"说谎"的托盘天平
“说谎”的托盘天平
作者：尹蒂
来源：《中学教学参考·理科版》2013年第01期
天平历来象征着公平与正义，是人民法院标志的重要组成部分。它在化学发展史上，也起到过至关重要的作用，其中最著名的就是拉瓦锡利用天平总结出质量守恒定律，开创了定量化学（即近代化学）时代。
沪教版初中化学第四章第二节，就是利用拉瓦锡的研究方法，通过托盘天平称量来讲解质量守恒定律的。但是涉及有气体参与的化学反应，一向正直的天平却会“说谎”。经过长期的教学实践，笔者认为，在教学中应该补充探究实验、对比实验，剖析、理解天平“说谎”的原因，以加深学生对质量守恒定律的理解。
一、敞口体系，天平“说谎”似是而非
敞口体系，由于忽视参与反应的气体，许多化学反应好像不符合质量守恒定律。教师在讲解这个知识点时，一般会举“蜡烛燃烧，越烧越少”的例子，说明没考虑生成的水与二氧化碳的逸散。笔者认为这里应增加一个对比实验（或学生实验）。如图1：在一个纸槽（可用一次性纸水杯剪制）里放适量的石灰水（或氢氧化钠溶液），中间直立一支蜡烛，连同一个可以罩住它的烧杯一起放在天平左盘，调节天平平衡后，取下左盘的装置，点燃蜡烛，迅速用烧杯罩住，待蜡烛熄灭冷却后，再放回左盘，天平保持平衡。这样，不但考虑到生成的气体，还考虑到参与反应的氧气，验证了质量守恒定律的正确性，说服力更强。
又如，铁钉生锈后会变重，怎么说明这种缓慢的氧化反应也是符合质量守恒定律的呢？笔者建议这里应补充一个实验，如图2：用食盐水润湿一支试管内壁，里面沾上适量铁粉（如用脱氧剂，效果更快），立即塞紧橡皮塞，放在天平左盘，调节天平平衡，然后取下，等到铁粉变红锈后，再称量，天平依然保持平衡。
虽然敞口体系的天平平衡问题比较简单，但是不可忽视这中间的德育教育：科学具有严密性，需要实践检验。通过补充实验能使学生明白，实践是检验真理的唯一标准，空口说白话是站不住脚的。
二、密闭体系，天平“说谎”浮力作怪
对于有气体参与反应的密闭体系，在验证质量守恒定律时，天平也会“说谎”，形成了学生学习上的难点。如何突破难点？笔者认为，应该结合学生已有的物理知识，进行体系局部的受力分析，找到“作怪”的浮力，理解天平“说谎”的原因。
如图3所示，在一个锥形瓶中加入适量稀硫酸，在锥形瓶口上套紧一只气球，预先在气球中装入适量镁粉，但不要与稀硫酸接触。将这个装置放在天平左盘上，调节天平平衡；然后将
气球中的镁粉撒入稀硫酸中，充分反应，待装置冷却后，将装置放回左盘，天平会平衡吗？先让学生进行猜想，进而通过实验证明：天平指针向右偏转。为什么质量好像“不守恒”？这时教师引导学生观察密闭体系的体积是否发生变化，让学生自己找到气球膨胀是体积变化的原因。由于体系的其他部分体积没有变，在天平上称量时反应前后受到的浮力是一致的，因此只需考虑气球膨胀引起的浮力变化。如图4进行受力分析：
显然：F支持是负数，天平当然会向右倾斜。
但是，如果密闭体系不膨胀也不收缩，即V排=0，则F浮=0，那么天平肯定会平衡的。通过体系局部的受力分析，能很直观地说明天平“说谎”的原因，从而进一步验证质量守恒定律的正确性。值得一提的是，笔者在日常教学中发现，许多学生有这样的误解，认为氢气的密度比空气密度小，有浮力，但是二氧化碳的密度比空气密度大，会“往下沉”，没有浮力影响，这种错误相当普遍。对于这种典型的错误应该及时纠正，要向学生说明，气体的密度与空气的密度只要在一个数量级上，那么在称量时就会受到浮力的显著影响，即称量的质量是不准确的。 在另外一种情况下，验证质量守恒定律时，天平也会“说谎”。如图5：在一个敞口的具支锥形瓶上套紧一只气球，具支锥形瓶中充满二氧化碳气体，支管上用乳胶管连接一个装满氢氧化钠溶液的注射器。实验时，先
将装置放在天平左盘，调节天平平衡，然后取下装置，将氢氧化钠溶液注入具支锥形瓶中，充分振荡，待反应完全、冷却后，重新放在天平左盘，结果会发现，天平向左倾斜。为什么会出现这种现象呢？教师再做一个对比实验，如图6：将图5装置中的气球改为一个橡皮塞，重复上述实验，结果这次天平居然保持平衡了。
教师要不失时机地引导学生对比，发现图5中的装置不但体积变化了，而且它的“密闭”也是假象，反应发生后，外界空气通过气球进入了体系中（如图7），导致体系质量增大，从而引起天平不平衡。
图7
从上述几个例子可以看出，化学学习中经常会遇到一些异常情况，连天平都会“说谎”。教师要及时地把握和利用学生的好奇心，引导学生对异常情况进行分析、探究，甚至可以让学生自己设计实验，完成实验。学生只有通过自己努力，才会有更大的成就感。这样，教师才真正做到“授之以渔”，提高学生解决问题的能力，增强他们的化学素养。
（责任编辑 罗 艳）