也探鸡蛋在稀盐酸溶液中的沉浮问题

党文祥

[摘   要]鸡蛋在稀盐酸溶液中的沉浮，是一种很有趣的实验现象。鸡蛋的沉浮过程涉及两个重要参数：鸡蛋沉底的时间长短;鸡蛋自动下沉的次数多少。通过对比性实验探究和分析归纳得出：鸡蛋沉浮与盐酸浓度和温度有关。（1）温度相同，浓度较大时，鸡蛋沉底的时间较短，自动下沉的次数较少。（2）浓度相同，温度较高时，鸡蛋沉底的时间较短，自动下沉的次数较少。鸡蛋沉浮的本质是由密度决定的。当鸡蛋与溶液的密度大小出现交替变化时，就会发生自动沉浮现象。文章大致确定了与温度相对应的浓度参考值，举例说明了参考值在实际应用中的灵活处理方法，使鸡蛋的沉浮实验得到了推广。

[关键词]鸡蛋沉浮;密度关系;浓度大小;温度高低

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0076-04

义务教育教科书化学九年级下册（上海教育出版社2017年第二版）第67页习题：将一个鸡蛋放入水中，鸡蛋沉入水底。加入适量浓盐酸后，鸡蛋会出现上浮、下沉、再上浮、再下沉的现象，反复多次。……用化学和物理知识解释鸡蛋上浮、下沉多次的原因。

该习题有三个特点：（1）呈现了实验情境。读完文字内容，看着实验图形，读者似乎看到了鸡蛋上下往复运动的现象。（2）富有趣味性。鸡蛋在溶液中上下沉浮的現象，对学生有强烈的吸引力和神奇感。（3）设置了问题情境。学生在很感兴趣的情况下，产生了强烈的求知欲，在这样的时刻，依此情境提出几个关键性的问题，学生的注意力高度集中，对问题的分析和解决更加投入，其结果更为理想。

然而，教材对此内容并未按照必做实验来要求，只当作习题问题来对待，因此做此实验的人很少。同时，由于内容叙述模糊，使操作者对实验的操作很盲目、很被动，很少有人能达到满意的结果。有关资料[1-3]对此问题进行了探究，但其结果都不尽如人意，其原因都是没有掌握该实验的特点和规律。

那么，鸡蛋的沉浮实验有什么特点和规律呢？

一、实验探究

鸡蛋的沉浮实验的影响因素很多，为了实验的公平性，本文对下列因素有统一的规定：（1）反应容器用细长透明的玻璃或塑料水杯，也可以将透明塑料矿泉水瓶或饮料瓶截去上部，留下直圆筒形部分来使用（下面统称水杯）。（2）水的种类不同，其密度也不同，例如海水、湖水、自来水、纯净水等，其密度有较大差别。本文中一律用水厂生产的纯净水（pH=6～7，分别加入AgNO3和BaCl2溶液不变浑浊，硬度小于0.1 mmol·L-1）。（3）如果用水量大，将会造成盐酸和水的浪费，因此，溶液的体积以250 mL为准。（4）x∶250既表示盐酸溶液的浓度，又表示浓盐酸与水的体积比。（5）配制溶液时，向烧杯中依次先后加入水和浓盐酸后，要充分搅拌，否则浓度不均匀，鸡蛋表面生成气泡的快慢、多少不均匀，会使鸡蛋不断发生翻转，释放更多的气泡，在很大程度上影响鸡蛋的沉浮。（6）都用新鲜鸡蛋。

1.浓度因素

【实验1】（1）取3个细长水杯，编为1∽3号。向其中各加入温度为12 ℃、浓度为9︰250的盐酸溶液，充分搅拌后，倾斜水杯，小心地各放入1个鸡蛋，直立静置（下同）。（2）取3个细长水杯，编为1∽3号。向其中各加入温度为12 ℃、浓度为11︰250的盐酸溶液，充分搅拌后各放入1个鸡蛋。

观察记录鸡蛋沉底时间（即鸡蛋从放入溶液到第1次开始上浮的时间）和自动下沉的情况，将记录结果列于表1中。

【实验2】（1）取3个细长的水杯，编为1∽3号。向其中各加入温度为24 ℃、浓度为7︰250的盐酸溶液，充分搅拌后各放入1个鸡蛋。（2）取3个细长水杯，编为1∽3号。向其中各加入温度为24 ℃、浓度为9︰250的盐酸溶液，充分搅拌后各放入1个鸡蛋。

