也探雞蛋在稀鹽酸溶液中的沉浮問題

黨文祥

[摘? ?要]雞蛋在稀鹽酸溶液中的沉浮，是一種很有趣的實驗現象。雞蛋的沉浮過程涉及兩個重要參數：雞蛋沉底的時間長短;雞蛋自動下沉的次數多少。通過對比性實驗探究和分析歸納得出：雞蛋沉浮與鹽酸濃度和溫度有關。（1）溫度相同，濃度較大時，雞蛋沉底的時間較短，自動下沉的次數較少。（2）濃度相同，溫度較高時，雞蛋沉底的時間較短，自動下沉的次數較少。雞蛋沉浮的本質是由密度決定的。當雞蛋與溶液的密度大小出現交替變化時，就會發生自動沉浮現象。文章大致確定了與溫度相對應的濃度參考值，舉例說明了參考值在實際應用中的靈活處理方法，使雞蛋的沉浮實驗得到了推廣。

[關鍵詞]雞蛋沉浮;密度關系;濃度大小;溫度高低

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0076-04

義務教育教科書化學九年級下冊（上海教育出版社2017年第二版）第67頁習題：將一個雞蛋放入水中，雞蛋沉入水底。加入適量濃鹽酸后，雞蛋會出現上浮、下沉、再上浮、再下沉的現象，反復多次。……用化學和物理知識解釋雞蛋上浮、下沉多次的原因。

該習題有三個特點：（1）呈現了實驗情境。讀完文字內容，看著實驗圖形，讀者似乎看到了雞蛋上下往復運動的現象。（2）富有趣味性。雞蛋在溶液中上下沉浮的現象，對學生有強烈的吸引力和神奇感。（3）設置了問題情境。學生在很感興趣的情況下，產生了強烈的求知欲，在這樣的時刻，依此情境提出幾個關鍵性的問題，學生的注意力高度集中，對問題的分析和解決更加投入，其結果更為理想。

然而，教材對此內容并未按照必做實驗來要求，只當作習題問題來對待，因此做此實驗的人很少。同時，由于內容敘述模糊，使操作者對實驗的操作很盲目、很被動，很少有人能達到滿意的結果。有關資料[1-3]對此問題進行了探究，但其結果都不盡如人意，其原因都是沒有掌握該實驗的特點和規律。

那么，雞蛋的沉浮實驗有什么特點和規律呢？

一、實驗探究

雞蛋的沉浮實驗的影響因素很多，為了實驗的公平性，本文對下列因素有統一的規定：（1）反應容器用細長透明的玻璃或塑料水杯，也可以將透明塑料礦泉水瓶或飲料瓶截去上部，留下直圓筒形部分來使用（下面統稱水杯）。（2）水的種類不同，其密度也不同，例如海水、湖水、自來水、純凈水等，其密度有較大差別。本文中一律用水廠生產的純凈水（pH=6～7，分別加入AgNO3和BaCl2溶液不變渾濁，硬度小于0.1 mmol·L-1）。（3）如果用水量大，將會造成鹽酸和水的浪費，因此，溶液的體積以250 mL為準。（4）x∶250既表示鹽酸溶液的濃度，又表示濃鹽酸與水的體積比。（5）配制溶液時，向燒杯中依次先后加入水和濃鹽酸后，要充分攪拌，否則濃度不均勻，雞蛋表面生成氣泡的快慢、多少不均勻，會使雞蛋不斷發生翻轉，釋放更多的氣泡，在很大程度上影響雞蛋的沉浮。（6）都用新鮮雞蛋。

1.濃度因素

【實驗1】（1）取3個細長水杯，編為1∽3號。向其中各加入溫度為12 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液，充分攪拌后，傾斜水杯，小心地各放入1個雞蛋，直立靜置（下同）。（2）取3個細長水杯，編為1∽3號。向其中各加入溫度為12 ℃、濃度為11︰250的鹽酸溶液，充分攪拌后各放入1個雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底時間（即雞蛋從放入溶液到第1次開始上浮的時間）和自動下沉的情況，將記錄結果列于表1中。

【實驗2】（1）取3個細長的水杯，編為1∽3號。向其中各加入溫度為24 ℃、濃度為7︰250的鹽酸溶液，充分攪拌后各放入1個雞蛋。（2）取3個細長水杯，編為1∽3號。向其中各加入溫度為24 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液，充分攪拌后各放入1個雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底的時間和自動下沉的情況，將記錄結果列于表2中。

