質量守恒定律的實驗研究

王文婭

（蘇州市高新區第二中學 江蘇 蘇州 215129）

質量守恒定律是初中化學的一個重要化學規律，是分析物質在化學反應中質量關系的理論依據，是定量研究化學反應的基礎，它的應用貫穿于整個中學化學。透徹理解質量守恒定律對于中學化學的學習非常重要。而質量守恒定律是一條比較抽象的理論，需要借助化學實驗來形象地理解它。初中化學教學中，教師對驗證質量守恒定律實驗的研究也很多。

人教版教材利用白磷燃燒的實驗來研究質量守恒定律。但是白磷的著火點很低，容易自燃，而且白磷有毒，燃燒產物三氧化二磷和五氧化二磷也有毒性，實驗不慎就會造成一定的危害。驗證質量守恒定律的實驗一般都是使用托盤天平來稱量，但托盤天平的感量一般為0．1g，實驗所取用的白磷只有火柴頭大小，質量太小，反應時容器的敞開與密閉對天平的平衡影響不大。所以，采用白磷燃燒實驗來研究質量守恒定律不是很妥當。

上教版教材選擇利用石灰石和稀鹽酸的反應來研究質量守恒定律。該實驗現象明顯，氣體逸出后容器內物質質量明顯減小，反應時容器是敞開還是密閉對實驗的結果影響很大。但該實驗最大的問題是如何確保產生的二氧化碳氣體留在密閉容器內并且不因裝置內氣壓變大產生危險。就這一問題，筆者進行了一系列的實驗，并對這些實驗進行了可行性分析。

一、分析“石灰石與鹽酸反應”實驗的幾套裝置的可行性

按圖1裝置進行實驗。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。實驗時，將錐形瓶側放，小試管中的稀鹽酸倒出，與石灰石接觸。石灰石與鹽酸反應后產生大量二氧化碳，錐形瓶內氣壓瞬間增大，導致橡皮塞被彈出。該實驗危險性較大，不適合實際應用。

圖1

圖2

圖3

圖4

為了避免反應產生二氧化碳導致錐形瓶內氣壓過大而發生危險，進行了如圖2的改進，在圖1所示的實驗裝置中，取走橡皮塞，在錐形瓶口套一個氣球。實驗時，反應產生二氧化碳氣體導致氣球膨脹，避免了裝置內氣壓變大而發生危險。但是，如果反應產生的二氧化碳較多，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明顯增大，導致反應后稱得的質量小于反應前稱得的質量，無法驗證質量守恒。所以該裝置也不可行。

上述實驗不可行的原因是由于生成的二氧化碳導致錐形瓶內氣壓過大造成危險或實驗失敗，所以首要考慮如何使二氧化碳留在裝置內，同時又不能改變整套裝置的體積。基于這一考慮，選用石灰水或氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，進行了如圖3的改進。先在錐形瓶內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。教學過程中使用該方法進行演示實驗能夠比較順利的完成任務，但是在進行學生分組實驗時卻出現了問題。因為石灰水或氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳需要一定的時間，所以實驗時必須注意鹽酸的濃度和用量，滴加時不能一次滴加完，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，否則很容易因為裝置內氣壓過大而導致橡皮塞被彈出。對于學生實驗而言，注意事項太多，學生在進行操作時常常會出現橡皮塞彈出的問題。而且，該實驗中涉及了兩個化學反應，學生在理解時對石灰水的作用容易產生疑惑，不利于質量守恒定律的分析。該裝置雖然可行，但不適合進行學生實驗。

為了使實驗裝置簡單、可操作性強、安全可靠，進行了如圖4的改進。在錐形瓶內放入少量石灰石，在注射器內加入一定量的稀鹽酸，實驗時將稀鹽酸注入錐形瓶中，反應產生二氧化碳使錐形瓶內氣壓變大，注射器活塞被彈起。該裝置最大的優點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產生空間儲存反應產生的二氧化碳氣體；（3）注射器的活塞移動不會導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，導致講解質量守恒定律時因分析石灰水的作用而重點偏離。

