将气球用于验证质量守恒定律实验的问题探讨

2013-02-03王秀梅李德前

中国现代教育装备 2013年8期

王秀梅李德前

笔者时常发现，有些中考题(如2010年泸州市中考化学试卷第20题、2011年泸州市中考化学试卷第47题)、练习题(如2011年上海教育出版社《九年级化学补充习题》第29页第8题)，在涉及气体放出的“验证质量守恒定律的实验装置”中，使用气球封闭反应容器的口。由于命题者忽视了“气球膨胀后在空气中所受浮力会明显增加”这一客观事实，以至于给出了“反应后天平仍然保持平衡”的错误结论。

下面，笔者从实证、理论、改进等方面对此问题进行探讨。

一、问题的探讨

1.实验验证

笔者选取“石灰石与稀盐酸反应”的实验作为研究对象，所选反应装置(如图1所示)可以控制反应进行，从而便于多次实验。

图1 可控制的“石灰石与稀盐酸反应”的实验装置

(1)取一个100 mL的锥形瓶，倒入不超过其容积1/3的稀盐酸。在跟锥形瓶配套的单孔橡皮塞的导气管上，扎紧一个小气球。

(2)将足量的石灰石装入布袋里，用细线扎好袋口，再将布袋慢慢吊入锥形瓶里。注意要使布袋离稀盐酸有2～3 cm的距离，并让细线的另一端留在瓶口外，然后塞紧橡皮塞(既固定了细线，又封闭了瓶口)。

(3)按图1装配好仪器，然后检查装置气密性，即微热锥形瓶底，若小气球略有膨胀，则装置不漏气。

(4)若装置不漏气，再用两种不同的天平(一台是量程为200 g、准确度为0.01 g的电子天平，另一台是量程为100 g、准确度为0.1 g的托盘天平)，分别称量整个实验装置的质量。先将实验装置放在电子天平上称量，及时记录称量值m电1。再将实验装置放到托盘天平的左盘上，用砝码和游码平衡，及时记录称量值 m天1。

(5)取下实验装置。将锥形瓶倾斜，使石灰石与稀盐酸接触，两者立即发生化学反应，布袋子表面冒气泡。等到小气球膨胀到合适的大小，将锥形瓶直立起来，反应立即停止。再把整个实验装置放到电子天平上进行第二次称量，发现称量值明显减小，记录称量值m电2。接着，将实验装置放到托盘天平上进行第二次称量，发现天平的指针明显向右偏转，记录称量值m天2。

(6)将锥形瓶上的小气球扎好口后取下来，再浸入盛满水的溢水杯中，并用量筒测量溢出的水的体积V(气球的体积约等于溢出的水的体积)。

(7)更换小气球(用过的小气球表面潮湿，影响下一步实验)，将上述实验再做4次，把5次实验的数据列于表1。

表1 电子天平、托盘天平的两次称量值和气球体积

说明：两种天平两次称量减少的数值虽然不同(这与两种天平的量程、准确程度和灵敏度等有关)，但它们减少的趋势基本一致。因此，使用不同类型的天平对本研究不仅没有不良影响，反而有助于提高实验结论的可靠性。

2.理论探讨

根据表1中测量的气球体积，并利用浮力公式(F浮=ρV，ρ是空气的密度，取近似值1.3 g/L；V表示气球的体积)，理论上可以粗略求出气球在空气中受到的浮力F列于表2(此处浮力的单位直接用克力表示)。

表2 天平两次称量值的差与气球所受浮力的比较

通过上表数据容易发现，气球受到的浮力越大，天平(不管是电子天平还是托盘天平)两次称量减少的质量也越多。不过，在理论上浮力的数值应该等于反应前后两次称量减少的数值，但本实验中浮力的数值小于反应前后两次称量减少的数值，这极可能是由于气球浸入水中受到液体压强的作用，使得测量出的气球体积数值偏小，也可能与使用的公式不严密有关系。

3.研究结论

虽然本实验存在一些误差，但根据上述实验结果和理论分析数据，仍可以得出如下结论。

(1)在做“验证质量守恒定律的实验”时，若反应有气体生成，则实验装置中不宜采用气球封闭反应容器的口，因为气球膨胀后所受空气浮力会明显增加(初中物理中就有一个研究空气浮力的实验，用的就是将气球挂在杠杆上，另一端挂钩码平衡，气球充气后杠杆就不平衡了)。

(2)对于涉及气体放出的“验证质量守恒定律的实验”，要确保实验装置密闭且反应前后装置外形不变，笔者认可的一种改进方法是“直接利用PET碳酸饮料瓶做实验”(如图2所示[1])。由于PET碳酸饮料瓶的耐压能力为10～20 kg/cm2，因此只要控制反应产生的气体体积适量(不超过饮料瓶容积的4.3倍[2])，一般不会出现爆瓶事故。

图2 用碳酸饮料瓶做“验证质量守恒定律的实验”

二、命题建议

在命制“涉及气体放出的质量守恒定律实验题”时，如果题目中使用小气球封闭反应容器的口，那么设置的问题和答案既要尊重事实，还可以引导学生开展误差分析，这样不仅研究了质量守恒定律实验的注意事项，而且综合考查了浮力、密度公式等物理知识，提高了学生解决实际问题的能力。

下面就是笔者命制的一道相关的原创实验题：

某校化学兴趣小组的学生在教师指导下，用图3所示的实验装置验证质量守恒定律(电子天平没有画出)。锥形瓶内放有足量的稀盐酸，小气球里事先装入3 g石灰石，然后将小气球紧密固定在锥形瓶口上。将实验装置放在电子天平上称量，称量值为m；然后将气球内石灰石全部倒入锥形瓶内，溶液里立即冒气泡，气球逐渐胀大，等到反应结束后，第二次称量实验装置，称量值为n，且n＜m。请回答下列问题：

(1)此反应是否遵守质量守恒定律？_______(填“遵守”或“不遵守”)。

(2)电子天平显示n＜m的原因是(装置不漏气)_______。