從表1和表2可以看出雞蛋沉浮的變化規律：溫度相同，但濃度不同時，雞蛋的沉浮情況不同。濃度較大時，雞蛋沉底時間較短，自沉次數較少;反之，濃度較小時，雞蛋沉底時間較長，自沉次數較多。

2.溫度因素

【實驗3】取3個細長水杯，編為1∽3號。向其中各加入水溫為18 ℃、濃度為9︰250的鹽酸溶液。充分振蕩后各放入1個雞蛋。

觀察記錄雞蛋沉底的時間和自動下沉的情況，將記錄結果連同實驗1（1）、實驗2（2）列于表3中。

從表3的實驗1（1）、實驗3、實驗2（2）的比較可以看出雞蛋沉浮的變化規律：濃度相同，但溫度不同時，雞蛋的沉浮情況不同。溫度較高時，雞蛋沉底時間較短，自沉次數較少;反之，溫度較低時，雞蛋沉底時間較長，自沉次數較多。當溫度相對較高同時濃度相對較大時，沉底時間更短，自沉次數更少。

表1、表2、表3所反映出的情況中，雖然因雞蛋個體品質的差別，使得條件相同情況下的沉底時間和自沉情況差別較大，但從宏觀上仍然能反映出沉底時間和自沉次數的總體變化規律。

二、 問題分析

1.雞蛋沉浮與密度的關系

雞蛋為什么會沉浮？

雞蛋的沉浮是由雞蛋本身的重力F重與其所受的浮力F浮之間的大小關系決定的。當F重>F浮時，雞蛋就會下沉;當F重<F浮時，雞蛋就會上浮;當F重>F浮時，雞蛋就會漂浮或懸浮。

F重=m蛋g=[ρ]蛋[V]蛋g，F浮=m液g=[ρ]液[V]液g=[ρ]液V蛋g。當F重=F浮時，[ρ]蛋[V]蛋g= [ρ]液[V]蛋g，故有[ρ]蛋= [ρ]液。同理，當F重>F浮時，[ρ]蛋> [ρ]液，當F重< F浮時，[ρ]蛋< [ρ]液。

也就是說，[ρ]蛋> [ρ]液時，雞蛋下沉，[ρ]蛋< [ρ]液時，雞蛋上浮。即雞蛋的沉浮，本質上是由雞蛋與溶液的密度大小關系所決定的。

2.影響密度的因素

雞蛋剛放入溶液中時，[ρ]蛋> [ρ]液，故其沉入底部，在溶液中發生反應：CaCO3+2H+=Ca2++CO2↑+H2O。對于溶液來說，蛋殼中的Ca2+進入溶液，會使[ρ]液增大，Cl-等滲入雞蛋內會使[ρ]液減小。對于雞蛋來說，蛋殼中的Ca2+進入溶液、CO2氣體脫離雞蛋放出，會使[ρ]蛋減小，水的浸濕、Cl-等的滲入，會使[ρ]蛋增大。開始時，H+濃度最大，雞蛋與溶液接觸程度最大，因此反應最快，Cl-等的滲入也最快。隨著反應的發生，雞蛋表面覆蓋的氣泡會阻止蛋殼和溶液接觸，而滲入的Cl-進入蛋清中會使蛋白質發生鹽析，形成的固體會阻止Cl-等的繼續滲入。因此，反應的進行和其他各種變化，會隨著時間的推進而變慢。由此可知，由質量引起的密度變化，對于[ρ]蛋和[ρ]液都是相互消減的，而且都存在逐漸減弱的趨勢。

反應過程中生成大量的CO2形成氣泡，覆蓋在雞蛋表面，使其體積增大，密度減小。因此，氣泡附著使雞蛋密度減小，對其上浮起著決定性作用，而溶液密度增大所起的作用是很小的。

3.雞蛋上浮后的密度變化

雞蛋上浮后，密度的變化受多種因素的影響。

（1）沉在底部的雞蛋，其表面的氣泡受到上部液體產生的壓力，使氣泡的體積相對較小。隨著雞蛋的上浮，液體對氣泡的壓力減小，氣泡脹大，使雞蛋的體積增大、密度減小。

（2）因雞蛋體積增大，有少量氣泡會與雞蛋的中心距離增大，附著作用減小，從而脫離表面而釋放，使雞蛋的體積減小、密度增大。

（3）雞蛋上浮后，因勢能增大，使其形成了下沉的趨勢。一方面：①溶液對雞蛋下沉有阻尼作用;②從向上變為向下運動時，處于“上拋”的最高點，速度在零及零附近變化。這就使雞蛋在上部會停留一定的時間（一般小于2分鐘），使雞蛋的下沉趨勢得到一定程度的緩沖，將此時間叫作緩沖時間。稀溶液中緩沖時間較短，濃溶液中緩沖時間較長。另一方面，在緩沖時間內，CaCO3與鹽酸的反應仍在進行，生成的氣泡又會在雞蛋的表面附著，使體積增大。