观察记录鸡蛋沉底的时间和自动下沉的情况，将记录结果列于表2中。

从表1和表2可以看出鸡蛋沉浮的变化规律：温度相同，但浓度不同时，鸡蛋的沉浮情况不同。浓度较大时，鸡蛋沉底时间较短，自沉次数较少;反之，浓度较小时，鸡蛋沉底时间较长，自沉次数较多。

2.温度因素

【实验3】取3个细长水杯，编为1∽3号。向其中各加入水温为18 ℃、浓度为9︰250的盐酸溶液。充分振荡后各放入1个鸡蛋。

观察记录鸡蛋沉底的时间和自动下沉的情况，将记录结果连同实验1（1）、实验2（2）列于表3中。

从表3的实验1（1）、实验3、实验2（2）的比较可以看出鸡蛋沉浮的变化规律：浓度相同，但温度不同时，鸡蛋的沉浮情况不同。温度较高时，鸡蛋沉底时间较短，自沉次数较少;反之，温度较低时，鸡蛋沉底时间较长，自沉次数较多。当温度相对较高同时浓度相对较大时，沉底时间更短，自沉次数更少。

表1、表2、表3所反映出的情况中，虽然因鸡蛋个体品质的差别，使得条件相同情况下的沉底时间和自沉情况差别较大，但从宏观上仍然能反映出沉底时间和自沉次数的总体变化规律。

二、 问题分析

1.鸡蛋沉浮与密度的关系

鸡蛋为什么会沉浮？

鸡蛋的沉浮是由鸡蛋本身的重力F重与其所受的浮力F浮之间的大小关系决定的。当F重>F浮时，鸡蛋就会下沉;当F重<F浮时，鸡蛋就会上浮;当F重>F浮时，鸡蛋就会漂浮或悬浮。

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。当F重=F浮时，[ρ]蛋[V]蛋g= [ρ]液[V]蛋g，故有[ρ]蛋= [ρ]液。同理，当F重>F浮时，[ρ]蛋> [ρ]液，当F重< F浮时，[ρ]蛋< [ρ]液。

也就是说，[ρ]蛋> [ρ]液时，鸡蛋下沉，[ρ]蛋< [ρ]液时，鸡蛋上浮。即鸡蛋的沉浮，本质上是由鸡蛋与溶液的密度大小关系所决定的。

2.影响密度的因素

鸡蛋刚放入溶液中时，[ρ]蛋> [ρ]液，故其沉入底部，在溶液中发生反应：CaCO3+2H+=Ca2++CO2↑+H2O。对于溶液来说，蛋壳中的Ca2+进入溶液，会使[ρ]液增大，Cl-等渗入鸡蛋内会使[ρ]液减小。对于鸡蛋来说，蛋壳中的Ca2+进入溶液、CO2气体脱离鸡蛋放出，会使[ρ]蛋减小，水的浸湿、Cl-等的渗入，会使[ρ]蛋增大。开始时，H+浓度最大，鸡蛋与溶液接触程度最大，因此反应最快，Cl-等的渗入也最快。随着反应的发生，鸡蛋表面覆盖的气泡会阻止蛋壳和溶液接触，而渗入的Cl-进入蛋清中会使蛋白质发生盐析，形成的固体会阻止Cl-等的继续渗入。因此，反应的进行和其他各种变化，会随着时间的推进而变慢。由此可知，由质量引起的密度变化，对于[ρ]蛋和[ρ]液都是相互消减的，而且都存在逐渐减弱的趋势。

反应过程中生成大量的CO2形成气泡，覆盖在鸡蛋表面，使其体积增大，密度减小。因此，气泡附着使鸡蛋密度减小，对其上浮起着决定性作用，而溶液密度增大所起的作用是很小的。

3.鸡蛋上浮后的密度变化

鸡蛋上浮后，密度的变化受多种因素的影响。

（1）沉在底部的鸡蛋，其表面的气泡受到上部液体产生的压力，使气泡的体积相对较小。随着鸡蛋的上浮，液体对气泡的压力减小，气泡胀大，使鸡蛋的体积增大、密度减小。

（2）因雞蛋体积增大，有少量气泡会与鸡蛋的中心距离增大，附着作用减小，从而脱离表面而释放，使鸡蛋的体积减小、密度增大。

（3）鸡蛋上浮后，因势能增大，使其形成了下沉的趋势。一方面：①溶液对鸡蛋下沉有阻尼作用;②从向上变为向下运动时，处于“上抛”的最高点，速度在零及零附近变化。这就使鸡蛋在上部会停留一定的时间（一般小于2分钟），使鸡蛋的下沉趋势得到一定程度的缓冲，将此时间叫作缓冲时间。稀溶液中缓冲时间较短，浓溶液中缓冲时间较长。另一方面，在缓冲时间内，CaCO3与盐酸的反应仍在进行，生成的气泡又会在鸡蛋的表面附着，使体积增大。

