探究化学反应前后物质的质量关系

河北省秦皇岛市山海关区教研中心 刘春芳

通过前面四个单元的学习，在宏观上，大家从定性的角度，认识到化学变化中物质发生了质的变化；在微观上，大家对物质的构成知识有了理解，对化学变化的微观实质有了一定的认识。此外，在初二的物理课上，大家已经掌握了天平的使用技能，学习了能量守恒定律，对守恒的概念也有了一定的认识。

一、实验探究背景

阅读思考：大约在二三百年前，两位科学家对于化学反应前后物质质量关系的认识引起了争议。1673年，英国化学家波义耳在敞口容器中加热金属，结果发现反应后金属的质量增加了，于是他认为化学反应前后各物质的质量总和不相等。1774年，法国化学家拉瓦锡在密闭容器中研究氧化汞的分解和合成时，却发现化学反应前后各物质的质量总和是相等的。

提出问题：对于化学变化，反应物的质量和生成物的质量之间究竟存在怎样的关系呢？

做出猜想：依据化学反应的实质，化学反应前后，原子的种类没有改变，数目没有增减，原子的质量也没有变化，那么反应前后，物质的质量总和应该是相等的。

二、实验探究用品

100mL烧杯（盛放硫酸铜溶液），粗铜丝（直径约0.2cm～0.3 cm，长度约10cm），100mL烧杯（底部放少量碳酸钠粉末），12*70规格的小试管2支（盛放稀盐酸），铁架台，细棉线3条，托盘天平，350mL矿泉水瓶，250mL锥形瓶（盛放约30mL稀盐酸），食品袋（盛放约5g碳酸钠粉末），药匙，镊子，酒精灯，尺子，砂纸，无锈铁钉2根，硫酸铜溶液（质量分数约为9%），碳酸钠粉末，稀盐酸（浓盐酸和水体积比大约为1∶2配制）。

三、实验探究过程

探究一：铁和硫酸铜溶液的反应

实验步骤：1.取适量硫酸铜溶液于100mL小烧杯中，然后将烧杯和铁钉（用砂纸打磨干净）同时放在托盘天平的左盘（铁钉放在烧杯外的托盘上），右盘加入砝码，并调节游码，使天平平衡。

2.用镊子将铁钉轻轻地放入小烧杯中的硫酸铜溶液中，静置，观察现象。

实验现象：铁钉表面逐渐覆盖上一层红色物质，溶液由蓝色变为浅绿色，天平始终平衡。

实验结论：化学反应前后，物质的总质量不变。

探究二：在空气中加热铜丝

实验步骤：1.用一根细棉线绑在粗铜丝的中间，然后将细棉线的一端系在铁架台的铁夹或铁圈上，调整细棉线的位置使铜丝两端保持水平。

2.用酒精灯对铜丝一端均匀加热，观察现象。

实验现象：铜丝表面变黑，停止加热后，铜丝不再保持水平，被加热的一端下降。

实验结论：化学反应后，物质的总质量增加。

现象分析：铜丝加热时与空气中的氧气反应，生成氧化铜的质量等于参加反应的铜与氧气的质量之和。反应之前，棉线两端都是铜丝的质量；反应以后，被加热的一端有一部分是氧化铜的质量，这部分氧化铜的质量大于参加反应的铜丝的质量，而增加的则是参加反应的氧气的质量，因此铜丝不再保持水平，上面的实验结论不准确。

探究三：在三种不同装置中使碳酸钠粉末和稀盐酸反应

【装置1】碳酸钠粉末和稀盐酸在烧杯中反应

实验步骤：1.如图1所示，取一药匙碳酸钠粉末放在100mL小烧杯底部，然后向小试管中倒入稀盐酸（约占小试管容积的四分之三），并将小试管放入烧杯中。

图1

2.将放置好药品的烧杯放在天平的左盘，右盘加入砝码，并调节游码，使天平平衡。

3.将小试管中的稀盐酸倒入烧杯中，待反应停止后，重新将烧杯和小试管放在天平的左盘。

实验现象：将稀盐酸倒入烧杯中，产生大量气泡；重新将烧杯和小试管放在天平左盘，天平不平衡，右端下降。

实验结论：化学反应后，物质的总质量减少。

现象分析：化学反应在敞口的烧杯中进行，生成的二氧化碳气体扩散到空气中，使得反应后质量减小，天平不平衡，上面的实验结论不准确。

设疑激趣：如果将该反应放在密闭装置中进行，防止二氧化碳气体扩散，那么反应前后物质的总质量是什么关系呢？

【装置2】碳酸钠粉末和稀盐酸在密封的锥形瓶内反应

实验步骤：1.如图2所示，将约5g碳酸钠粉末放入食品袋中，并将食品袋用细线紧紧系在橡胶塞中的玻璃管上，然后将大约30mL稀盐酸放入250mL锥形瓶中。

图2

2.将放置好药品的锥形瓶放在天平的左盘，右盘放入砝码，并调节游码，使天平平衡。

3.将碳酸钠粉末倒入稀盐酸中，反应停止后，重新将锥形瓶放在天平的左盘。

现象记录：锥形瓶内产生大量气泡，食品袋逐渐膨胀；重新将锥形瓶放到天平左盘，天平不平衡，右端下降。

实验结论：化学反应后，物质的总质量减少。

现象分析：化学反应在密闭的锥形瓶中进行，防止了二氧化碳气体扩散，虽然锥形瓶一端的总质量不变，但是食品袋膨胀后受到空气向上的浮力，所以也会导致天平不平衡，上面的实验结论不准确。

设疑激趣：那么，我们究竟该如何再想办法改进装置，通过天平来探究该反应前后物质的质量关系呢？

【装置3】碳酸钠粉末和稀盐酸在密封的矿泉水瓶中反应

实验步骤：1.将大约半药匙的碳酸钠粉末放入350mL矿泉水瓶的底部。

2.在小试管中放入稀盐酸（体积约占小试管容积的二分之一），然后将小试管用细棉线系好小心放入矿泉水瓶中（注意不要将小试管中的稀盐酸洒落）。

3.将矿泉水瓶稍稍捏瘪，并拧紧瓶盖，用托盘天平称量其总质量。

4.将矿泉水瓶倒置，使小试管中的稀盐酸流入矿泉水瓶中，反应停止后，重新将矿泉水瓶放在天平的左盘称量。

现象记录：矿泉水瓶内产生大量气泡，反应结束后，矿泉水瓶变鼓；重新将矿泉水瓶放在天平的左盘称量，总质量不变。

实验结论：化学反应前后，物质的总质量不变。

现象分析：化学反应在密闭的矿泉水瓶中进行，矿泉水瓶内总质量不变，瘪的矿泉水瓶变鼓以后重新放在天平上时，可以忽略空气浮力的影响，所以天平仍保持平衡。

四、反思与评价

通过以上三个实验探究活动可以得出，在化学反应前后，物质的质量总和是相等的。但需要注意的是，我们在验证反应前后物质的质量关系时，如果反应物或生成物中涉及气体，则要选择在密闭的反应装置中进行，同时还要考虑到理化知识的融合，例如浮力对于实验现象的影响，谨慎进行分析。