例谈气球在化学实验中的使用

摘要：审视2012年的若干个版本初中化学教科书中利用气球设计的实验装置的特点，结合实例归纳出气球在实验中的主要作用有缓解压强差、形成封闭体系、收集未反应完或生成的气体、验证气体密度大小等，分析了气球应用于化学实验装置及在实验设计中可能出现的“妥”与“不妥”，并指出化学实验设计应注重简易性、实用性、真实性。

关键词：气球；封闭体系；实验装置；实验探究；化学教科书

文章编号：1005–6629（2017）4–0071–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

气球在初中化学实验中往往担当收集尾气、验证气体密度、验证物质之间化学反应的发生等作用[1，2]。让学生体验气球在化学实验中的作用，可激发学习化学知识的兴趣和动力。通过研究发现，若气球使用不当，也会给学生带来一些错误的认识，加深学生的迷思概念。梳理依据《义务教育化学课程标准（2011版）》修订的若干个版本初中化学教科书中利用气球设计的化学实验，从以下几个方面分析在实验中使用的“妥”与“不妥”，以期重新审视气球在化学实验中的作用。

1 用做缓冲装置，缓解压强差

2012年鲁教版初中化学教科书[3]在第四单元第一节“空气的成分”的“实验探究”中采用加热铜粉方案测定空气中氧气含量，设计了图1的实验装置。实验操作：在具支试管中装入铜粉，塞上橡膠塞，用小气球密封试管的支管口。移动注射器活塞，在注射器中留下一定体积的气体，记录体积后插入橡胶塞中。用酒精灯在铜粉部位加热，加热时不断推拉注射器。停止加热后，待试管冷却至室温，将气球内的气体全部挤入注射器内。待注射器活塞稳定后，记录注射器中气体的体积，从而测定空气中氧气的含量。

笔者认为该实验设计中的“气球”存在如下“不妥”：（1）在反复推拉注射器活塞时，气球与具支试管的支管接口处很容易漏气，且实验结束后，得将气球中的气体赶回试管，该操作需要用手操作，稍有不慎，气球就容易漏气，甚至脱落；（2）使用气球作为缓冲装置，在实验操作过程中，气体在装置中流通不顺畅，且热的空气不易被挤回试管内，使氧气与铜粉难以充分反应，导致实验误差较大，实验结果只能达到18.0%左右。

因此，在尊重原实验的前提下对该实验的装置和操作流程进行了再设计，如图2、图3所示。通过交替推拉2支注射器活塞，使空气在2支注射器、具支试管（或大试管）和气球间来回传送，避免了使用气球的操作不便和对实验结果的影响，使实验的结果更接近真实值。相应成果发表在《化学教育》2013年第11期上[4]。教科书在2014年再版时，对该装置又进行了改进，如图4所示。该装置相对于2012年版的装置而言，气球置于玻璃管的尾部，能让空气更易流通，节约了反应的时间，但依然没有解决“气球”存在的上述问题，测得的氧气的体积分数误差依然较大。

2 用于形成封闭体系，验证质量守恒定律

2012年科粤版初中化学教科书[5]在第4章4.3“质量守恒定律”的“探究活动”中设计了两个对比实验：“[实验4-7]锥形瓶瓶塞中插入玻璃管与大气相通。往锥形瓶里的小块石灰石滴入吸在滴管里的稀盐酸，反应前后称量作比较”；“[实验4-8]往锥形瓶瓶塞里的玻璃管上缚紧气球。称量后往瓶内的石灰石小块滴入吸在滴管里的稀盐酸，反应前后称量作比较”。[实验4-7]中的天平不平衡，通过测定敞开体系中化学反应前后的质量变化情况，让学生思考：表面上似乎不符合质量守恒定律的原因是什么？可采取什么措施使天平平衡？接着设计出[实验4-8]，让学生在探究的基础上，通过比较、判断，不断揭示矛盾和解决矛盾，从而能够透过不同情况下测定结果的表象，更为深刻地认识化学反应前后的质量变化情况，故采用有气体产生（或参与）的化学实验来验证质量守恒定律，必须要在密闭装置中进行。事实上，[实验4-8]使用这样的密闭装置，真的能保证反应前后所称的质量相等吗？

