陳立銘++李德前

“質(zhì)量守恒定律”實驗是初中化學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解基本原理、鞏固基礎(chǔ)知識、拓展思維空間、嘗試科學(xué)探究、培養(yǎng)實踐能力的重要載體。而且各地中考化學(xué)試卷中實驗探究題的命制，也常以質(zhì)量守恒定律實驗及其改進裝置為素材，以突出考查學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實驗評價能力。

但筆者發(fā)現(xiàn)，在研究質(zhì)量守恒定律的“碳酸鈣（或碳酸鈉）與鹽酸反應(yīng)”實驗中，有的初中化學(xué)教科書、教學(xué)輔導(dǎo)資料以及有些中考化學(xué)試題對于實驗的設(shè)計和裝置的改進，常常忽視了兩個科學(xué)性問題。筆者結(jié)合實例，通過理論分析和實驗探索，提出該實驗設(shè)計應(yīng)注意的問題，并給出一個比較完美的改進裝置。

一、實驗設(shè)計和裝置改進時容易忽視的兩個問題

筆者發(fā)現(xiàn)，在有的實驗方案中，反應(yīng)容器里涉及了兩個化學(xué)反應(yīng)（一個是碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)，另一個是吸收二氧化碳氣體的反應(yīng)）；有的實驗方案中，雖然只有碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng)，但是利用氣球封閉反應(yīng)容器（同時儲存反應(yīng)放出的二氧化碳氣體）。這樣設(shè)計，均存在科學(xué)性錯誤。

1. 一個實驗不能選用兩個化學(xué)反應(yīng)

像上海教育出版社2011年出版的《義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第96頁設(shè)計的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗［1］（裝置見圖1），以及《重慶市2013年初中畢業(yè)暨高中招生考試化學(xué)試題·B卷》第23題中探究質(zhì)量守恒定律采用的實驗（裝置見圖2），在同一反應(yīng)體系內(nèi)既有“碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)”，還有“堿溶液吸收二氧化碳的反應(yīng)”（旨在防止錐形瓶沖塞），這不利于得出“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量保持不變”的實驗結(jié)論。

僅從數(shù)學(xué)角度分析就不難發(fā)現(xiàn)，在同一反應(yīng)體系內(nèi)，如果一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量增加、另一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量減小，那么整個實驗體系在反應(yīng)前后的質(zhì)量也是可以保持不變的，這如何能說明其中的一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變呢？顯然，這樣的設(shè)計實驗干擾了學(xué)生的認知思維，影響了正確結(jié)論的導(dǎo)出。

因此，在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，每個實驗只能選用一個化學(xué)反應(yīng)作為研究對象，同一反應(yīng)體系內(nèi)不能涉及兩個或多個化學(xué)反應(yīng)［1］。

2. 不能使用小氣球封閉反應(yīng)容器

在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，為了防止容器內(nèi)外的物質(zhì)發(fā)生交換，反應(yīng)容器必須是密閉的。但不管采用哪種方法封閉反應(yīng)容器，都要確保反應(yīng)前后裝置的外形沒有明顯變化，以防止第二次稱量實驗裝置時空氣浮力對實驗結(jié)果的不良影響。

由于小氣球來源容易、彈性好，因此化學(xué)實驗中常用它封閉反應(yīng)容器，以防止氣體逃逸、調(diào)節(jié)反應(yīng)容器內(nèi)的壓強變化、比較化學(xué)反應(yīng)速率的快慢等。像《瀘州市2011年高中階段學(xué)校招生統(tǒng)一考試理科綜合試卷》第47題、《昆明市2012年初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試卷》第28題，在要求學(xué)生回答如何改進“在燒杯里進行的碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗（裝置見圖3）時，評分標準中給出的參考答案都是“把燒杯換成錐形瓶、在錐形瓶的瓶口系一個氣球”。

