探究实验设计之质量守恒定律的验证

中考网．化学反应原理：⑴白磷在密闭的容器内燃烧，生成固体五氧化二磷。反应前后物质的总质量不变。由此证明质量守恒定律的正确性。⑵铁和硫酸铜溶液反应，生成铜和硫酸亚铁，反应前后，物质的总质量不变。2．实验仪器：天平、砝码、锥形瓶、小烧杯、玻璃管、单孔橡皮塞、小气球、酒精灯等。实验药品：白磷、铁钉（或铁丝）、硫酸铜溶液等。3．探究方案：⑴取出天平，调平衡。待用。取一块白磷，放入盛水的培养皿中，在水下用小刀切下一粒绿豆大小的白磷，用滤纸吸干表面的水，放入锥形瓶中。（为防止白磷燃烧时，灼裂锥形瓶，可以瓶下事先放入少量的细砂。）将盛白磷的锥形瓶、绑有小气球的玻璃管一起放在天平的左盘中，在右盘添加砝码，并移动游码，使天平平衡。如图13-1所示。中考网取出锥形瓶及导管，将橡皮塞上的玻璃管放在酒精灯的火焰上灼烧至红热后，迅速用橡皮塞将锥形瓶塞紧，并将白磷引燃。可见白磷燃烧，产生浓厚的白烟。待锥形瓶冷却，白烟沉降后，重新放到托盘天平上，观察天平仍然平衡。⑵在100mL烧杯中加入约30mL稀硫酸铜溶液，将几根打磨光亮的铁钉和盛硫酸铜溶液的烧杯一起放在天平上称量，读出读数，记录。如图13-2。将铁钉浸泡在硫酸铜溶液中，可观察到铁钉表面析出一层紫红色的物质，溶液颜色逐渐变浅。如果时间足够长，可看到溶液的颜色由蓝色变浅绿色。将反应后烧杯和内容物放到天平上再次称量，读出读数，记录。将两次称量的结果加以比较，质量相等。4．探究评价：实验⑴生成烟状的五氧化二磷，具有一定的代表性，现象也很明显。但由于白磷燃烧时放热，致气体逸出，往往易导致实验的失败。实验⑵操作简单，实验的成功率很高。但无气体或烟状物质生成，现象不是十分明显，代表性不强。5．资源开发：⑴该实验可以按排学生当堂实验，学生分组多，证据足，更能说明问题。学生实验可安排一些现象明显、操作简单的。以下推荐几例，仅供参考。中考网⑵质量守恒定律的探究不仅需要安排正例，还需要安排反例。教材中已为我们安排了两个反例。①把盛有盐酸的小试管小心地放入装有碳酸钠粉末的小烧杯中，将小烧杯放在托盘天平上用砝码平衡。取下小烧杯并将其倾斜，使小试管中的盐酸与小烧杯中的碳酸钠粉末反应。盐酸与碳酸钠粉末迅速反应，有大量气泡产生。一段时间后，再把烧杯放在托盘天平上，观察天平是否平衡。如图13-3。天平不再平衡，这是由于有二氧化碳气体生成逸出的缘故。②取一根用砂纸打磨干净的长镁条和一个石棉网，将它们一起放在托盘天平上称量，记录称得的质量。在石棉网上方将镁条点燃（如图13-4）。中考网镁条剧烈燃烧，产生耀眼的强光，生成白色固体氧化镁。再将镁条燃烧后的产物和石棉网一起放在托盘天平上称量，记录质量。比较两次称量的质量。6．创新思维：⑴白磷燃烧验证质量守恒定律的实验，可以按探究实验五相关内容改进。可防止漏气。⑵镁条燃烧后质量怎么变化？有多位老师告诉笔者，他们的实验结果是：燃烧后生成物质质量比镁的质量增大了。但笔者做了很多次实验，其结果恰好相反——质量减小。实验时我们发现，镁燃烧时，有大量白烟生成，这些白烟挥发了。连夹持镁条的坩埚钳上都凝结着大量的白色粉末状物质。因此，反应后剩余物质的质量减轻也就不难理解了。做化学实验，不仅要求学生有正确的科学态度，老师也应该有科学的态度。遇到问题，不能绕道走，更不能简单地以为实验失败。要多次实验，从多次实验的结果中找出规律，以求问题的最多解决。⑶碳酸钠与盐酸的反应，可否用于验证质量守恒定律？教学参考书中指出：“这个实验也可以用固体跟液体反应产生气体的实验代替(例如碳酸钙跟盐酸反应)。反应在吸滤瓶中进行，在抽气口上套一个气球，反应开始后气球膨胀，但天平保持平衡。”如图13-5所示，在吸滤瓶中加入适量的碳酸钠粉末，在小试管中加入浓盐酸。将小试管放入吸滤瓶中，并用止水夹夹住支管处的橡皮管。整个装置放入托盘天平中，并用砝码平衡，记录读数。取出吸滤瓶，倾斜，使小试管中的盐酸倾倒入瓶中，与碳酸钠粉末反应。可观察到瓶中有大量气泡出现，气球胀大，如图13-6。中考网将装置再次放入托盘天平中称量，记录读数。将两次结果相比较。如此测得的两次数值真的完全相等吗？理论上当然没问题。但我们必须考虑到气球体积增大而产生的浮力，只要气球体积足够大，天平的感量足够灵敏。这种浮力所造成的读数减小是足以表现出来的。初中实验室所用的托盘天平的灵敏度都比较上，一般的感量都在0.2g左右，是无法测出因浮力所造成的读数减小。但我们不能因为测不出来，就以错误的理论出发，再导致错误的结论。⑷能否用蜡烛燃烧验证质量守恒定律？人教版教学参考书有以下说明：蜡烛燃烧生成物为二氧化碳和水（气）。碱石灰能有效地吸收这两种物质。这种吸收装置的制作方法如下：①截取一段长度为10cm，直径约为25mm的玻璃管(可用破了底的大试管截取)。②装入金属网栅。从破旧石棉网上剪一块直径略大于玻璃管内径的圆网，从玻璃管的一端轻轻推入，使圆网撑住在离管口约2cm处作为放置碱石灰的网栅（如网栅容易滑下，可以用回形针改制成一个带有弹性的圆环，弹紧在玻璃管的内壁作为挡圈，使网栅不致滑下），装配如图13-7。③加入碱石灰，制成吸收器。碱石灰要选大的颗粒，使间隙较大，保证气体流通。碱石灰层厚约4cm～5cm。④将吸收器固定在天平左盘蜡烛的正上方（如图13-8），即可进行实验。中考网⑤这一实验成败关键在于蜡烛是否正常燃烧，生成的气体是否顺利通过吸收器。所以，蜡烛火焰的大小，吸收器离火焰的距离都要事先试验好。如果实验正常，3min后即有明显的现象。天平最好选用感量为0.02g的物理天平。蜡烛燃烧生成二氧化碳和水（气），参加反应的物质是蜡烛和氧气，生成物是二氧化碳和水。按质量守恒定律可知，参加反应的蜡烛的氧气的质量和等于反应后生成的二氧化碳和水蒸气的质量之和。用上法是无法测也参加反应的氧气的质量的。依教参的说法，如果天平平衡，那是笔者不好解释的。只能勉强说是未吸收的气体正好等于参加反应的氧气的质量。这种情况存在吗？由于装置复杂，笔者并未做过此实验，不便评说。若天平不平衡，指针一定向左偏转，毫无疑问，这也不能验证质量守恒定律的。需要指出的是，该实验在老教参中也出现过，教材的编者已经把它当成经典的实验了，但笔者却不敢苟同。