白磷燃烧验证质量守恒定律实验方案的探讨

　　质量守恒定律是九年级化学教材中的重要化学定律，主要从三类反应设计实验：有气体参加无气体生成、无气体参加有气体生成、无气体参加和生成。沪教版九年级化学教材上对于第一类反应没有设计实验，笔者研究了新旧人教版九年级化学教材这类反应设计的实验“白磷燃烧”，通过对比，设计出对教材实验的改进方案，实施实验，观察现象、分析现象，并进行了实验的延伸，基于此，对教学过程进行了反思。 　　化学实验作为化学课程的重要组成部分，它对于培养学生的思维、创新、实践等能力具有特殊的价值。我国著名化学家戴安邦先生曾经说过：“化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的形式。”在实际化学教学中，我们要充分运用实验这一手段，通过实验来验证假说或检验理论，这是培养学生实证精神和科学素养的重要途径。 　　质量守恒定律是沪教版初中化学中的重要化学规律，在初中化学教学中有着广泛的应用，它是分析物质在发生化学反应时质量关系的重要理论依据。该定律引领学生对化学反应的认识开始从“质”到“量”的过渡，也为之后化学方程式的书写和计算的教学构建了理论铺垫，对整个初中化学的学习有着至关重要的作用。在质量守恒定律的学习中，沪教版九年级化学上册教材不是从定义出发，把质量守恒定律的内容强加给学生，而是首先提出在化学反应中，反应物的质量和生成物的质量之间存在什么样的关系问题，让学生思考，然后通过作出假设、实验探究、交流讨论、提出结论等科学探究方法，设计并实施一些实验方案，使学生从自己亲身观察到的事实中，经过由此及彼、由表及里的思考，得出质量守恒定律的内容。学习质量守恒定律是对学生进行辩证唯物主义教育的重要内容。 　　在沪教版九年级化学上册教材中，验证质量守恒定律的内容，对于无气体参加和生成的反应，教材上选择了氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液的反应；对于无气体参加、有气体生成的反应，教材上选择了石灰石和稀盐酸的反应；而对于有气体参加、无气体生成的反应，教材上没有设计实验进行验证。笔者认为可以增加白磷燃烧实验，该实验设计方案可以进行一系列探索和改进，这对于开发学生智力很有效果，可以不断地揭示矛盾和解决矛盾，有利于激起学生更强烈的求知欲。下面就白磷燃烧实验验证质量守恒定律，笔者谈一些方案及思考。 　　1 新旧人教版九年级化学教材上的实验方案 　　人教版九年级化学全一册实验方案及探讨 　　1）实验装置。如图1所示，主要仪器及药品：250 mL锥形瓶内有火柴头大的白磷、玻璃棒、天平。 　　2）实验操作。 　　第一步：在锥形瓶底部铺一层细沙（隔热，为了吸收白磷燃烧时放出的热量，防止锥形瓶炸裂），放入一粒火柴头大的白磷。 　　第二步：在锥形瓶口的橡皮塞上安装一根玻璃棒，并使玻璃棒下端能与白磷接触。 　　第三步：将锥形瓶放在托盘天平上用砝码平衡。 　　第四步：取下锥形瓶，将橡皮塞上的玻璃棒放到酒精灯火焰上灼烧至红热后，迅速用橡皮塞将锥形瓶塞紧，并将白磷引燃。 　　第五步：待锥形瓶冷却后，重新放到托盘天平上，观察天平是否平衡。 　　3）实验中存在的问题。 　　①该实验中往往会因为瓶塞不严密产生漏气或被冲开而失败。一种是原来瓶塞未旋紧，当气体受热膨胀时，瓶内压强增大，将瓶塞冲开；另一种是白磷用量过多，燃烧时产生的热量也多，使瓶内气体因膨胀而产生的压强过大，即使原来已旋紧的瓶塞，也会被冲开。