多种因素共同作用的结果，决定了[ρ]蛋与[ρ]液的大小关系，进而决定了鸡蛋的沉浮。

如果[ρ]蛋 ≤ [ρ]液，鸡蛋就不会再下沉了。

如果[ρ]蛋 > [ρ]液，鸡蛋又开始下沉，片刻后又会上浮，如此循环往复。

4.浓度、温度对鸡蛋沉浮的影响

（1）浓度对鸡蛋沉浮的影响

①在稀溶液中，反应慢，气泡附着慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液变为[ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需时间长。因此，鸡蛋沉底的时间较长。

而浓度较大的溶液中则相反，鸡蛋沉底的时间较短。

②鸡蛋上浮后，浓度小的溶液一是反应慢，气泡附着慢;二是对鸡蛋下沉的阻尼作用小，缓冲作用小，缓冲时间短。再与其他因素综合作用的结果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次数多，使鸡蛋沉浮循环的次数多。

而上浮后，在浓度相对较大的溶液中则相反，即形成[ρ]蛋>[ρ]液的次数较少，鸡蛋沉浮循环的次数较少。

（2） 温度对鸡蛋沉浮的影响

①鸡蛋刚放入溶液中时，温度低的溶液反应慢，气泡附着慢，使[ρ]蛋 > [ρ]液变为[ρ]蛋 ≤ [ρ]液所需的时间较长。因此，鸡蛋沉底时间较长。

而温度较高的溶液中则相反，鸡蛋沉底时间较短。

②鸡蛋上浮后，温度较低的溶液中，因反应慢，气泡附着慢，再与其他因素综合作用的结果，使形成[ρ]蛋 > [ρ]液的次数较多，使鸡蛋沉浮循环的次数较多。

而在温度较高的溶液中则相反，即形成[ρ]蛋> [ρ]液的次数少，鸡蛋沉浮循环的次数少。

不论哪种情况，能沉浮循环的鸡蛋，不论次数多少，最终都会浮于上部而不再下沉。但当蛋壳完全消失后（需要数天时间），不再有气泡的生成和附着，鸡蛋又会沉回底部。

三、应用推广

1.关于实验效果

由上述实验可知，凡沉底时间短的鸡蛋，其自沉次数少;凡沉底时间长的鸡蛋，其自沉次数多。因此，要在短时间（几分钟）内得到自沉次数多的实验结果是不可能的。

（1）鸡蛋上浮后能自然下沉，而且反复多次的，其效果最为理想。

（2）鸡蛋上浮后，其顶部稍有外露或一般在2分钟内不能下沉的，则标志着不能再自动下沉了。对此，可以扭动使其下沉：在杯底不离桌面的情况下，用手按住杯身，绕着水杯的中心线稍快地扭转约60°角，鸡蛋便因有气泡放出而下沉（这种情况下，再上浮后不会再自沉，因此，不要再等待了，应及时扭动使其下沉）。这样，仍然可以得到鸡蛋沉浮的循环往复。但因其下沉的原因是人工扭动操作，会让人觉得其效果不比自动下沉的满意。

而怎样的实验效果最好，并没有统一的标准。但可以根据人们的需要，从沉底时间长短和自动下沉次数的多少两个方向来选择。要在短时间内看到鸡蛋的沉浮，可以选择浓度相对较大的溶液，其效果较好，但其下沉需要扭动操作。如果侧重于观赏鸡蛋的自动沉浮，可以选择浓度相对较小的溶液，其效果较好，但鸡蛋的沉底时间相对较长。

2.实际应用中溶液浓度的取值问题

由实验可知，鸡蛋的沉浮不仅与浓度有关，而且与温度有关，即实验中所需溶液的浓度是不固定的，是随温度的变化而变化的。因此，不能只用某种固定浓度的溶液在任意温度下去做实验。那么，在具体的应用中，浓度应该怎样随温度取值呢？