另外，有些教學(xué)輔導(dǎo)材料中（如上海教育出版社2011版《九年級化學(xué)補充習(xí)題》第29頁第8題、江蘇教育出版社2012版《中學(xué)化學(xué)疑難辨析》第44頁）提供的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗裝置，也采用氣球封閉反應(yīng)容器。

那么，用氣球封閉“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗容器，在第二次稱量（氣球已經(jīng)膨脹）實驗裝置質(zhì)量時有沒有明顯的空氣浮力干擾呢？不久前，我們采用圖4實驗裝置（通過傾斜錐形瓶使反應(yīng)發(fā)生、直立錐形瓶使反應(yīng)停止），利用托盤天平對該裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量進行了測定，有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)如下表［2］：

上述實驗數(shù)據(jù)雖然不夠精確，但仍然直觀地說明反應(yīng)后氣球膨脹使托盤天平失去平衡，還說明氣球膨脹得越大，托盤天平第二次稱量減少的質(zhì)量也越多。

另外，現(xiàn)行滬科版《義務(wù)教育教科書·物理（八年級全一冊）》中也有一個研究空氣浮力的實驗［4］：將一個癟氣球套扎在籃球氣針尾端，并與籃球一起掛在杠桿的一端，另一端掛鉤碼平衡（見圖5）；然后將氣針頭插入籃球的氣門內(nèi)，氣球立即膨脹（籃球外形基本不變）。此時杠桿失去平衡，掛鉤碼的一端下沉。

綜上可知，對于驗證和探究質(zhì)量守恒定律的實驗裝置，如果反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓明顯增大（如碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)），則不能使用氣球封閉反應(yīng)容器。當(dāng)然，若反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓變小了，則可以使用氣球封閉容器，如現(xiàn)行人教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》中“白磷燃燒前后質(zhì)量的測定”實驗。

二、對教科書中實驗裝置的改進

搞清上述問題，有關(guān)“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗設(shè)計，就不會出現(xiàn)類似的科學(xué)性錯誤；如果我們再善于進行實驗創(chuàng)新，那么改進的實驗裝置就會妙不可言。

1. 新教科書中實驗裝置的不足

2012年出版的滬教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第102頁安排了“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”的實驗（裝置見圖6）。此實驗裝置雖然改變了舊版教科書中涉及兩個化學(xué)反應(yīng)的弊端，但實驗中，當(dāng)向密閉的錐形瓶里注入稀鹽酸時容易發(fā)生沖塞現(xiàn)象；另外，每次實驗后注射器里都要再次吸入稀鹽酸，操作不夠簡便。

2. 改進后的實驗裝置

經(jīng)過反復(fù)試驗，筆者利用螺紋瓶頸的眼藥水瓶，以及PET飲料瓶（其耐壓能力約為10～20 kg/cm2，通常狀況下，只要瓶內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積不超過瓶子容積的4倍［3］，就不會爆瓶），對原實驗進行了成功的改進（實驗裝置見圖7、8）。

3. 改進后的實驗操作

（1）找一個螺紋瓶頸的眼藥水瓶，截去（或拔掉）最前端的滴液端口，保留螺紋瓶頸，并在眼藥水瓶的中下部燙幾個大小適宜的細孔（見圖7）；然后向眼藥水瓶內(nèi)裝入適量顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

（2）找一個大口徑的容積約400 mL的PET飲料瓶（盛裝碳酸飲料、蘇打水或營養(yǎng)快線的飲料瓶均可，質(zhì)地柔軟的礦泉水瓶不可用），洗干凈后向瓶內(nèi)倒入大約100 mL的稀鹽酸。

（3）找一個與PET飲料瓶口配套的橡皮塞，在橡皮塞反面的中心位置，打一個深度為橡皮塞高度2/3的孔，并且孔徑略小于眼藥水瓶的螺紋瓶頸，然后將眼藥水瓶的螺紋瓶頸稍稍用力旋入橡皮塞內(nèi).

