・实验教学研究・ 质量守恒定律的实验研究 王文娅 （苏州市高新区第二中学 江苏苏州 ２１５１２９） 摘要：关于验证此定律的实验从最初人教版的“白磷燃烧实验”到２０１２上教版的“石灰石与稀盐酸反应实验”．一直在不 断改进。文章对验证质量守恒定律实验的改进历程进行了概括、分析，并对２０１２版教材中该实验进行了定量分析。 关键词：质量守恒定律；实验改进；石灰石与盐酸 文章编号：１００８—０５４６（２０１４）０１～００９３—０２ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１４．０１．０３８ 中图分类号：Ｇ６３３．８ 文献标识码：Ｂ 质量守恒定律是初中化学的一个重要化学规律， 是分析物质在化学反应中质量关系的理论依据，是定 量研究化学反应的基础。它的应用贯穿于整个中学化 学。透彻理解质量守恒定律对于中学化学的学习非常 重要。而质量守恒定律是一条比较抽象的理论，需要 借助化学实验来形象地理解它。初中化学教学中，教 师对验证质量守恒定律实验的研究也很多。 人教版教材利用白磷燃烧的实验来研究质量守 合实际应用。 为了避免反应产生二氧化碳导致锥形瓶内气压 恒定律。但是白磷的着火点很低，容易自燃，而且白磷 有毒，燃烧产物三氧化二磷和五氧化二磷也有毒性， 实验不慎就会造成一定的危害。验证质量守恒定律的 过大而发生危险。进行了如图２的改进，在图１所示 的实验装置中，取走橡皮塞，在锥形瓶口套一个气球。 实验时，反应产生二氧化碳气体导致气球膨胀．避免 了装置内气压变大而发生危险。但是，如果反应产生 实验一般都是使用托盘天平来称量，但托盘天平的感 量一般为０．１ｇ，实验所取用的白磷只有火柴头大小， 质量太小，反应时容器的敞开与密闭对天平的平衡影 响不大。所以，采用白磷燃烧实验来研究质量守恒定 的二氧化碳较多，使得气球膨胀体积较大．整套装置 在空气中受到的浮力就会明显增大，导致反应后称得 律不是很妥当。 上教版教材选择利用石灰石和稀盐酸的反应来 研究质量守恒定律。该实验现象明显，气体逸出后容 器内物质质量明显减小，反应时容器是敞开还是密闭 对实验的结果影响很大。但该实验最大的问题是如何 确保产生的二氧化碳气体留在密闭容器内并且不因 装置内气压变大产生危险。就这一问题，笔者进行了 系列的实验，并对这些实验进行了可行性分析。 一一的质量小于反应前称得的质量，无法验证质量守恒。 所以该装置也不可行。 上述实验不可行的原因是由于生成的二氧化碳 导致锥形瓶内气压过大造成危险或实验失败，所以首 要考虑如何使二氧化碳留在装置内。同时又不能改变 整套装置的体积。基于这一考虑，选用石灰水或氢氧 化钠溶液吸收二氧化碳，进行了如图３的改进。先在 锥形瓶内倒人一定量的石灰水或氢氧化钠溶液，把少 量盛有石灰石的小试管放人锥形瓶中，再将一支胶头 滴管伸人单孔橡皮塞，并用胶头滴管吸取一滴管的稀 盐酸，最后在锥形瓶Ｅｌ塞上橡皮塞并旋紧。教学过程 中使用该方法进行演示实验能够比较顺利的完成任 务，但是在进行学生分组实验时却出现了问题。因为 石灰水或氢氧化钠溶液吸收二氧化碳需要一定的时 间，所以实验时必须注意盐酸的浓度和用量，滴加时 不能一次滴加完，要分次滴加，并且要边滴加边振荡， 使二氧化碳被石灰水充分吸收，否则很容易因为装置 一、分析“石灰石与盐酸反应”实验的几套装置 的可行性 按图１装置进行实验。先在锥形瓶中放人少量石 灰石，再将一支盛有稀盐酸的小试管放人锥形瓶中， 最后在锥形瓶口塞上橡皮塞并旋紧。实验时，将锥形 瓶侧放。小试管中的稀盐酸倒出，与石灰石接触。石灰 石与盐酸反应后产生大量二氧化碳，锥形瓶内气压瞬 间增大，导致橡皮塞被弹出。该实验危险性较大，不适 化学教与学２０１４年第１期 ９３— ・实验教学研究・ 内气压过大而导致橡皮塞被弹出。对于学生实验而 言。注意事项太多。学生在进行操作时常常会出现橡 无刻度，估算的），停留一段时间后橡皮塞被弹出。 使用２５０ｍＬ的锥形瓶、５０ｍＬ注射器，浓度为１：４ 皮塞弹出的问题。而且，该实验中涉及了两个化学反 应，学生在理解时对石灰水的作用容易产生疑惑，不 利于质量守恒定律的分析。