科學課電子天平的奇妙應用

李學海

摘要：文章具體介紹了電子天平在驗證反應物、生成物之間的質量關系和驗證二氧化碳密度比空氣大的實驗中的應用。從實驗思路、實驗數(shù)據(jù)處理和結論分析來驗證反應物、生成物之間的質量關系；用實驗說明托盤天平、電子天平來測量二氧化碳密度大小的可行性。

關鍵詞：電子天平；質量關系；二氧化碳密度

文章編號：1008-0546（2017）12-0086-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.030

一、驗證反應物、生成物之間存在一定的質量關系

1.問題的提出

浙教版科學第四冊第三章第三節(jié)化學反應方程式有三課時內容，分別是質量守恒定律、化學方程式的配平以及根據(jù)化學反應方程式進行計算。質量守恒定律是化學由定性走向定量的第一步，具有重要的意義。第二課時化學反應方程式的配平中涉及了化學方程式的意義，其中化學方程式可以定量的表示反應物、生成物各物質之間的質量比。

根據(jù)理論分析反應物、生成物之間是存在一定質量比的，但是實際情況是學生只是記住了最終的結果，沒有直觀的體驗過程。學習是學生自我建構的過程，只有當學生經歷過實驗的設計、分析討論、師生互動，學生才會真正的理解。在教學中，應盡量避免將結論直接告訴學生，而應該根據(jù)學習內容和要求的需要，積極創(chuàng)造實驗條件，開展實驗教學的研究和實踐，通過實驗教學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，能否設計一個簡單實驗證明反應物、生成物之間存在質量比？化學反應物質的狀態(tài)類型很多，如固體與固體、固體與液體、液體與液體等。我們考慮反應物狀態(tài)是固體和液體反應產生氣體，因為固體的質量與生成氣體質量的關系容易稱量、計算，如碳酸鈣與稀鹽酸的反應。碳酸鈣固體用粉末，不用純度不高的石灰石、大理石，生成氣體的質量用反應前后藥品和儀器的質量差值來計算。

2.實驗部分

實驗藥品和器材：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）。

反應的原理是CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑，反應前先稱量出一只空燒杯的質量，用藥匙取一定質量碳酸鈣粉末放入空燒杯中，它們質量的差值即為碳酸鈣的質量。再取一只小燒杯倒入過量的稀鹽酸，然后將兩只小燒杯放在電子天平上稱量反應前藥品和儀器的總質量，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，反應結束后稱量兩只燒杯及反應后剩余物的總質量。反應前后藥品和儀器總質量的差值即為生成并逃逸的二氧化碳的質量，將數(shù)據(jù)填入表格1。

3.數(shù)據(jù)處理與結論

只有一次實驗數(shù)據(jù)不能說明反應物、生成物之間的質量比，那還需要更多組的質量關系，于是筆者投影展示課前實驗的幾組數(shù)據(jù)，如表格2。

因為是定量實驗，有了這些數(shù)據(jù)，如何進行數(shù)據(jù)處理？學生很容易想到在直角坐標系中以碳酸鈣質量為橫坐標，二氧化碳的質量為縱坐標，描出相對應的點，找出它們之間的關系。但手工作圖誤差比較大，于是筆者借助Excel畫出各個散點，右鍵添加趨勢線。在趨勢線選項中選擇線性、設置截距（S）=0.0、顯示公式（E），最終得出直線和函數(shù)公式，如圖2。

二、驗證二氧化碳的密度比空氣大

在“二氧化碳的性質和用途”的教學中，證明二氧化碳的密度比空氣大的演示實驗常見的有兩種方法。第一種方法是在大燒杯中放置一個支架，支架上固定兩支點燃的蠟燭，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均勻的杠桿中間，用棉線拴住后懸掛在鐵架臺上，先讓兩個充滿空氣的塑料袋掛在杠桿的兩端，調節(jié)杠桿平衡。然后，向其中一只塑料袋中倒入二氧化碳氣體，可以看到，杠桿向裝有二氧化碳的一側傾斜。

有同學認為下面的方法也可行：取一托盤天平，在天平左邊放一只500mL的燒杯，用砝碼平衡。再向燒杯內倒入300mL的集氣瓶收集到的二氧化碳氣體，可明顯看到天平向二氧化碳一側傾斜。

但筆者經過實驗發(fā)現(xiàn)，左側托盤并不下降，實驗現(xiàn)象并不明顯。究其原因，可能排空氣法收集的氣體不純，在傾倒過程中有部分的二氧化碳氣體逸出導致燒杯內質量變化太小。如果用電子天平代替托盤天平會有什么樣的結果？

實驗器材：電子天平（精確到0.01g）、集氣瓶（300mL）、毛玻璃片、燒杯（500mL）。

實驗室制取二氧化碳采用的是石灰石和稀鹽酸反應，用向上排空氣法收集產生的二氧化碳氣體，用點燃的木條放在集氣瓶口來檢驗，若燃著的木條熄滅證明二氧化碳已經收集滿。我們可以將托盤天平換成電子天平（精確到0.01g），其上放上500mL的燒杯，調零去皮。然后將實物投影對準電子天平的顯示屏，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的電子天平測量效果明顯。0℃時，一個標準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數(shù)為0.099L/0.3L×100%=33.0%，由計算結果可知，能使燃著木條熄滅的二氧化碳的體積分數(shù)并不是100%，達到上述的體積分數(shù)也能使點燃的木條熄滅。endprint