（4）按圖8所示，將實驗裝置連接起來；然后將整個實驗裝置放到托盤天平的左盤上，并用砝碼平衡，記下第一次稱量的數(shù)據(jù)。

（5）從托盤天平上取下實驗裝置，將其傾斜，眼藥水瓶中的碳酸鈣與稀鹽酸接觸，立即反應(yīng)，有大量的氣泡冒出。為防止飲料瓶內(nèi)壓力過大而發(fā)生沖塞，反應(yīng)大約20 s即可將飲料瓶直立起來，使反應(yīng)停止；再把飲料瓶放到托盤天平上進行第二次稱量，并記下第二次稱量的數(shù)據(jù)。容易發(fā)現(xiàn)兩次稱量值相等，這充分說明，碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變。

（6）本次實驗結(jié)束后，只要拔掉瓶口的橡皮塞，放出瓶內(nèi)的二氧化碳氣體，即可在其余的班級繼續(xù)使用。所有班級的實驗結(jié)束后，再拆開裝置清洗；如果碳酸鈣用完了（或顆粒變細小了），可以旋下眼藥水瓶，重新裝入顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

4. 改進后的實驗優(yōu)點

（1）實驗設(shè)計科學(xué)，實驗操作簡便，實驗過程安全，實驗結(jié)果可靠。

（2）利用廢舊物品設(shè)計實驗裝置，培養(yǎng)了師生的節(jié)儉意識。

（3）實驗裝置比較固定，一次裝藥足量，就可以在多個班級連續(xù)使用。

（4）只要在橡皮塞上增加一根導(dǎo)氣管，此實驗裝置就符合啟普發(fā)生器原理，從而用于常溫下實驗室制取氧氣、二氧化碳、氫氣和硫化氫等氣體。

實驗創(chuàng)新永無止境，必須確?？茖W(xué)性、追求直觀性、體現(xiàn)實用性、力爭簡潔性［4］。

參考文獻：

［1］ 李德前.“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗改進［J］. 化學(xué)教育，2011（10）：84-85.

［2］ 王秀梅，李德前. 將氣球用于驗證質(zhì)量守恒定律實驗的問題探討［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2013（8）：41-42.

［3］ 扈靜晗.PET瓶在碳酸飲料中的應(yīng)用［J］. 飲料工業(yè)，2006（9）：31.

［4］ 李德前.例談初中化學(xué)實驗創(chuàng)新的思維方法進［J］. 化學(xué)教學(xué)，2013（3）：65-68.

endprint

“質(zhì)量守恒定律”實驗是初中化學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解基本原理、鞏固基礎(chǔ)知識、拓展思維空間、嘗試科學(xué)探究、培養(yǎng)實踐能力的重要載體。而且各地中考化學(xué)試卷中實驗探究題的命制，也常以質(zhì)量守恒定律實驗及其改進裝置為素材，以突出考查學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實驗評價能力。

但筆者發(fā)現(xiàn)，在研究質(zhì)量守恒定律的“碳酸鈣（或碳酸鈉）與鹽酸反應(yīng)”實驗中，有的初中化學(xué)教科書、教學(xué)輔導(dǎo)資料以及有些中考化學(xué)試題對于實驗的設(shè)計和裝置的改進，常常忽視了兩個科學(xué)性問題。筆者結(jié)合實例，通過理論分析和實驗探索，提出該實驗設(shè)計應(yīng)注意的問題，并給出一個比較完美的改進裝置。

一、實驗設(shè)計和裝置改進時容易忽視的兩個問題

筆者發(fā)現(xiàn)，在有的實驗方案中，反應(yīng)容器里涉及了兩個化學(xué)反應(yīng)（一個是碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)，另一個是吸收二氧化碳氣體的反應(yīng)）；有的實驗方案中，雖然只有碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng)，但是利用氣球封閉反應(yīng)容器（同時儲存反應(yīng)放出的二氧化碳氣體）。這樣設(shè)計，均存在科學(xué)性錯誤。

