驗證質量守恒定律的創新裝置探究

黃翠玉

摘要：滬教版第四章第2節《化學反應中的質量關系》驗證質量守恒定律的實驗裝置，教材中出現有氣體生成的實驗卻在密閉容器中進行的實驗裝置。本文主要介紹一組改進后的裝置，使其更能符合壓強增大的反應裝置，更易于在密閉容器中控制反應的發生，更有利于緩解壓強，數據更準確誤差更小，實驗結果更接近質量守恒定律。

關鍵詞：質量守恒定律；裝置改進

中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2016）11-0264-02

1. 引言

碳酸鈣與稀鹽酸反應是初三化學二氧化碳的實驗室制法的反應原理，學生很熟悉，教材中用它（圖4-12）來驗證有氣體生成的化學反應遵循質量守恒定律，二氧化碳氣體的產生使瓶內壓強變大，大量氣體可以使橡膠塞彈出，實驗存在危險性，控制鹽酸的濃度和用量可以控制生成氣體的量，針筒的活塞可以緩解體系的部分壓強。

人教版中使用白磷燃燒實驗驗證質量守恒定律，白磷有劇毒，為何還編入教材，不是為了看實驗現象，而是因為白磷著火點低，易于在密閉容器中控制反應的發生。居于這點，我設計了一組改進實驗裝置。

圖1教材截圖

2.實驗目的

以碳酸鈉溶液和鹽酸反應為例，探究反應物質量總和與生成物質量總和是否相等，因為有氣體生成，不能讓氣體逸出到空氣中，質量守恒的關鍵在于實驗過程中保持裝置的氣密性，實驗的難度設置也在這點上。設想在同一密閉容器中，實驗前反應物要分開稱量，實驗中要讓反應物接觸，實驗趨于完全再稱量，這樣設計實驗裝置成了重要思考點和創新點。

3.實驗裝置

4.實驗原理

2HCl+Na2 CO3 == 2NaCl +CO2↑+H2O

5.實驗步驟及現象

5.1檢查裝置氣密性。將裝置如圖五所示裝好，用手捂住錐形瓶，氣球挺起了，說明氣密性好。

5.2碳酸鈉溶液和稀鹽酸反應。碳酸鈉溶液和稀鹽酸反應，將0.1克碳酸鈉固體裝入錐形瓶底部，用封口機將塑料袋裁成仿小試管的形狀，用水檢查下袋子是否漏水后，水倒掉，往塑料袋中滴入5 ml1.5 mol.l-1稀鹽酸，塑料袋上端入口處剪短，小心將袋子放入錐形瓶中，蓋上塞子，用量程為200克的托盤天平稱量反應物與裝置的總質量，記錄讀數，搖動錐形瓶，使質軟的塑料袋倒下，液體自然流出，反應物接觸，按住橡皮塞，觀察氣球脹大，等反應趨于穩定，再次將整個裝置放到托盤天平上稱量，記錄讀數，對比兩次讀數，計算誤差范圍，驗證質量守恒定律。

6.實驗注意事項

（1）裝置氣密性要好。確保氣體不泄漏，裝置接口越少越好，用凡士林和水封，還用上了水電用的生料帶。

（2）需預先根據化學方程式計算反應物的用量和氣體的體積，選擇合適大小的氣球。

7.實驗結論

本著節約藥品，防止過量剩余試劑污染環境，同時使氣球的大小在控制范圍內，實驗過程中藥品的用量大多取較少的量，如：碳酸鈉固體取0.1克，物質的量為0.00094摩爾，1.5 mol.l-1鹽酸至少用1.26ml，實驗中取5 ml，理論上生成二氧化碳氣體21.06ml；碳酸鈉取0.2克或0.3克，其他數據為上述數據的兩到三倍。在實驗的效果上：實驗一、五、六反應物質量總和與生成物質量總和相等。

8.實驗創新點

裝置一、五、六好操作易成功，是本節的創新點，裝置六主要突出它一次性使用方便的特點，可以減輕分組實驗藥品儀器的準備量。把藥品裝在塑料袋中，密封于一次性豆漿杯中，固體分散于錐形瓶底，可增大接觸面積，液體有流動性先裝在密封袋內，實驗過程中用針扎破，液體就流出來，反應就開始，突破密封體系中控制反應發生的難點；裝置五的特點是用自制塑料袋代替小試管，一端開口，使用塑料袋封口機可以隨意裁切塑料袋的形狀，瓶子入口小，所以裁成長條形的，入瓶前再裁短，方便搖動錐形瓶使固液接觸。裝置一的簡易連通式對不產生氣體的實驗很好用，提高一支試管，液體就流向另一支試管，反應就發生了。裝置七中U形管內小試管中的液體不易流出，有待改進；裝置二往Y形管一端加液體過程中，隨著瓶內氣壓增大，少量液體向上沿Y形管另一出口流出，改進后引入裝置三，恒壓設置緩解瓶內氣壓大導致液體不易滴下的困難；裝置四設計為差量法求方程式中各物質的質量，所以對氣體進行干燥。

9.實驗反思

學生進行裝置一、五、六分組實驗，其它裝置供學有余力的同學實驗或者激發學生思考裝置的特點，讓學生在實驗中思考教師的設計意圖，從而領悟驗證質量守恒定律實驗的核心思維和科學素養，體驗科學家的艱辛實驗歷程。

實驗中的其它思考，使用電子天平目的是為了稱量400克以內物質的質量，電子天平盤面大，可以放置更多的物體，通過裝置四實驗，可以稱量氣球中二氧化碳氣體的質量，設置一道差量法計算碳酸鈉的質量的試題，從實驗探究質量守恒，自然過渡到質量守恒定律的應用；在設置過程中，使用小錐形瓶目的是瓶內空氣較少，氣球中空氣的含量就少，可減少誤差。

參考文獻：

[1]將氣球用于驗證質量守恒定律實驗的問題探討 王秀梅，李德前，中國現代教育裝備，2013，第8期

[2]課堂探究質量守恒定律的實驗創新設計與應用 潘國榮，蒲翠滿，中國現代教育裝備，2013，第24期，40-41