所以白磷的用量必须严格按教材上的规定，同时瓶塞要旋紧。 　　②白磷燃烧产生的白烟五氧化二磷有毒，在实验过程中，即使白磷取的量不多，但燃烧生成的白烟往往容易从锥形瓶和橡皮塞的缝隙中溢出，危害人体健康，造成空气污染。 　　③实验操作过程中先将橡皮塞取下加热玻璃棒，然后又旋紧橡皮塞，无可避免瓶内气体和外界空气的交换，影响实验的准确性。 　　人教版新教材九年级化学上册实验方案及探讨 　　1）实验改进及过程。在人民教育出版社出版的《义务教育课程标准实验教科书》化学九年级上册第90页对上述实验进行了改进。为了防止白磷在锥形瓶中燃烧放热，使瓶内气体体积膨胀，导致瓶塞被冲开，造成空气污染，使实验失败，实验时将玻璃棒改成了玻璃管，在玻璃管的上端系牢一个小气球，并使玻璃管下端能与白磷接触。如图2所示，其余实验仪器和药品、实验步骤和上述实验相同。 　　2）实验现象。白磷燃烧，放热，产生大量白烟，气球膨胀。待装置冷却后，气球变瘪。实验前后天平指针不发生偏转。 　　3）实验中存在的问题。教材中的操作方法是将玻璃管烧红来引燃白磷，玻璃管灼热后既要迅速插入到锥形瓶中，又要恰好与锥形瓶中的白磷接触，操作起来不太方便；和前面第一种实验设计方案相似，用玻璃管加热白磷，会导致锥形瓶内的空气有所流动，造成实验结果不准确。玻璃管伸入锥形瓶比较长，白磷燃烧放热导致锥形瓶内气体受热膨胀，来不及从玻璃管中导出进入气球中，从而使橡皮塞被冲开，导致实验失败。可以做如下改进：把长玻璃管换成短玻璃管，在三角架上放上石棉网，再将锥形瓶放在石棉网上，用酒精灯加热锥形瓶来点燃白磷（注：玻璃管上的气球要用橡皮筋绑牢）。待锥形瓶冷却后，重新放到托盘天平上，观察天平是否平衡。装置如图3所示。 　　优点：该实验中，锥形瓶内外没有空气对流，保证了实验的准确性；实验始终在气球形成的密封容器中进行，避免了白磷燃烧产生的白烟逸散到空气中，造成空气污染；这样操作，还能让学生加深对使用锥形瓶加热时，要垫石棉网的认识。 　　2 对教材的改进方案 　　新旧人教版九年级化学教材上该实验的设计是用玻璃棒或玻璃管加热白磷，存在“取下橡皮塞，再立即旋紧橡皮塞”这一过程，或多或少都会使瓶内气体与外界空气产生交换，影响实验的准确性。即便改用酒精灯加热锥形瓶来点燃白磷，需要将整套装置从托盘天平上取下，待实验发生后甚至实验结束后再将整套装置放回到托盘天平上进行再次称量，在这一操作过程中会带来一些误差，也无法观察到在实验过程中天平指针的变化情况。故笔者对实验方案进行如下调整： 　　1）实验装置。如图4所示，主要仪器和药品：250 mL锥形瓶、气球、橡皮筋、天平、白磷。 　　2）实验操作。 　　第一步：锥形瓶内铺一层细沙，将少量白磷放在细沙上。 　　第二步：将一个瘪气球扎在锥形瓶的瓶口上，用橡皮筋扎紧。 　　第三步：将上述装置放在托盘天平上用砝码平衡。 　　第四步：用日光做光源，以凸透镜聚焦，点燃锥形瓶内的白磷。 　　3）实验现象及分析。 　　①现象：白磷燃烧，产生大量白烟，气球较快变大后较快变瘪，最终气球缩进锥形瓶口内，实验过程中天平指针没有偏转。 　　②分析：白磷燃烧，放出大量的热，导致锥形瓶内空气受热膨胀，气球较快膨胀。燃烧时消耗了瓶内的氧气，生成的五氧化二磷又是固体，等实验结束，装置冷却，因氧气量减少，剩余气体体积不再膨胀，故气球变瘪，甚至被倒吸至锥形瓶中。