（1） 参考值的确定

上述实验探测了几个不同温度值对应的鸡蛋沉浮情况。12 ℃、18 ℃、24 ℃依次相差6 ℃，把这些温度值叫作温度节点。把12 ℃、18 ℃、24 ℃的实验中，鸡蛋自动下沉2次以上（不取平均次数最大或最小的）的实验列举出来，列于表4中。

将这些温度节点对应的浓度叫作节点参考值。当然，节点参考值只是人为的选择。由于鸡蛋个体品质差别较大，因此，以参考值做实验时，仍然具有很大的不确定性。例如，实验3 中得到3个鸡蛋都自沉的结果，但如果在18 ℃、9︰250的条件下重做此实验，不一定能得到与实验3相同的结果。

（2） 应用中浓度的取值方法

①对应参考。在节点温度做实验，就以表4中的浓度作为参考。例如，在水温为18 ℃时做鸡蛋沉浮的实验，就以9︰250的浓度作为参考值。若要使沉浮现象在短时间内出现，就应加大浓盐酸的用量，以11︰250等浓度进行实验。对于鸡蛋上浮后不能自沉的情况，通过扭动操作使其下沉。若实验时间充裕，要观赏鸡蛋自动沉浮现象，可以减小浓盐酸用量，以7︰250或6︰250等浓度进行实验。

②折中参考。位于两个相邻温度节点中间的温度值，可以取两个相邻温度节点对应浓度的平均值。如12 ℃与18 ℃的中间温度15 ℃，此温度时以11︰250和9︰250的平均值10︰250为浓度参考值。若要使鸡蛋上浮快，可以提高盐酸的浓度，如以12︰250等浓度进行实验。若要充分看到鸡蛋的自沉现象，就以6︰250等浓度进行实验。同样地，18 ℃与24 ℃的中间温度21 ℃时，可以8︰250作为浓度参考值。

③就近参考。对于节点温度及中间温度之外的温度，可以邻近取值作为参考。11 ℃、13 ℃与节点温度12 ℃相邻，可取12 ℃的浓度参考值11︰250。14 ℃、16 ℃与中间温度15 ℃相邻，可取15 ℃的浓度参考值10︰250……23 ℃和25 ℃与24 ℃相邻，可取24 ℃的浓度参考值7︰250。将这些温度的关系列于表5中。

这样，通过对应、折中、就近参考的取值方法，使11～25 ℃范围内的每一个温度值对应的浓度都有大致合理的参考依据，提供了实验中通常涉及的各种温度下进行实验的参考值。据此，可以有目的地、主动地根据人为需要选取溶液浓度进行实验。

四、小结

（1）浓度、温度对鸡蛋沉浮的影响，本质上是对密度的影响。

（2）鸡蛋的沉浮是由密度大小决定的，而密度是变化的。溶液密度的变化是由质量引起的微小增大;鸡蛋密度的变化主要是气泡附着而形成的密度减小。在鸡蛋沉浮中，[ρ]蛋的减小起着决定性的作用。

（3）鸡蛋在不同时段内密度变化趋势不同。在沉底时段密度逐渐减小。上浮后，如果密度持续减小，[ρ]蛋始终小于[ρ]液，鸡蛋就不再下沉;如果[ρ]蛋与[ρ]液交替变化，鸡蛋就会沉浮循环。

（4）只要是放入稀盐酸中能沉底的鸡蛋，都能够上浮，只是时间长短不同。能上浮的鸡蛋不论是自动下沉还是扭动下沉，都能够使沉浮循环往复地进行，不会 “失败”。

（5）浓度参考值的确定，使鸡蛋在盐酸溶液中的沉浮实验得到了推广。

鸡蛋的沉浮实验，是激发和培养兴趣的很好的教学资源，可以通过习题课、兴趣活动等加以实施和推广。

由于鸡蛋的沉浮与密度有关，所以向稀盐酸溶液中加入适量的NaCl，也会得到上述结果。例如，向4︰250的稀盐酸溶液中加入5 g NaCl，充分搅拌溶解后，放入鸡蛋，其沉浮情况与9︰250稀盐酸中的情况大致相近。

[   参   考   文   献   ]

[1]  徐良斌.鸡蛋在稀酸盐中沉浮实验的探究[J].化学教学，2015（3）：43-45.

[2]  許小忠.鸡蛋在酸溶液中沉浮实验的再探究[J].化学教学，2009（6）：21-23.

[3]  许应华，唐力，谢能伟.鸡蛋在盐酸中沉浮现象的探讨[J].教学仪器与实验，2004（10）：23-24.

（责任编辑 罗 艳）