽酸慢慢倒入到裝有碳酸鈣粉末的小燒杯中，反應(yīng)結(jié)束后稱(chēng)量?jī)芍粺胺磻?yīng)后剩余物的總質(zhì)量。反應(yīng)前后藥品和儀器總質(zhì)量的差值即為生成并逃逸的二氧化碳的質(zhì)量，將數(shù)據(jù)填入表格1。

3.數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

只有一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能說(shuō)明反應(yīng)物、生成物之間的質(zhì)量比，那還需要更多組的質(zhì)量關(guān)系，于是筆者投影展示課前實(shí)驗(yàn)的幾組數(shù)據(jù)，如表格2。

因?yàn)槭嵌繉?shí)驗(yàn)，有了這些數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理？學(xué)生很容易想到在直角坐標(biāo)系中以碳酸鈣質(zhì)量為橫坐標(biāo)，二氧化碳的質(zhì)量為縱坐標(biāo)，描出相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，找出它們之間的關(guān)系。但手工作圖誤差比較大，于是筆者借助Excel畫(huà)出各個(gè)散點(diǎn)，右鍵添加趨勢(shì)線。在趨勢(shì)線選項(xiàng)中選擇線性、設(shè)置截距（S）=0.0、顯示公式（E），最終得出直線和函數(shù)公式，如圖2。

二、驗(yàn)證二氧化碳的密度比空氣大

在“二氧化碳的性質(zhì)和用途”的教學(xué)中，證明二氧化碳的密度比空氣大的演示實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)的有兩種方法。第一種方法是在大燒杯中放置一個(gè)支架，支架上固定兩支點(diǎn)燃的蠟燭，將一瓶二氧化碳慢慢倒入燒杯中，觀察蠟燭火焰變化。正常現(xiàn)象是下層蠟燭先熄滅、上層蠟燭后熄滅。

第二種方法是在一根粗細(xì)均勻的杠桿中間，用棉線拴住后懸掛在鐵架臺(tái)上，先讓兩個(gè)充滿空氣的塑料袋掛在杠桿的兩端，調(diào)節(jié)杠桿平衡。然后，向其中一只塑料袋中倒入二氧化碳?xì)怏w，可以看到，杠桿向裝有二氧化碳的一側(cè)傾斜。

有同學(xué)認(rèn)為下面的方法也可行：取一托盤(pán)天平，在天平左邊放一只500mL的燒杯，用砝碼平衡。再向燒杯內(nèi)倒入300mL的集氣瓶收集到的二氧化碳?xì)怏w，可明顯看到天平向二氧化碳一側(cè)傾斜。

但筆者經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，左側(cè)托盤(pán)并不下降，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯。究其原因，可能排空氣法收集的氣體不純，在傾倒過(guò)程中有部分的二氧化碳?xì)怏w逸出導(dǎo)致燒杯內(nèi)質(zhì)量變化太小。如果用電子天平代替托盤(pán)天平會(huì)有什么樣的結(jié)果？

實(shí)驗(yàn)器材：電子天平（精確到0.01g）、集氣瓶（300mL）、毛玻璃片、燒杯（500mL）。

實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳采用的是石灰石和稀鹽酸反應(yīng)，用向上排空氣法收集產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，用點(diǎn)燃的木條放在集氣瓶口來(lái)檢驗(yàn)，若燃著的木條熄滅證明二氧化碳已經(jīng)收集滿。我們可以將托盤(pán)天平換成電子天平（精確到0.01g），其上放上500mL的燒杯，調(diào)零去皮。然后將實(shí)物投影對(duì)準(zhǔn)電子天平的顯示屏，使顯示屏的信息在屏幕上顯示。將集氣瓶中收集到的氣體倒入到燒杯中，觀察電子天平的讀數(shù)變化，如圖3。

由以上的數(shù)據(jù)可知，用精確到0.01g的電子天平測(cè)量效果明顯。0℃時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下二氧化碳的密度為1.977g/L，空氣的密度為1.293g/L。

向上排空氣法收集的氣體中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為0.099L/0.3L×100%=33.0%，由計(jì)算結(jié)果可知，能使燃著木條熄滅的二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)并不是100%，達(dá)到上述的體積分?jǐn)?shù)也能使點(diǎn)燃的木條熄滅。endprint