1. 一個實驗不能選用兩個化學(xué)反應(yīng)

像上海教育出版社2011年出版的《義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第96頁設(shè)計的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗［1］（裝置見圖1），以及《重慶市2013年初中畢業(yè)暨高中招生考試化學(xué)試題·B卷》第23題中探究質(zhì)量守恒定律采用的實驗（裝置見圖2），在同一反應(yīng)體系內(nèi)既有“碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)”，還有“堿溶液吸收二氧化碳的反應(yīng)”（旨在防止錐形瓶沖塞），這不利于得出“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量保持不變”的實驗結(jié)論。

僅從數(shù)學(xué)角度分析就不難發(fā)現(xiàn)，在同一反應(yīng)體系內(nèi)，如果一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量增加、另一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量減小，那么整個實驗體系在反應(yīng)前后的質(zhì)量也是可以保持不變的，這如何能說明其中的一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變呢？顯然，這樣的設(shè)計實驗干擾了學(xué)生的認知思維，影響了正確結(jié)論的導(dǎo)出。

因此，在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，每個實驗只能選用一個化學(xué)反應(yīng)作為研究對象，同一反應(yīng)體系內(nèi)不能涉及兩個或多個化學(xué)反應(yīng)［1］。

2. 不能使用小氣球封閉反應(yīng)容器

在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，為了防止容器內(nèi)外的物質(zhì)發(fā)生交換，反應(yīng)容器必須是密閉的。但不管采用哪種方法封閉反應(yīng)容器，都要確保反應(yīng)前后裝置的外形沒有明顯變化，以防止第二次稱量實驗裝置時空氣浮力對實驗結(jié)果的不良影響。

由于小氣球來源容易、彈性好，因此化學(xué)實驗中常用它封閉反應(yīng)容器，以防止氣體逃逸、調(diào)節(jié)反應(yīng)容器內(nèi)的壓強變化、比較化學(xué)反應(yīng)速率的快慢等。像《瀘州市2011年高中階段學(xué)校招生統(tǒng)一考試理科綜合試卷》第47題、《昆明市2012年初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試卷》第28題，在要求學(xué)生回答如何改進“在燒杯里進行的碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗（裝置見圖3）時，評分標準中給出的參考答案都是“把燒杯換成錐形瓶、在錐形瓶的瓶口系一個氣球”。

另外，有些教學(xué)輔導(dǎo)材料中（如上海教育出版社2011版《九年級化學(xué)補充習(xí)題》第29頁第8題、江蘇教育出版社2012版《中學(xué)化學(xué)疑難辨析》第44頁）提供的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗裝置，也采用氣球封閉反應(yīng)容器。

那么，用氣球封閉“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗容器，在第二次稱量（氣球已經(jīng)膨脹）實驗裝置質(zhì)量時有沒有明顯的空氣浮力干擾呢？不久前，我們采用圖4實驗裝置（通過傾斜錐形瓶使反應(yīng)發(fā)生、直立錐形瓶使反應(yīng)停止），利用托盤天平對該裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量進行了測定，有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)如下表［2］：

上述實驗數(shù)據(jù)雖然不夠精確，但仍然直觀地說明反應(yīng)后氣球膨脹使托盤天平失去平衡，還說明氣球膨脹得越大，托盤天平第二次稱量減少的質(zhì)量也越多。

另外，現(xiàn)行滬科版《義務(wù)教育教科書·物理（八年級全一冊）》中也有一個研究空氣浮力的實驗［4］：將一個癟氣球套扎在籃球氣針尾端，并與籃球一起掛在杠桿的一端，另一端掛鉤碼平衡（見圖5）；然后將氣針頭插入籃球的氣門內(nèi)，氣球立即膨脹（籃球外形基本不變）。此時杠桿失去平衡，掛鉤碼的一端下沉。