多種因素共同作用的結果，決定了[ρ]蛋與[ρ]液的大小關系，進而決定了雞蛋的沉浮。

如果[ρ]蛋 ≤ [ρ]液，雞蛋就不會再下沉了。

如果[ρ]蛋 > [ρ]液，雞蛋又開始下沉，片刻后又會上浮，如此循環往復。

4.濃度、溫度對雞蛋沉浮的影響

（1）濃度對雞蛋沉浮的影響

①在稀溶液中，反應慢，氣泡附著慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液變為[ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需時間長。因此，雞蛋沉底的時間較長。

而濃度較大的溶液中則相反，雞蛋沉底的時間較短。

②雞蛋上浮后，濃度小的溶液一是反應慢，氣泡附著慢;二是對雞蛋下沉的阻尼作用小，緩沖作用小，緩沖時間短。再與其他因素綜合作用的結果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次數多，使雞蛋沉浮循環的次數多。

而上浮后，在濃度相對較大的溶液中則相反，即形成[ρ]蛋>[ρ]液的次數較少，雞蛋沉浮循環的次數較少。

（2） 溫度對雞蛋沉浮的影響

①雞蛋剛放入溶液中時，溫度低的溶液反應慢，氣泡附著慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液變為[ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需的時間較長。因此，雞蛋沉底時間較長。

而溫度較高的溶液中則相反，雞蛋沉底時間較短。

②雞蛋上浮后，溫度較低的溶液中，因反應慢，氣泡附著慢，再與其他因素綜合作用的結果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次數較多，使雞蛋沉浮循環的次數較多。

而在溫度較高的溶液中則相反，即形成[ρ]蛋> [ρ]液的次數少，雞蛋沉浮循環的次數少。

不論哪種情況，能沉浮循環的雞蛋，不論次數多少，最終都會浮于上部而不再下沉。但當蛋殼完全消失后（需要數天時間），不再有氣泡的生成和附著，雞蛋又會沉回底部。

三、應用推廣

1.關于實驗效果

由上述實驗可知，凡沉底時間短的雞蛋，其自沉次數少;凡沉底時間長的雞蛋，其自沉次數多。因此，要在短時間（幾分鐘）內得到自沉次數多的實驗結果是不可能的。

（1）雞蛋上浮后能自然下沉，而且反復多次的，其效果最為理想。

（2）雞蛋上浮后，其頂部稍有外露或一般在2分鐘內不能下沉的，則標志著不能再自動下沉了。對此，可以扭動使其下沉：在杯底不離桌面的情況下，用手按住杯身，繞著水杯的中心線稍快地扭轉約60°角，雞蛋便因有氣泡放出而下沉（這種情況下，再上浮后不會再自沉，因此，不要再等待了，應及時扭動使其下沉）。這樣，仍然可以得到雞蛋沉浮的循環往復。但因其下沉的原因是人工扭動操作，會讓人覺得其效果不比自動下沉的滿意。

而怎樣的實驗效果最好，并沒有統一的標準。但可以根據人們的需要，從沉底時間長短和自動下沉次數的多少兩個方向來選擇。要在短時間內看到雞蛋的沉浮，可以選擇濃度相對較大的溶液，其效果較好，但其下沉需要扭動操作。如果側重于觀賞雞蛋的自動沉浮，可以選擇濃度相對較小的溶液，其效果較好，但雞蛋的沉底時間相對較長。

2.實際應用中溶液濃度的取值問題

由實驗可知，雞蛋的沉浮不僅與濃度有關，而且與溫度有關，即實驗中所需溶液的濃度是不固定的，是隨溫度的變化而變化的。因此，不能只用某種固定濃度的溶液在任意溫度下去做實驗。那么，在具體的應用中，濃度應該怎樣隨溫度取值呢？

（1） 參考值的確定

上述實驗探測了幾個不同溫度值對應的雞蛋沉浮情況。12 ℃、18 ℃、24 ℃依次相差6 ℃，把這些溫度值叫作溫度節點。把12 ℃、18 ℃、24 ℃的實驗中，雞蛋自動下沉2次以上（不取平均次數最大或最小的）的實驗列舉出來，列于表4中。

