初中化学“质量守恒定律”实验的商榷与建议

2021-05-13庄晓松

教学与管理(理论版) 2021年5期

摘要

通过对六个版本初中化学教材关于探究化学反应前后质量关系实验内容的分析和比较，优化关于探究质量守恒定律的实验，旨在使实验更具有操作性，更容易让学生通过对实验的探究从不同角度深层次地理解质量守恒定律的含义。

关键词

初中化学质量守恒定律化学实验探究活动

在《义务教育化学课程标准（2011版）》中，质量守恒定律属于“物质的变化”主题中的一个二级主题，是初中化学中的一个核心知识。课程标准对质量守恒定律的标准要求是“认识质量守恒定律，能说明化学反应中的质量关系”。活动与探究的建议之一是“实验探究化学反应前后质量关系”。从课程标准不难看出初中学生学习质量守恒定律应是建立在实验基础之上，应通过实验探究等活动来认识质量守恒定律。

本文主要对人民教育出版社（以下简称人教版）、上海教育出版社课标组（以下简称沪教版）、山东教育出版社（六三制）（以下简称鲁教版）、科学普及出版社（以下简称科普版）、广东教育出版社（以下简称粤教版）、北京出版社（以下简称北京版）等国内使用较多的六个版本的初中化学教科书中有关验证质量守恒定律的探究实验进行比较与分析，以期达到对实验设计的优化。

一、对“质量守恒定律”实验问题的商榷

所选的六个版本教材共涉及七个关于验证质量守恒定律的实验，具体内容见表1。七个实验的目的均是让学生通过实验从宏观的角度去验证化学反应前后质量是否守恒，从实验角度去认识和理解质量守恒定律，从宏观层面帮助学生搞清楚质量守恒定律的含义。鲁教版只给出实验仪器、药品之类供学生实验选用，让学生根据提示自主探究，这对于刚刚接触化学学科的初中学生而言难度比较大，而其余版本均给出了具体的实验操作方案，长期的教学实践发现上述7个实验中存在可商榷的地方。

表1 各版本验证反应前后质量变化实验汇总

1.氢氧化钠和硫酸铜实验是否适合用来验证质量守恒

粤教版、沪教版、鲁教版、北京版的教材均使用了硫酸铜溶液和氢氧化钠溶液反应来测量反应前后质量的变化。粤教版和沪教版是在胶头滴管中盛放氢氧化钠溶液，然后逐滴滴入锥形瓶中的硫酸铜溶液中;北京版是把氢氧化钠放置于小试管中，反应的时候需将锥形瓶的橡皮塞打开，再将小试管中的氢氧化钠溶液和锥形瓶内的硫酸铜溶液混合。从操作层面上看粤教版和沪教版的操作比较简便，不需要将仪器从天平中取下，可以直接将氢氧化钠溶液通过胶头滴管直接滴入硫酸铜溶液中。

但事实上氢氧化钠和硫酸铜的反应是比较复杂的，可能会因硫酸铜和氢氧化钠溶液的浓度、反应温度以及反应物的量而影响生成物质的成分，可能导致产生绿色沉淀或蓝白沉淀，甚至生成黑色固体。例如，当硫酸铜的量较多于氢氧化钠的量时，可能会发生如下的化学反应：

4CuSO4+2NaOH=Cu4（OH）6SO4↓+3Na2SO4，

得到是绿色沉淀碱式硫酸铜（Cu4（OH）6SO4），而不是蓝色沉淀;如果用较浓的氢氧化钠溶液和较浓的硫酸铜溶液等量混合，生成的氢氧化铜会在强碱性条件下自然脱水变黑。

因此，氢氧化钠和硫酸铜反应的实验并不适合用来验证化学反应前后质量是否守恒。特别是粤教版和沪教版的实验，由于胶头滴管中只能放置1mL左右的氢氧化钠溶液，而且氢氧化钠溶液的浓度也不可能过浓，此实验更不适合用此实验装置来验证反应前后质量是否守恒。另外，北京版教材把氢氧化钠敞口放置在小试管中，是否还应考虑二氧化碳也会和氢氧化钠反应？

2.铁钉和硫酸铜反应是否适合用来验证质量守恒

人教版、北京版均使用铁钉和硫酸铜反应的实验验证化学反应前后质量是否相等。在《给质量守恒实验加几个“注释”》一文中记录了铁和硫酸铜反应的质量变化和反应现象随时间的变化情況，数据见表2。从表2可以看出本实验不可能在几分钟之内将硫酸铜或铁钉完全反应掉，也不可能在较短时间内看到溶液颜色由蓝色变为浅绿色。那么，在两种反应物均没有完全反应掉的情况下，又如何能讨论反应前后质量是否守恒呢？在课堂中完成此实验显然是不适合的，因为本实验的目的是验证反应前后质量是否守恒，而不是观察该反应是如何反应的，应充分考虑反应所需的时间。

从表格2中的数据可以发现因为铁在酸性条件下产生氢气等原因而最终导致物质的总质量减少，尽管减少的不多，3个小时也只有0.0405g，也不会影响用灵敏度较低的托盘天平验证反应前后质量是否相等，但我们不能因为托盘天平无法测出反应前后质量是否有变化而默认为质量是没有变化的，这样认为显然是不够严谨的。