该装置虽然可行，但不适 合进行学生实验。 为了使实验装置简单、可操作性强、安全可靠，进 行了如图４的改进。在锥形瓶内放入少量石灰石，在 的盐酸进行实验，观察到注射器活塞隔几秒后再开始 上升，停留在约４０ｍＬ处超过１分钟，振荡锥形瓶后活 塞又开始上升，停留在约６０ｍＬ（估算）处较长时间。 两组实验对比．选择２５０ｍＬ的锥形瓶进行实验更 安全。 （３１托盘天平规格的选择 注射器内加入一定量的稀盐酸．实验时将稀盐酸注入 锥形瓶中，反应产生二氧化碳使锥形瓶内气压变大， 注射器活塞被弹起。该装置最大的优点就是注射器所 起的作用：（１）存放并滴加盐酸；（２）利用注射器活塞 移动产生空间储存反应产生的二氧化碳气体；（３）注 射器的活塞移动不会导致整套装置在空气中所受到 的浮力变大；（４）避免使用石灰水吸收二氧化碳，导致 讲解质量守恒定律时因分析石灰水的作用而重点偏 离。 综上。图４装置最适合进行验证质量守恒定律的 学生实验。 二、定量研究图４装置所需的仪器规格和盐酸浓 度 上教版教材上关于图４装置的实验只要求石灰 石用量５ｇ、盐酸用量５ｍＬ，对于盐酸浓度、锥形瓶、注 射器和托盘天平的规格均没有具体要求。但是，要使 该实验安全进行，仪器规格和盐酸浓度的选择有一定 的要求。下面通过实验讨论盐酸浓度和仪器规格的选 择。 １．注射器、锥形瓶、托盘天平规格的选择 （１）注射器规格的选择 市售注射器的规格一般有ｌＯｍＬ、２０ｍＬ、３ＯｒａＬ、 ５ＯｒａＬ和ｌＯＯｍＬ。根据理论计算，５ｍＬ浓度为１：４的盐 酸与足量石灰石充分反应．得到的二氧化碳的体积约 为１３０ｍＬ左右。但是考虑到药品不可能全反应完，且 ｌＯＯｍＬ注射器组装后装置头重脚轻．所以选择５０ｍＬ 注射器进行实验。 注射器要注意选择活塞与针筒壁摩擦较小的，否 则可能会因为活塞移动不畅而导致橡皮塞被弹出。 （２）锥形瓶规格的选择 中学化学实验室一般配备ｌＯＯｍＬ和２５０ｍＬ两种 规格的锥形瓶 使用ｌＯＯｍＬ的锥形瓶、５０ｍＬ的注射器，浓度为 １：４的盐酸进行实验，观察到注射器活塞迅速上升，很 快超过５０ｍＬ刻度线上升到超过６０ｍＬ的位置（６０ｍＬ －——９４－—— 由于２５０ｍＬ锥形瓶加上注射器和药品，总质量会 超过ｌＯＯｇ，需要使用量程为２００ｇ或５００ｇ的托盘天平 才能完成实验。 ２．盐酸浓度的选择 选用１：２、１：４、１：６三种浓度的盐酸进行对比实 验，装置选用２５０ｍＬ的锥形瓶、５０ｍＬ注射器。 使用１：２的盐酸进行实验，注射器活塞迅速上升， 最终橡皮塞被弹出。 使用１：４的盐酸进行实验，注射器活塞隔几秒后再 开始上升，停留在约４ＯｒａＬ处超过１分钟．振荡锥形瓶 后活塞又开始上升。停留在约５０ｍＬ处ｌ一２分钟，活塞 继续上升，最后停留在约６０ｍＬ（估算）处较长时间。 使用１：６的盐酸进行实验．注射器活塞１分钟后 才开始上升，停留在约２５ｍＬ刻度处，振荡后缓慢上 升，停留在约３５ｍＬ处．隔１ ２分钟后又继续上升，重 复上述过程，最终停留在约６０ｍＬ（估算）处。 综上。使用浓度为１：２的盐酸与石灰石反应．注射 器活塞很容易被弹出，实验存在一定的危险。 使用浓度为１：４的盐酸，注射器活塞上升的现象 明显，在一定的时间里活塞不会被弹出，比较安全。但 是如果放置过长时间．活塞还是有可能被弹出，所以 在实验完成后一定要学生将橡皮塞取下，防止二氧化 碳不断产生而导致活塞被弹出 使用浓度为１：６的盐酸，所需时间较长，但是实验 相对更安全，所以进行学生分组实验时建议使用该浓 度的盐酸。安全起见，实验完成后也要求将橡皮塞取 下。 ３．小结 该实验建议使用２５０ｍＬ锥形瓶、５０ｍＬ注射器、 ２００ｇ量程的托盘天平、浓度为１：４或１：６的盐酸。 有些学校因为条件所限．２００ｇ天平的数量不够开 展学生分组实验，需要将装置和药品的总质量控制在 ｌＯＯｇ以下，这种情况下只能使用ｌＯＯｍＬ的锥形瓶进 行实验，此时，应该将石灰石和盐酸的用量减半，实验 才能够安全进行。 （下转第９７页） 化学教与学２０１４年第１期 ・实验教学研究・ 护环境、合理使用化学物质的可持续发展观念”［ 。 参考文献 ［１］ 肖川．