綜上，圖4裝置最適合進行驗證質量守恒定律的學生實驗。

二、定量研究圖4裝置所需的儀器規格和鹽酸濃度

上教版教材上關于圖4裝置的實驗只要求石灰石用量5g、鹽酸用量5mL，對于鹽酸濃度、錐形瓶、注射器和托盤天平的規格均沒有具體要求。但是，要使該實驗安全進行，儀器規格和鹽酸濃度的選擇有一定的要求。下面通過實驗討論鹽酸濃度和儀器規格的選擇。

1．注射器、錐形瓶、托盤天平規格的選擇

（1）注射器規格的選擇

市售注射器的規格一般有 10mL、20mL、30mL、50mL和100mL。根據理論計算，5mL濃度為1∶4的鹽酸與足量石灰石充分反應，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完，且100mL注射器組裝后裝置頭重腳輕，所以選擇50mL注射器進行實驗。

注射器要注意選擇活塞與針筒壁摩擦較小的，否則可能會因為活塞移動不暢而導致橡皮塞被彈出。

（2）錐形瓶規格的選擇

中學化學實驗室一般配備100mL和250mL兩種規格的錐形瓶。

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

使用250mL的錐形瓶、50mL注射器，濃度為1∶4的鹽酸進行實驗，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）處較長時間。

兩組實驗對比，選擇250mL的錐形瓶進行實驗更安全。

（3）托盤天平規格的選擇

由于250mL錐形瓶加上注射器和藥品，總質量會超過100g，需要使用量程為200g或500g的托盤天平才能完成實驗。

2．鹽酸濃度的選擇

選用 1∶2、1∶4、1∶6 三種濃度的鹽酸進行對比實驗，裝置選用250mL的錐形瓶、50mL注射器。

使用1∶2的鹽酸進行實驗，注射器活塞迅速上升，最終橡皮塞被彈出。

使用1∶4的鹽酸進行實驗，注射器活塞隔幾秒后再開始上升，停留在約40mL處超過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，活塞繼續上升，最后停留在約60mL（估算）處較長時間。

使用1∶6的鹽酸進行實驗，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分鐘后又繼續上升，重復上述過程，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，注射器活塞很容易被彈出，實驗存在一定的危險。

使用濃度為1∶4的鹽酸，注射器活塞上升的現象明顯，在一定的時間里活塞不會被彈出，比較安全。但是如果放置過長時間，活塞還是有可能被彈出，所以在實驗完成后一定要學生將橡皮塞取下，防止二氧化碳不斷產生而導致活塞被彈出。

使用濃度為1∶6的鹽酸，所需時間較長，但是實驗相對更安全，所以進行學生分組實驗時建議使用該濃度的鹽酸。安全起見，實驗完成后也要求將橡皮塞取下。

3．小結

該實驗建議使用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。

有些學校因為條件所限，200g天平的數量不夠開展學生分組實驗，需要將裝置和藥品的總質量控制在100g以下，這種情況下只能使用100mL的錐形瓶進行實驗，此時，應該將石灰石和鹽酸的用量減半，實驗才能夠安全進行。

2012上教版中學化學教材在實驗的設置、內容、數量以及形式等方面較以往都有了很大的改變，化學實驗教學也應隨著新課程的實施進行相應的改革和創新。目前教材上很多演示實驗都變為學生實驗。對于學生分組實驗，一般要求原料易得、操作簡便、安全性高，對于質量守恒定律實驗的研究也是本著這一原則進行的，一線的化學教師應該在教學過程中不斷發揮聰明才智，對實驗進行改進，使得實驗更適合學生進行操作。

參考資料

［1］ 人教社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）［M］．北京：人民教育出版社，2009

［2］ 中學化學國家課程標準研制組．義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）［M］．上海：上海教育出版社，2009

［3］ 中學化學國家課程標準研制組．義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］．上海：上海教育出版社，2012