由于本实验中气球体积变大是瓶内气体受热膨胀导致，此时气体的密度小于在一个标准大气压下空气的密度，在实验过程中用的白磷的量又比较少，膨胀的气球体积并不大，又因为托盘天平用于粗略称量，故在本实验中，变大的气球产生的浮力对天平指针无法造成影响，因此实验过程中指针始终没有发生偏转。 　　4）实验优缺点。该实验装置不仅在气球形成的封闭体系中进行，有效防止空气污染，而且点燃白磷的方式选择了凸透镜聚焦法，在整个实验过程中，没有把锥形瓶拿下托盘天平进行加热，减少了实验过程中的误差，而且可以观察到气球在逐渐膨胀过程中天平指针的变化情况。但在锥形瓶底部铺一层细沙，用凸透镜聚焦加热白磷，耗时较直接用酒精灯加热长些，在实验时，可先对锥形瓶底部的细沙进行预热，再将白磷置于细沙上，用凸透镜聚焦加热，可以减少实验时间。如果气球是新的，应揉搓、拉伸并使其变软后再用。 　　3 实验延伸 　　沪教版九年级化学上册教材中对于反应物中没有气体，生成物中有气体的反应选择了石灰石和稀盐酸的反应，在密封环境中进行，用澄清石灰水吸收反应生成的二氧化碳气体。按照教材上的要求实验，最终天平指针没有发生偏转，很好地验证了质量守恒定律。那么这个实验能否也用类似白磷燃烧用气球形成的封闭体系来验证质量守恒定律呢？笔者用白磷燃烧时对教材改进的实验方案进行石灰石和稀盐酸的反应。 　　1）实验装置。主要仪器和药品：250 mL锥形瓶、气球、橡皮筋、天平、石灰石、稀盐酸。 　　2）实验操作。 　　第一步：在锥形瓶中加入一定量的稀盐酸，在瘪气球中加入一定量的石灰石。 　　第二步：将瘪气球扎在锥形瓶的瓶口上，用橡皮筋扎紧，如图5所示。 　　第三步：将实验装置放在托盘天平上用砝码平衡。 　　第四步：将锥形瓶略微倾斜，将气球中的石灰石沿锥形瓶壁慢慢加入到稀盐酸中，观察。 　　3）实验现象及分析。 　　①现象：固体表面产生很多气泡，液体变得很浑浊，气球逐渐变大，刚开始天平指针不发生偏转，当气球膨胀到一定体积时，天平指针逐渐向右偏转。反应结束后，气球依然膨胀，天平指针始终向右偏转。 　　②分析：石灰石与稀盐酸作用，产生了二氧化碳气体，由于气体量的增加导致实验装置内气压增大，从而使气球体积逐渐变大。实验结束后，二氧化碳没有逸散到空气中去，整个装置中空气的量也没有减少，所以最终气球还是膨胀，在空气中形成一定的浮力，当浮力达到一定的值时，天平能感应得到，此时天平指针开始向右发生偏转。实验结束后，整套装置内增加了反应产生的二氧化碳，因此最终气球依然是膨胀的，指针始终向右偏转。故本实验设计不能用于验证质量守恒定律，必须要选择一些试剂把产生的二氧化碳气体完全吸收。 　　4 实验反思 　　中学化学新教材在实验的设置、内容、数量以及形式等方面较以往都有了很大的改变，我们的化学实验教学也应随着新课程的实施进行相应的改革和创新。化学实验教学已成为培养学生观察能力、思维能力和动手能力的重要途径。目前教材上很多实验都是探究性实验，但探究的过程离不开验证，验证的过程同样也可以充满探究。在验证质量守恒定律实验时采用的“白磷燃烧”和“石灰石和稀盐酸作用”两个实验，实验过程中都可以观察到气球膨胀这一现象，但前者天平指针没有发生偏转，后者指针最终向右偏转，这与药品用量有关，也与天平的感量有关。我们在进行实验的改进时，需对改进的实验方案进行验证，切不可纸上谈兵，只从理论上分析。对于实验过程中出现的一些“意外现象”不能忽视，要进行深入思考，仔细研究，切实重视实验教学。