將這些溫度節點對應的濃度叫作節點參考值。當然，節點參考值只是人為的選擇。由于雞蛋個體品質差別較大，因此，以參考值做實驗時，仍然具有很大的不確定性。例如，實驗3 中得到3個雞蛋都自沉的結果，但如果在18 ℃、9︰250的條件下重做此實驗，不一定能得到與實驗3相同的結果。

（2） 應用中濃度的取值方法

①對應參考。在節點溫度做實驗，就以表4中的濃度作為參考。例如，在水溫為18 ℃時做雞蛋沉浮的實驗，就以9︰250的濃度作為參考值。若要使沉浮現象在短時間內出現，就應加大濃鹽酸的用量，以11︰250等濃度進行實驗。對于雞蛋上浮后不能自沉的情況，通過扭動操作使其下沉。若實驗時間充裕，要觀賞雞蛋自動沉浮現象，可以減小濃鹽酸用量，以7︰250或6︰250等濃度進行實驗。

②折中參考。位于兩個相鄰溫度節點中間的溫度值，可以取兩個相鄰溫度節點對應濃度的平均值。如12 ℃與18 ℃的中間溫度15 ℃，此溫度時以11︰250和9︰250的平均值10︰250為濃度參考值。若要使雞蛋上浮快，可以提高鹽酸的濃度，如以12︰250等濃度進行實驗。若要充分看到雞蛋的自沉現象，就以6︰250等濃度進行實驗。同樣地，18 ℃與24 ℃的中間溫度21 ℃時，可以8︰250作為濃度參考值。

③就近參考。對于節點溫度及中間溫度之外的溫度，可以鄰近取值作為參考。11 ℃、13 ℃與節點溫度12 ℃相鄰，可取12 ℃的濃度參考值11︰250。14 ℃、16 ℃與中間溫度15 ℃相鄰，可取15 ℃的濃度參考值10︰250……23 ℃和25 ℃與24 ℃相鄰，可取24 ℃的濃度參考值7︰250。將這些溫度的關系列于表5中。

這樣，通過對應、折中、就近參考的取值方法，使11～25 ℃范圍內的每一個溫度值對應的濃度都有大致合理的參考依據，提供了實驗中通常涉及的各種溫度下進行實驗的參考值。據此，可以有目的地、主動地根據人為需要選取溶液濃度進行實驗。

四、小結

（1）濃度、溫度對雞蛋沉浮的影響，本質上是對密度的影響。

（2）雞蛋的沉浮是由密度大小決定的，而密度是變化的。溶液密度的變化是由質量引起的微小增大;雞蛋密度的變化主要是氣泡附著而形成的密度減小。在雞蛋沉浮中，[ρ]蛋的減小起著決定性的作用。

（3）雞蛋在不同時段內密度變化趨勢不同。在沉底時段密度逐漸減小。上浮后，如果密度持續減小，[ρ]蛋始終小于[ρ]液，雞蛋就不再下沉;如果[ρ]蛋與[ρ]液交替變化，雞蛋就會沉浮循環。

（4）只要是放入稀鹽酸中能沉底的雞蛋，都能夠上浮，只是時間長短不同。能上浮的雞蛋不論是自動下沉還是扭動下沉，都能夠使沉浮循環往復地進行，不會 “失敗”。

（5）濃度參考值的確定，使雞蛋在鹽酸溶液中的沉浮實驗得到了推廣。

雞蛋的沉浮實驗，是激發和培養興趣的很好的教學資源，可以通過習題課、興趣活動等加以實施和推廣。

由于雞蛋的沉浮與密度有關，所以向稀鹽酸溶液中加入適量的NaCl，也會得到上述結果。例如，向4︰250的稀鹽酸溶液中加入5 g NaCl，充分攪拌溶解后，放入雞蛋，其沉浮情況與9︰250稀鹽酸中的情況大致相近。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 徐良斌.雞蛋在稀酸鹽中沉浮實驗的探究[J].化學教學，2015（3）：43-45.

[2]? 許小忠.雞蛋在酸溶液中沉浮實驗的再探究[J].化學教學，2009（6）：21-23.

[3]? 許應華，唐力，謝能偉.雞蛋在鹽酸中沉浮現象的探討[J].教學儀器與實驗，2004（10）：23-24.

（責任編輯 羅 艷）