綜上可知，對于驗證和探究質(zhì)量守恒定律的實驗裝置，如果反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓明顯增大（如碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)），則不能使用氣球封閉反應(yīng)容器。當(dāng)然，若反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓變小了，則可以使用氣球封閉容器，如現(xiàn)行人教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》中“白磷燃燒前后質(zhì)量的測定”實驗。

二、對教科書中實驗裝置的改進

搞清上述問題，有關(guān)“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗設(shè)計，就不會出現(xiàn)類似的科學(xué)性錯誤；如果我們再善于進行實驗創(chuàng)新，那么改進的實驗裝置就會妙不可言。

1. 新教科書中實驗裝置的不足

2012年出版的滬教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第102頁安排了“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”的實驗（裝置見圖6）。此實驗裝置雖然改變了舊版教科書中涉及兩個化學(xué)反應(yīng)的弊端，但實驗中，當(dāng)向密閉的錐形瓶里注入稀鹽酸時容易發(fā)生沖塞現(xiàn)象；另外，每次實驗后注射器里都要再次吸入稀鹽酸，操作不夠簡便。

2. 改進后的實驗裝置

經(jīng)過反復(fù)試驗，筆者利用螺紋瓶頸的眼藥水瓶，以及PET飲料瓶（其耐壓能力約為10～20 kg/cm2，通常狀況下，只要瓶內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積不超過瓶子容積的4倍［3］，就不會爆瓶），對原實驗進行了成功的改進（實驗裝置見圖7、8）。

3. 改進后的實驗操作

（1）找一個螺紋瓶頸的眼藥水瓶，截去（或拔掉）最前端的滴液端口，保留螺紋瓶頸，并在眼藥水瓶的中下部燙幾個大小適宜的細孔（見圖7）；然后向眼藥水瓶內(nèi)裝入適量顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

（2）找一個大口徑的容積約400 mL的PET飲料瓶（盛裝碳酸飲料、蘇打水或營養(yǎng)快線的飲料瓶均可，質(zhì)地柔軟的礦泉水瓶不可用），洗干凈后向瓶內(nèi)倒入大約100 mL的稀鹽酸。

（3）找一個與PET飲料瓶口配套的橡皮塞，在橡皮塞反面的中心位置，打一個深度為橡皮塞高度2/3的孔，并且孔徑略小于眼藥水瓶的螺紋瓶頸，然后將眼藥水瓶的螺紋瓶頸稍稍用力旋入橡皮塞內(nèi).

（4）按圖8所示，將實驗裝置連接起來；然后將整個實驗裝置放到托盤天平的左盤上，并用砝碼平衡，記下第一次稱量的數(shù)據(jù)。

（5）從托盤天平上取下實驗裝置，將其傾斜，眼藥水瓶中的碳酸鈣與稀鹽酸接觸，立即反應(yīng)，有大量的氣泡冒出。為防止飲料瓶內(nèi)壓力過大而發(fā)生沖塞，反應(yīng)大約20 s即可將飲料瓶直立起來，使反應(yīng)停止；再把飲料瓶放到托盤天平上進行第二次稱量，并記下第二次稱量的數(shù)據(jù)。容易發(fā)現(xiàn)兩次稱量值相等，這充分說明，碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變。

（6）本次實驗結(jié)束后，只要拔掉瓶口的橡皮塞，放出瓶內(nèi)的二氧化碳氣體，即可在其余的班級繼續(xù)使用。所有班級的實驗結(jié)束后，再拆開裝置清洗；如果碳酸鈣用完了（或顆粒變細小了），可以旋下眼藥水瓶，重新裝入顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