全日制义务教育化学课程标准（２０１１版）解读［Ｍ］ 武汉：湖北教育出版社．２０１２：３６ －—－ ”［２］ 人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究开 发中心．义务教育验教科书化学九年级化学上册［Ｍ］．北 京：人民教育出版社，２０１２：７５，７７ ［３］ 肖川．全日制义务教育化学课程标准（２０１１版）解读［Ｍ］． 武汉：湖北教育出版社．２０１２：１６０ ＋“＋”十”—＋一一—＋＿“ 一－ — 一—－ 一— 一＋一＋”＋”＋”—— ”—＋一一＋・ （上接第３６页） 叫做“学评结合”。在整个过程中，体现出教师这一“平 等中的首席”角色，教师通过诊断暴露、知识织网、交 参考文献 ［１］谢绍义．略论数学纠错的教学原则ＩＪ］．数学通报，２００３， （１０） ［２］冷燕平，宋心琦・关于中学化学教学实验改革问题的思考 流展示、回流提升等环节实现了从“讲练结合”向“学 评结合”的行为转变。 通过“学评结合”，在课堂上充分体现了“以ｔ错 生的学习真正实现了由“： 兰 。他控”， 变为“竺 自我监控”从而 。望 ～—…一 ０心８，理（４学）： １Ｍ－ ４上海：华东师范大学出版社， 一“… ～ …一… ’，１９９７ ：１００ 真正实现教育家杜威曾说过的：“教学绝对不仅仅是 ［４］唐云波巧化“意外”为“资源，，Ⅲ规代教育论丛２０１０， 简单地告诉，教学应该是一种过程的经历，一种体验， 一ｆＲ１ 种感悟 ” ＋・－＋・・＋ｎ＋”＋・－＋－・＋“＋”＋“＋・－＋・・＋”＋”＋“＋・・＋“＋”＋”＋一—＋－一—＋一“＋＊＋－＋一—＋一一－－＋一“—－・ 一－—・卜＊—－’一一—＋一一—＋．”—－－卜＿”—‘－卜”———卜一－－＋一一—＋ｒ－—・卜＊—。—卜一十 （上接第５２页） 质的行为层面略加扩展，即从典型分子（如ＨＣ１、Ｃ１：、 ［２］ 宋心琦．普通高中课程标准实验教科书：化学２（必修） ［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２００６ Ｈ ０、ＮＨ。、ＣＨ ）的结构解释中抽取出常见原子（ｃ、Ｎ、 ０、Ｈ和卤素原子）在形成共价键时的基本成键方式、 基本几何构型，更能让学生从微粒观的角度感受到这 种结合方式是物质世界中最基本的结构形式。 参考文献 ［Ｉ］王磊．普通高中课程标准实验教科书：化学２（必修）［Ｍ］ 北京：山东科技出版社，２００６ 『３］ 王祖浩．普通高中课程标准实验教科书：化学２（必修） ［Ｍ１．南京：江苏教育出版社，２００６ ［４］张琦，谷黎芳，韩雪，杨艳红．化学键概念的学生调研及教 学策略［Ｊ］．化学教育，２０１２，（２）：１２—１５ ［５］姚淑霞．化学键概念教学的创新尝试［Ｊｊ．化学教学， ２００９，（７）：５１－５４ 『６］ 江敏．感受自然界的魅力一“共价键”的教学实践与思考 ［Ｊ］＿中学化学教学参考，２０１１，（８）：１６—２０ ｎ—・０ ＋一一－＋－一—＋一－＋”＋”＋”－＋－ｎ－－＋－ （上接第９４页） ２０１２上教版中学化学教材在实验的设置、内容、 数量以及形式等方面较以往都有了很大的改变，化学 实验教学也应随着新课程的实施进行相应的改革和 参考资料 ［１］人教社课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．义 务教育课程标准实验教科书・化学（九年级上册）［Ｍ］．北 京：人民教育出版社，２００９ 创新。目前教材上很多演示实验都变为学生实验。对 于学生分组实验，一般要求原料易得、操作简便、安全 性高，对于质量守恒定律实验的研究也是本着这一原 则进行的，一线的化学教师应该在教学过程中不断发 挥聪明才智，对实验进行改进，使得实验更适合学生 进行操作。 化学教与学２０１４年第１期 ［２］ 中学化学国家课程标准研制组．义务教育课程标准实验 教科书・化学（九年级上册）［Ｍ］．上海：上海教育出版社， ２００９ ［３］ 中学化学国家课程标准研制组．义务教育教科书・化学 （九年级上册）［Ｍ］．上海：上海教育出版社，２０１２ ９７
