探究质量守恒定律的实验改进与创新

张激 陈婷钰 曾婷

摘要：通过分析人教版九年级化学教材中探究质量守恒定律的两个实验方案，提出教材方案存在的不足，进而介绍基于教材的实验改进方案，以及实验改进后的优点。

关键词：质量守恒定律;实验;改进;创新

文章编号：1008-0546（2020）01-0089-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.025

质量守恒定律在学生变化观的形成中起着承前启后的作用，将实现学生对化学变化的认识从“质”到“量”的突破。另外，本节内容也为后续化学方程式的书写和计算提供了理论依据。课程标准对质量守恒定律的教学要求是“认识质量守恒定律，能说明化学反应中的质量关系”，建议“通过实验探究反应前后的质量关系”。

一、问题的提出

人教版九年级化学教材探究质量守恒定律的实验方案一“红磷燃烧前后质量的测定”，装置如图1所示。操作时将玻璃管的一端加热后要准确地接触到锥形瓶里的红磷，同时橡胶塞又要刚好塞紧瓶口，使装置密封，实际操作时经常出现“白烟”泄漏，造成两次称量的质量不相等。

教材中的方案二“铁钉与硫酸铜溶液反应前后质量的测定”，装置如图2所示，不仅希望学生观察到“反应前后总质量不变”，还能观察到“溶液由蓝色变为浅绿色，铁钉表面有红色物质”。但事实上，由于铁钉与硫酸铜溶液接触不充分、硫酸铜溶液浓度不合适等原因，短时间内甚至到一堂课结束都观察不到溶液颜色的改变，给教学带来了干扰。

教材中将碳酸钠与稀盐酸反应前后质量的测定设计在开放体系中进行，反应前后测定的质量不相等，使学生形成认知冲突，这是引导学生自我构建知识的绝佳素材，应加以充分利用。

另外本节内容所有实验的质量测定均使用托盘天平，托盘天平的使用如调平、加减砝码、拨动游码、读数等耗费的时间相对较长，不利于提高课堂效率。

为解决上述问题，最大化发挥实验价值，现提出以下实验改进和创新方案。

二、实验的改进

首先本节内容所有实验的重点是“质量”，不是“测定”，所以可用精确度为0.1g的电子天平（如图3）代替托盘天平，测定更方便、更准确，还节省宝贵的课堂时间。

1.火柴燃烧前后质量的测定（如图4所示）

（1）实验用品和试剂

火柴、试管、烧杯、气球、酒精灯、试管夹、电子天平

（2）实验步骤

①在试管中放入一枚火柴，在试管口系牢一个小气球，使装置密封;

②将试管放入烧杯，将装置放到电子天平上称量，记录质量m1;

③加热试管，引燃火柴;

④待试管冷却后，再放入烧杯中，用电子天平称量，记录质量m2。

（3）改进后的优点

①用火柴燃烧代替红磷燃烧，去繁就简;

②装置始终密闭，实验成功率高;

③培养学生的实验创新意识。

2.钢丝棉与硫酸铜溶液反应前后质量的测定

该实验的改进目的是提高反应速率，一分钟或两分钟内就出现理想的现象，从而节省宝贵的课堂时间。反应物铁，用钢丝棉（非常细的鐵丝，柔软如棉，如图5）代替铁钉，可以使反应物接触面积增加到足够大，进而明显提高反应速率。硫酸铜溶液的选择，如果浓度过大，反应后就有较多硫酸铜剩余，会使溶液仍然显蓝色。如果硫酸铜溶液浓度过小，溶液颜色太浅，也不易观察到明显的颜色变化。通过查阅文献和实验验证，最终选用质量分数为4%的硫酸铜溶液，为了更快地出现理想现象，还可以在4%的硫酸铜溶液中加入少量氯化钠。实验装置及现象如图6所示。

（1）实验用品和试剂

钢丝棉、质量分数4%的硫酸铜溶液、试管、橡胶塞、烧杯、电子天平

（2）实验步骤

①在试管中加入适量硫酸铜溶液，塞好橡胶塞，观察溶液的颜色;

②取适量钢丝棉，轻轻拧成比试管稍长的条状，便于反应后将钢丝棉提离液面，观察钢丝棉表面的变化以及溶液颜色的变化。钢丝棉浸入硫酸铜溶液的一端稍大，以增加反应物的量（这步可由教师课前准备，以节省课堂时间）;

③称量反应前仪器、药品的总质量，记录质量m1;

④将钢丝棉浸入硫酸铜溶液中，塞好橡胶塞，观察现象。待反应一段时间后，将钢丝棉提离液面，观察现象;

⑤待溶液颜色改变后，称量反应后仪器、药品的总质量，记录质量m2。

（3）改进后的优点

①反应速率快，实验现象明显;

②节约药品。用试管代替锥形瓶，反应物用量少，而且实验结束后剪去下端参加反应的钢丝棉，上端可回收再利用。

3.碳酸钠与稀盐酸反应前后质量的测定

稍作分析，学生不难发现，反应后没有称量到二氧化碳的质量，可顺势引导学生对实验进行改进与创新，设计密闭体系的实验装置。然后由学生对各小组设计的装置进行评价、改进，最后选择合理的装置（如图7），小组合作再次实验。

（1）实验用品和试剂

碳酸钠粉末、稀盐酸、锥形瓶、气球、试管、单孔橡胶塞、注射器、矿泉水瓶、电子天平

（2）实验步骤

①使用提供的实验用品，设计一套实验装置，使反应中的各物质都能被称量到;

②利用设计的装置进行实验，先称量反应前仪器、药品的总质量，记录质量m1;

③使反应发生，观察记录实验现象;

④称量反应后仪器、药品的总质量，记录质量m2;

⑤破坏密封体系，再称量仪器、剩余药品的总质量，记录质量m3，分析数据变化的原因，得出结论。

（3）改进后的优点

①便于学生意识到气体对该实验质量测定的影响，进而深化对定律中“各物质”与“质量总和”两个关键词的理解;

②培养学生的质疑精神和实验创新能力。

三、实验教学反思

以上实验内容基于教材又不拘泥于教材。改进后的实验，药品用量少、耗时短、操作简单、现象明显，便于教师演示和学生分组实验。学生在实验中学会合作，面对“异常”现象敢于提出自己的见解，发展了学生“实验探究与创新意识”的学科核心素养。