河北省秦皇島市山海關區(qū)教研中心 劉春芳
通過前面四個單元的學習,在宏觀上,大家從定性的角度,認識到化學變化中物質發(fā)生了質的變化;在微觀上,大家對物質的構成知識有了理解,對化學變化的微觀實質有了一定的認識。此外,在初二的物理課上,大家已經(jīng)掌握了天平的使用技能,學習了能量守恒定律,對守恒的概念也有了一定的認識。
閱讀思考:大約在二三百年前,兩位科學家對于化學反應前后物質質量關系的認識引起了爭議。1673年,英國化學家波義耳在敞口容器中加熱金屬,結果發(fā)現(xiàn)反應后金屬的質量增加了,于是他認為化學反應前后各物質的質量總和不相等。1774年,法國化學家拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解和合成時,卻發(fā)現(xiàn)化學反應前后各物質的質量總和是相等的。
提出問題:對于化學變化,反應物的質量和生成物的質量之間究竟存在怎樣的關系呢?
做出猜想:依據(jù)化學反應的實質,化學反應前后,原子的種類沒有改變,數(shù)目沒有增減,原子的質量也沒有變化,那么反應前后,物質的質量總和應該是相等的。
100mL燒杯(盛放硫酸銅溶液),粗銅絲(直徑約0.2cm~0.3 cm,長度約10cm),100mL燒杯(底部放少量碳酸鈉粉末),12*70規(guī)格的小試管2支(盛放稀鹽酸),鐵架臺,細棉線3條,托盤天平,350mL礦泉水瓶,250mL錐形瓶(盛放約30mL稀鹽酸),食品袋(盛放約5g碳酸鈉粉末),藥匙,鑷子,酒精燈,尺子,砂紙,無銹鐵釘2根,硫酸銅溶液(質量分數(shù)約為9%),碳酸鈉粉末,稀鹽酸(濃鹽酸和水體積比大約為1∶2配制)。
實驗步驟:1.取適量硫酸銅溶液于100mL小燒杯中,然后將燒杯和鐵釘(用砂紙打磨干凈)同時放在托盤天平的左盤(鐵釘放在燒杯外的托盤上),右盤加入砝碼,并調節(jié)游碼,使天平平衡。
2.用鑷子將鐵釘輕輕地放入小燒杯中的硫酸銅溶液中,靜置,觀察現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象:鐵釘表面逐漸覆蓋上一層紅色物質,溶液由藍色變?yōu)闇\綠色,天平始終平衡。
實驗結論:化學反應前后,物質的總質量不變。
實驗步驟:1.用一根細棉線綁在粗銅絲的中間,然后將細棉線的一端系在鐵架臺的鐵夾或鐵圈上,調整細棉線的位置使銅絲兩端保持水平。
2.用酒精燈對銅絲一端均勻加熱,觀察現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象:銅絲表面變黑,停止加熱后,銅絲不再保持水平,被加熱的一端下降。
實驗結論:化學反應后,物質的總質量增加。
現(xiàn)象分析:銅絲加熱時與空氣中的氧氣反應,生成氧化銅的質量等于參加反應的銅與氧氣的質量之和。反應之前,棉線兩端都是銅絲的質量;反應以后,被加熱的一端有一部分是氧化銅的質量,這部分氧化銅的質量大于參加反應的銅絲的質量,而增加的則是參加反應的氧氣的質量,因此銅絲不再保持水平,上面的實驗結論不準確。
【裝置1】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在燒杯中反應
實驗步驟:1.如圖1所示,取一藥匙碳酸鈉粉末放在100mL小燒杯底部,然后向小試管中倒入稀鹽酸(約占小試管容積的四分之三),并將小試管放入燒杯中。
圖1
2.將放置好藥品的燒杯放在天平的左盤,右盤加入砝碼,并調節(jié)游碼,使天平平衡。
3.將小試管中的稀鹽酸倒入燒杯中,待反應停止后,重新將燒杯和小試管放在天平的左盤。
實驗現(xiàn)象:將稀鹽酸倒入燒杯中,產(chǎn)生大量氣泡;重新將燒杯和小試管放在天平左盤,天平不平衡,右端下降。
實驗結論:化學反應后,物質的總質量減少。
現(xiàn)象分析:化學反應在敞口的燒杯中進行,生成的二氧化碳氣體擴散到空氣中,使得反應后質量減小,天平不平衡,上面的實驗結論不準確。
設疑激趣:如果將該反應放在密閉裝置中進行,防止二氧化碳氣體擴散,那么反應前后物質的總質量是什么關系呢?
【裝置2】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在密封的錐形瓶內(nèi)反應
實驗步驟:1.如圖2所示,將約5g碳酸鈉粉末放入食品袋中,并將食品袋用細線緊緊系在橡膠塞中的玻璃管上,然后將大約30mL稀鹽酸放入250mL錐形瓶中。
圖2
2.將放置好藥品的錐形瓶放在天平的左盤,右盤放入砝碼,并調節(jié)游碼,使天平平衡。
3.將碳酸鈉粉末倒入稀鹽酸中,反應停止后,重新將錐形瓶放在天平的左盤。
現(xiàn)象記錄:錐形瓶內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡,食品袋逐漸膨脹;重新將錐形瓶放到天平左盤,天平不平衡,右端下降。
實驗結論:化學反應后,物質的總質量減少。
現(xiàn)象分析:化學反應在密閉的錐形瓶中進行,防止了二氧化碳氣體擴散,雖然錐形瓶一端的總質量不變,但是食品袋膨脹后受到空氣向上的浮力,所以也會導致天平不平衡,上面的實驗結論不準確。
設疑激趣:那么,我們究竟該如何再想辦法改進裝置,通過天平來探究該反應前后物質的質量關系呢?
【裝置3】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在密封的礦泉水瓶中反應
實驗步驟:1.將大約半藥匙的碳酸鈉粉末放入350mL礦泉水瓶的底部。
2.在小試管中放入稀鹽酸(體積約占小試管容積的二分之一),然后將小試管用細棉線系好小心放入礦泉水瓶中(注意不要將小試管中的稀鹽酸灑落)。
3.將礦泉水瓶稍稍捏癟,并擰緊瓶蓋,用托盤天平稱量其總質量。
4.將礦泉水瓶倒置,使小試管中的稀鹽酸流入礦泉水瓶中,反應停止后,重新將礦泉水瓶放在天平的左盤稱量。
現(xiàn)象記錄:礦泉水瓶內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡,反應結束后,礦泉水瓶變鼓;重新將礦泉水瓶放在天平的左盤稱量,總質量不變。
實驗結論:化學反應前后,物質的總質量不變。
現(xiàn)象分析:化學反應在密閉的礦泉水瓶中進行,礦泉水瓶內(nèi)總質量不變,癟的礦泉水瓶變鼓以后重新放在天平上時,可以忽略空氣浮力的影響,所以天平仍保持平衡。
通過以上三個實驗探究活動可以得出,在化學反應前后,物質的質量總和是相等的。但需要注意的是,我們在驗證反應前后物質的質量關系時,如果反應物或生成物中涉及氣體,則要選擇在密閉的反應裝置中進行,同時還要考慮到理化知識的融合,例如浮力對于實驗現(xiàn)象的影響,謹慎進行分析。