4. 改進后的實驗優(yōu)點

（1）實驗設(shè)計科學(xué)，實驗操作簡便，實驗過程安全，實驗結(jié)果可靠。

（2）利用廢舊物品設(shè)計實驗裝置，培養(yǎng)了師生的節(jié)儉意識。

（3）實驗裝置比較固定，一次裝藥足量，就可以在多個班級連續(xù)使用。

（4）只要在橡皮塞上增加一根導(dǎo)氣管，此實驗裝置就符合啟普發(fā)生器原理，從而用于常溫下實驗室制取氧氣、二氧化碳、氫氣和硫化氫等氣體。

實驗創(chuàng)新永無止境，必須確保科學(xué)性、追求直觀性、體現(xiàn)實用性、力爭簡潔性［4］。

參考文獻：

［1］ 李德前.“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗改進［J］. 化學(xué)教育，2011（10）：84-85.

［2］ 王秀梅，李德前. 將氣球用于驗證質(zhì)量守恒定律實驗的問題探討［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2013（8）：41-42.

［3］ 扈靜晗.PET瓶在碳酸飲料中的應(yīng)用［J］. 飲料工業(yè)，2006（9）：31.

［4］ 李德前.例談初中化學(xué)實驗創(chuàng)新的思維方法進［J］. 化學(xué)教學(xué)，2013（3）：65-68.

endprint

“質(zhì)量守恒定律”實驗是初中化學(xué)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生理解基本原理、鞏固基礎(chǔ)知識、拓展思維空間、嘗試科學(xué)探究、培養(yǎng)實踐能力的重要載體。而且各地中考化學(xué)試卷中實驗探究題的命制，也常以質(zhì)量守恒定律實驗及其改進裝置為素材，以突出考查學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實驗評價能力。

但筆者發(fā)現(xiàn)，在研究質(zhì)量守恒定律的“碳酸鈣（或碳酸鈉）與鹽酸反應(yīng)”實驗中，有的初中化學(xué)教科書、教學(xué)輔導(dǎo)資料以及有些中考化學(xué)試題對于實驗的設(shè)計和裝置的改進，常常忽視了兩個科學(xué)性問題。筆者結(jié)合實例，通過理論分析和實驗探索，提出該實驗設(shè)計應(yīng)注意的問題，并給出一個比較完美的改進裝置。

一、實驗設(shè)計和裝置改進時容易忽視的兩個問題

筆者發(fā)現(xiàn)，在有的實驗方案中，反應(yīng)容器里涉及了兩個化學(xué)反應(yīng)（一個是碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)，另一個是吸收二氧化碳氣體的反應(yīng)）；有的實驗方案中，雖然只有碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng)，但是利用氣球封閉反應(yīng)容器（同時儲存反應(yīng)放出的二氧化碳氣體）。這樣設(shè)計，均存在科學(xué)性錯誤。

1. 一個實驗不能選用兩個化學(xué)反應(yīng)

像上海教育出版社2011年出版的《義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第96頁設(shè)計的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗［1］（裝置見圖1），以及《重慶市2013年初中畢業(yè)暨高中招生考試化學(xué)試題·B卷》第23題中探究質(zhì)量守恒定律采用的實驗（裝置見圖2），在同一反應(yīng)體系內(nèi)既有“碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)”，還有“堿溶液吸收二氧化碳的反應(yīng)”（旨在防止錐形瓶沖塞），這不利于得出“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量保持不變”的實驗結(jié)論。

僅從數(shù)學(xué)角度分析就不難發(fā)現(xiàn)，在同一反應(yīng)體系內(nèi)，如果一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量增加、另一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)后的質(zhì)量減小，那么整個實驗體系在反應(yīng)前后的質(zhì)量也是可以保持不變的，這如何能說明其中的一個化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變呢？顯然，這樣的設(shè)計實驗干擾了學(xué)生的認知思維，影響了正確結(jié)論的導(dǎo)出。

因此，在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，每個實驗只能選用一個化學(xué)反應(yīng)作為研究對象，同一反應(yīng)體系內(nèi)不能涉及兩個或多個化學(xué)反應(yīng)［1］。