3.托盘天平是否适合用来验证某些物质反应前后的质量变化

粤教版使用了碳酸钙和盐酸溶液反应来验证反应前后质量是否守恒的实验。把盐酸置于胶头滴管中，分别在开放体系和密闭体系中比较反应前后质量变化情况，可以让学生得出有气体生成的反应验证反应前后质量是否守恒时必须在密闭容器中进行。但是，胶头滴管容量有限不可能放置较多的稀盐酸，这势必导致产生的CO2不可能很多，即使盐酸的浓度为37%，一滴管的盐酸也最多只能生成0.26g左右的CO2。由于托盘天平的精确度最高只有0.1g。那么，用托盘天平称量的话未必就可以准确测出反应前后质量的变化情况。

人教版和鲁教版通过测定磷燃烧前后质量的变化来验证化学反应前后质量是否守恒。在此实验中一般选用250mL的锥形瓶进行实验，锥形瓶内氧气体积的总量大概为50mL，即质量大概为0.07g。那么，0.07g的氧气需要消耗红磷的质量大概为0.05g。实际上，还要考虑沙子等所占的体积，参加反应的红磷和氧气的质量总和要小于0.12g，而锥形瓶、沙子、橡皮塞、玻璃管、气球的总质量大概为180g。同样，由于天平的精确度只有0.1g，用普通的托盘天平也未必能准确反应出化学反应前后的质量关系。

人教版教材用镁条燃烧前后质量变化来验证化学反应前后质量是否守恒。但这个实验有一个现实的问题就是实验中镁条的质量不可能也不应该取很大。如果镁的质量很大则燃烧时间长，发出的强光会伤害学生的眼睛，如果取质量较小的镁条也同样会因为托盘天平的精确度的原因，不可能准确称量出反应前后质量的变化。

所以，上述实验用普通的托盘天平能准确反应出化学反应前后的质量关系吗？换句话说即使天平表现出平衡，这能说明反应前后一定没有质量变化吗？很显然，答案是否定的。

4.磷、镁燃烧是否适合验证质量守恒

人教版用红磷燃烧前后质量的变化来验证化学反应前后质量是否守恒，而鲁教版供学生选用的药品是白磷。用红磷做实验，上端系有气球的玻璃管代替玻璃棒，从操作层面来看红磷比白磷更安全。但现实情况是红热的玻璃管却很难将红磷引燃，玻璃管上端气球膨胀产生的浮力也可能也会给质量的测量带来一定的影响。

人教版教材还用镁条燃烧前后质量变化来验证化学反应前后质量是否守恒。镁条燃烧发出的强光可能会伤害学生的眼睛;镁条在空气中燃烧的情况是比较复杂的，不仅会和氧气反应，还会和二氧化碳、氮气等物质发生反应;镁条燃烧时会产生大量白烟，也会使生成物有所损耗。在《给质量守恒实验加几个“注释”》一文中指出用精密的电子天平进行精确测量镁条燃烧前后质量的测定后发现，镁条在反应后较反应前质量减少48.01%，而非质量增加。根据以上诸因素的分析，显然用此实验让学生去认识质量守恒定律是不合适的。

5.是否应注重实验结果的分析

质量守恒定律的关键词之一是“参加”，应通过对实验的讨论、分析，最终得出质量守恒定律是参加反应的各物质的质量，而非是反应物的全部质量。但六个版本的教材里都认为测得实验前后天平保持平衡即认为质量守恒，并没有通过对所做的实验进行分析、探讨得出质量守恒定律必须是“参加”的反应物质量，而非全部的反应物质量。所以，实验不只是简单的秤一下，然后比较反应前后质量是否相等那么简单，而是需要对反应前后物质的质量作简要的分析。

以人教版测量红磷燃烧前后质量为例。通过分析：反应前物质的质量包括锥形瓶、玻璃管、橡皮塞、气球、空气、红磷（过量）、沙子;反应后物质的质量包括锥形瓶、玻璃管、橡皮塞、气球、除去氧气的空气、五氧化二磷、红磷（剩余）。因用天平测得反应前后质量相等，所以m锥形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m气球+m空气+m红磷+m沙子=m锥形瓶+m玻璃管+m橡皮塞+m气球+m剩余空气+m五氧化二磷+m剩余红磷+ m沙子。最终得出这样的结论：m氧气+m参加反应的红磷= m五氧化二磷。这样经过对红磷燃烧前后质量的详细分析，学生就不难得出参加化学反应的红磷和氧气的质量总和等于生成物的质量总和。否则，学生很容易理解成反应物红磷和氧气的质量等于生成物五氧化二磷的质量，这样就失去了做实验的意义。

