质量守恒定律的实验研究

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 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.01.038

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，笔者进行了一系列的实验，并对这些实验进行了可行性分析。

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。先在锥形瓶中放入少量石灰石，再将一支盛有稀盐酸的小试管放入锥形瓶中，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。先在锥形瓶内倒入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入锥形瓶中，再将一支胶头滴管伸入单孔橡皮塞，并用胶头滴管吸取一滴管的稀盐酸，最后在锥形瓶口塞上橡皮塞并旋紧。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10mL、20mL、30mL、50mL和100mL。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100mL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100mL和250mL两种规格的锥形瓶。

使用100mL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。

（3）托盘天平规格的选择

由于250mL锥形瓶加上注射器和药品，总质量会超过100g，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40mL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1～2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100g以下，这种情况下只能使用100mL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。

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。

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

[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