2. 不能使用小氣球封閉反應(yīng)容器

在驗證和探究質(zhì)量守恒定律時，為了防止容器內(nèi)外的物質(zhì)發(fā)生交換，反應(yīng)容器必須是密閉的。但不管采用哪種方法封閉反應(yīng)容器，都要確保反應(yīng)前后裝置的外形沒有明顯變化，以防止第二次稱量實驗裝置時空氣浮力對實驗結(jié)果的不良影響。

由于小氣球來源容易、彈性好，因此化學(xué)實驗中常用它封閉反應(yīng)容器，以防止氣體逃逸、調(diào)節(jié)反應(yīng)容器內(nèi)的壓強變化、比較化學(xué)反應(yīng)速率的快慢等。像《瀘州市2011年高中階段學(xué)校招生統(tǒng)一考試理科綜合試卷》第47題、《昆明市2012年初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試卷》第28題，在要求學(xué)生回答如何改進“在燒杯里進行的碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗（裝置見圖3）時，評分標準中給出的參考答案都是“把燒杯換成錐形瓶、在錐形瓶的瓶口系一個氣球”。

另外，有些教學(xué)輔導(dǎo)材料中（如上海教育出版社2011版《九年級化學(xué)補充習(xí)題》第29頁第8題、江蘇教育出版社2012版《中學(xué)化學(xué)疑難辨析》第44頁）提供的“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”實驗裝置，也采用氣球封閉反應(yīng)容器。

那么，用氣球封閉“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗容器，在第二次稱量（氣球已經(jīng)膨脹）實驗裝置質(zhì)量時有沒有明顯的空氣浮力干擾呢？不久前，我們采用圖4實驗裝置（通過傾斜錐形瓶使反應(yīng)發(fā)生、直立錐形瓶使反應(yīng)停止），利用托盤天平對該裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量進行了測定，有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)如下表［2］：

上述實驗數(shù)據(jù)雖然不夠精確，但仍然直觀地說明反應(yīng)后氣球膨脹使托盤天平失去平衡，還說明氣球膨脹得越大，托盤天平第二次稱量減少的質(zhì)量也越多。

另外，現(xiàn)行滬科版《義務(wù)教育教科書·物理（八年級全一冊）》中也有一個研究空氣浮力的實驗［4］：將一個癟氣球套扎在籃球氣針尾端，并與籃球一起掛在杠桿的一端，另一端掛鉤碼平衡（見圖5）；然后將氣針頭插入籃球的氣門內(nèi)，氣球立即膨脹（籃球外形基本不變）。此時杠桿失去平衡，掛鉤碼的一端下沉。

綜上可知，對于驗證和探究質(zhì)量守恒定律的實驗裝置，如果反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓明顯增大（如碳酸鹽與鹽酸的反應(yīng)），則不能使用氣球封閉反應(yīng)容器。當(dāng)然，若反應(yīng)后裝置內(nèi)的氣壓變小了，則可以使用氣球封閉容器，如現(xiàn)行人教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》中“白磷燃燒前后質(zhì)量的測定”實驗。

二、對教科書中實驗裝置的改進

搞清上述問題，有關(guān)“碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)”的實驗設(shè)計，就不會出現(xiàn)類似的科學(xué)性錯誤；如果我們再善于進行實驗創(chuàng)新，那么改進的實驗裝置就會妙不可言。

1. 新教科書中實驗裝置的不足

2012年出版的滬教版《義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級上冊）》第102頁安排了“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”的實驗（裝置見圖6）。此實驗裝置雖然改變了舊版教科書中涉及兩個化學(xué)反應(yīng)的弊端，但實驗中，當(dāng)向密閉的錐形瓶里注入稀鹽酸時容易發(fā)生沖塞現(xiàn)象；另外，每次實驗后注射器里都要再次吸入稀鹽酸，操作不夠簡便。