且看笔者设计的如下实验：在4个锥形瓶中分别加入足量的稀盐酸，用电子天平（精确至0.01g）分别称取反应前4个气球的质量，将不同质量的碳酸钠粉末分别放入4个气球中，再称重。将气球套在锥形瓶口并用皮筋扎紧，将4个反应体系放在4台电子天平上称量，记下反应前电子天平的示数，再将气球中的药品全部倒入稀盐酸中，气球迅速涨大，待反应结束，再次记下电子天平的示数，实验数据如表1所示。

分析相关数据可知，气球的浮力是真实存在的，也是导致反应后第2次称量值变小的直接原因。第4个实验因为产生的气体太多而漏气，但也没有影响最终的结果，也进一步说明气球收集气体的能力也是有限的，超出其限度，将会“罢工”。因此，笔者认为，不能利用托盘天平灵敏度不好的特点而忽略气体浮力的存在。科粤版初中化学教科书中的该实验设计产生的实验结果，不利于培养学生严谨的实验精神和态度，将会对学生造成不利影响，这样的实验设计是不妥的，建议教科书的设计者对该实验重新进行设计。

2016年孝感市的中考化学试题的命制者则关注到这个问题。指出该实验中碳酸钠与盐酸反应生成二氧化碳，二氧化碳充满气球，使整个装置所受空气浮力增大，因此反应后天平不能平衡。

相比之下，2012年人教版[6]初中化学教科书在“第五单元课题1质量守恒定律”的“探究”中采用燃烧红磷的方法验证质量守恒定律，装置如图5所示，也是用气球密封装置并缓冲气压，这个装置的设计就显得严谨得多！反应前装置中气体的压强与外界的大气压强相等，红磷燃烧，有大量白烟，放出大量的热！由于两者的共同作用，装置内压强增大，气球胀大，但反应结束，红磷燃烧消耗了密闭体系中的氧气，待装置冷却至室温，密闭体系中气体压强小于外界大气压强，在大气压的作用下气球又变瘪。

3 用作收集未反应完或生成的气体

2012年鲁教版初中化学教科书[7]在实验室炼铁的实验装置中，采用导管末端连接气球的方法来收集未反应完的一氧化碳气体，装置如图6所示。该设计明显有些“不妥”之处：气球收集的气体有限，随着收集的气体增多，内部压强会激增，若反应的时间过长，可能也会“罢工”。同时，不可否认的是，收得的气体后期处理也是比较麻烦的。因此，2015年再版时，则更换成如图7所示的装置，对未反应完的一氧化碳气体一烧了之，显得很干脆，既消除了有毒气体一氧化碳，又免除了后期處理的麻烦。

4 验证气体密度大小

一线教师利用气球的“浮”验证二氧化碳的密度比空气的密度大（图8），气球内充入空气，再将一集气瓶中的二氧化碳倾倒入大烧杯中，会发现气球会浮上来，从而得出二氧化碳的密度比空气的密度大的结论。但笔者认为，此实验设计简易性、实用性都不强，气球充气后，需要迅速用细线扎紧，扎线过程中容易漏气，若充入的空气不足量，气球也不一定能浮起来。还不如采用倾倒二氧化碳使高低不同的蜡烛依次熄灭的“阶梯实验”更有价值。通过倾倒二氧化碳不但证明其密度大小，还可证明二氧化碳既不能燃烧也不能支持燃烧的性质，可谓一举多得。

气球虽有其在化学实验中的独到之处，但若使用不当，可能会带来适得其反的效果。教学即研究，在课时紧张的情况下，应把探究的核心放在初中化学的核心知识和技能上，教师应在充分遵循实用性、真实性的前提下，依据学生的兴趣和科学态度、认知水平和学科能力发展等各因素设计实验以提升实验教学的效果。

参考文献：

[1]王荣桥.例析气球在中考化学实验中的应用[J].教学与管理·中学版，2014，（2）：53～55.

[2]王荣桥.气球在初中化学实验中的应用案例[J].化学教学，2013，（7）：39～40.

[3]毕华林，卢巍.全日制义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级）（上册）[M].济南：山东教育出版社，2012.：75

[4]胡巢生.“测定空气中氧气的含量”实验探究[J].化学教育，2013，（11）：77～78，80.

[5]江琳才.全日制义务教育课程标准实验教科书·化学[M].北京：科学出版社；广州：广东教育出版社，2012：111～112.

[6]王晶，郑长龙.全日制义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级）（下册）[M].北京：人民教育出版社，2012：92～93.

[7]毕华林，卢巍.全日制义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级）（下册）[M].济南：山东教育出版社，2012：59.