二、对“质量守恒定律”实验内容的优化建议

“质量守恒定律”实验应该符合以下原则：首先，能利用较为简单的实验仪器直观、顺利地测出化学反应前后质量的关系;其次，能通过设计的实验得出质量守恒定律是参加反应的反应物质量，而非所有反应物质量;再者，能通过设计的实验让学生明白质量守恒定律中是所有参加反应的反应物和生成物的质量，让学生知道有气体参与反应或有气体生成的反应需在密闭容器中进行实验，让学生明白质量守恒定律是一个普遍规律，表面上的不守恒都是有具体原因的;最后，设计的实验所涉及的反应不能太复杂，实验现象应明显，便于观察，有利于学生的判断和思考。鉴于以上分析可以把实验设计大致分为两大组，一组是无气体参与或生成的反应，另一组为有气体参与或生成的反应，让学生从不同角度去认识质量守恒，具体见表3。

表3 优化后的实验

1.无气体参与或生成的实验优化建议

（1）利用氢氧化钠和盐酸反应测量反应前后质量是否相等

科普版教材中是在鹽酸和酚酞的混合溶液中滴入浓的氢氧化钠溶液来测量反应前后质量的变化。如果实验装置中用针筒替代胶头滴管，弥补了胶头滴管中不能放置较多的液体的问题，实验装置见图1。实验中学生会观察到酚酞变红，并根据酚酞变红可以推断出所滴加的氢氧化钠已过量，即氢氧化钠剩余。通过实验分析不难得出：m盐酸+m参加反应的氢氧化钠=m氯化钠+m水。

（2）利用氯化钙和碳酸钠反应测量反应前后质量是否相等

将碳酸钠逐滴滴入氯化钙溶液中至不再产生沉淀为止，实验装置同样如图1所示，针筒的功能也和上述实验一样。经实验分析不难得出如下结论：m碳酸钠+m氯化钙=m碳酸钙+m氯化钠。

上述两个实验均操作简单，现象明显易于观察，易于学生对实验的分析和判断，有利于学生对质量守恒定律形成初步的认识。

2.有气体参与或生成的实验优化建议

（1）利用铜粉和氧气反应测量反应前后质量是否相等

首先将5g铜粉置于锥形瓶中，塞上橡皮塞，并称量其质量。然后，将锥形瓶在酒精灯上微热片刻，待冷却后再次称量锥形瓶等的质量，比较两次称量的结果。再取5g铜粉置于锥形瓶中，称量其质量。然后，将锥形瓶在酒精灯上微热，冷却后再次称量锥形瓶等的质量，比较两次称量的结果。因为加橡皮塞和不加橡皮塞的结果不一样，形成了鲜明的对比。通过对前后两次铜粉和氧气反应的对比分析可以让学生进一步知道质量守恒定律中所指的反应物的质量还应包括参加反应的气体质量，有气体参加的反应理应在密闭容器中进行实验。

采用铜粉为实验原材料替代磷或者镁和氧气反应来比较反应前后质量的变化，主要考虑铜粉与氧气的反应速率较快，现象由红色变为黑色直观明显，且不存在其它影响反应的因素，特别是对学生不会造成任何伤害。实验中可以明显的观察到有少量的铜粉没有变黑，说明铜粉是过量的。学生通过对反应前后物质情况的分析，可以较为容易的得出反应前后质量相等必须是参加反应的物质质量，而非是所有反应物的质量。

（2）利用碳酸钙和盐酸反应测量反应前后质量是否相等

碳酸钙（块状）和盐酸反应前后质量的测定，是结合了粤教版和沪教版的优点形成的，具体的实验装置见图2。针筒的作用相当于分液漏斗的作用，但比分液漏斗稳，不会在实验过程中从托盘天平上翻倒。用气球可以起到缓冲的作用，防止生成的CO2将橡皮塞冲出。实验选用的碳酸钙是块状而不是粉末状的，主要考虑块状的碳酸钙与盐酸反应速率适中。通过对前后两次碳酸钙和盐酸反应的对比分析可以让学生进一步知道质量守恒定律中所指的生成物的质量还应包括生成的气体质量，即有气体生成的反应验证反应前后质量是否守恒时必须在密闭容器中进行。

上述两个实验反应时间短，现象明显，学生既能从感官上接受，又有利于学生对质量守恒的进一步认识，在脑海里架构起质量守恒定律的初步框架。

3.称量工具的建议

众所周知，托盘天平是一种比较粗略的称量工具，准确度为0.1g，是不能准确测出反应前后质量微妙变化的。也就是说有时天平显示平衡，并不代表反应前后质量沒有变化，只是因为天平灵敏度所致没有把质量变化测出来而已。为使实验结果更具有说服力，使实验更为严谨，建议在实验过程中使用灵敏度较高的电子天平等较为常见的称量工具。

初三学生无法通过阅读深刻理解质量定律的含义，更无法从微观角度去理解质量守恒定律的本质，必须借助宏观的实验去验证，从宏观实验再到微观分析，帮助学生逐渐揭开定律的面纱和本质。因此，设计的实验不是简单的选用几个化学反应，然后考查一下反应前后质量是否相等，而是要依据学生实际的水平、心理特点去设计一系列的实验。当然，最重要的是学生在对定律的探究和分析的过程中能形成相应的化学思维方法和化学基本观念。

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