2. 改進后的實驗裝置

經(jīng)過反復(fù)試驗，筆者利用螺紋瓶頸的眼藥水瓶，以及PET飲料瓶（其耐壓能力約為10～20 kg/cm2，通常狀況下，只要瓶內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積不超過瓶子容積的4倍［3］，就不會爆瓶），對原實驗進行了成功的改進（實驗裝置見圖7、8）。

3. 改進后的實驗操作

（1）找一個螺紋瓶頸的眼藥水瓶，截去（或拔掉）最前端的滴液端口，保留螺紋瓶頸，并在眼藥水瓶的中下部燙幾個大小適宜的細孔（見圖7）；然后向眼藥水瓶內(nèi)裝入適量顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

（2）找一個大口徑的容積約400 mL的PET飲料瓶（盛裝碳酸飲料、蘇打水或營養(yǎng)快線的飲料瓶均可，質(zhì)地柔軟的礦泉水瓶不可用），洗干凈后向瓶內(nèi)倒入大約100 mL的稀鹽酸。

（3）找一個與PET飲料瓶口配套的橡皮塞，在橡皮塞反面的中心位置，打一個深度為橡皮塞高度2/3的孔，并且孔徑略小于眼藥水瓶的螺紋瓶頸，然后將眼藥水瓶的螺紋瓶頸稍稍用力旋入橡皮塞內(nèi).

（4）按圖8所示，將實驗裝置連接起來；然后將整個實驗裝置放到托盤天平的左盤上，并用砝碼平衡，記下第一次稱量的數(shù)據(jù)。

（5）從托盤天平上取下實驗裝置，將其傾斜，眼藥水瓶中的碳酸鈣與稀鹽酸接觸，立即反應(yīng)，有大量的氣泡冒出。為防止飲料瓶內(nèi)壓力過大而發(fā)生沖塞，反應(yīng)大約20 s即可將飲料瓶直立起來，使反應(yīng)停止；再把飲料瓶放到托盤天平上進行第二次稱量，并記下第二次稱量的數(shù)據(jù)。容易發(fā)現(xiàn)兩次稱量值相等，這充分說明，碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后的質(zhì)量保持不變。

（6）本次實驗結(jié)束后，只要拔掉瓶口的橡皮塞，放出瓶內(nèi)的二氧化碳氣體，即可在其余的班級繼續(xù)使用。所有班級的實驗結(jié)束后，再拆開裝置清洗；如果碳酸鈣用完了（或顆粒變細小了），可以旋下眼藥水瓶，重新裝入顆粒狀的石灰石（或碳酸鈣）。

4. 改進后的實驗優(yōu)點

（1）實驗設(shè)計科學(xué)，實驗操作簡便，實驗過程安全，實驗結(jié)果可靠。

（2）利用廢舊物品設(shè)計實驗裝置，培養(yǎng)了師生的節(jié)儉意識。

（3）實驗裝置比較固定，一次裝藥足量，就可以在多個班級連續(xù)使用。

（4）只要在橡皮塞上增加一根導(dǎo)氣管，此實驗裝置就符合啟普發(fā)生器原理，從而用于常溫下實驗室制取氧氣、二氧化碳、氫氣和硫化氫等氣體。

實驗創(chuàng)新永無止境，必須確?？茖W(xué)性、追求直觀性、體現(xiàn)實用性、力爭簡潔性［4］。

參考文獻：

［1］ 李德前.“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”實驗改進［J］. 化學(xué)教育，2011（10）：84-85.

［2］ 王秀梅，李德前. 將氣球用于驗證質(zhì)量守恒定律實驗的問題探討［J］. 中國現(xiàn)代教育裝備，2013（8）：41-42.

［3］ 扈靜晗.PET瓶在碳酸飲料中的應(yīng)用［J］. 飲料工業(yè)，2006（9）：31.

［4］ 李德前.例談初中化學(xué)實驗創(chuàng)新的思維方法進［J］. 化學(xué)教學(xué)，2013（3）：65-68.

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