雞蛋在稀鹽酸中沉浮實(shí)驗(yàn)的探究

徐良斌

摘要：針對(duì)雞蛋在稀鹽酸中沉浮實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，簡(jiǎn)述了實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)探究方案。通過(guò)觀察與分析10只雞蛋在0.4 mol·L-1稀鹽酸中出現(xiàn)的沉浮現(xiàn)象，說(shuō)明雞蛋沉浮的條件比較苛刻，影響雞蛋沉浮的非化學(xué)因素是蛋殼薄膜，所得結(jié)論對(duì)雞蛋沉浮實(shí)驗(yàn)提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：雞蛋；沉浮實(shí)驗(yàn)；稀鹽酸；實(shí)驗(yàn)探究；趣味實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）3–0043–03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 提出問(wèn)題

滬教版初中教材有這樣一例有趣的實(shí)驗(yàn)習(xí)題：如圖1所示，將一只新鮮雞蛋放入水中，雞蛋沉入水底。加入適量濃鹽酸后，雞蛋會(huì)出現(xiàn)上浮、下沉、再上浮、再下沉的現(xiàn)象，反復(fù)多次。教材以此為情景，提出了與物理、化學(xué)相關(guān)的3個(gè)問(wèn)題（略）[1]。筆者曾詢(xún)問(wèn)初中教師是否做過(guò)該實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)的效果，大多數(shù)人都搖搖頭，只有3位男性教師回答做過(guò)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻差強(qiáng)人意。于是，筆者決定對(duì)雞蛋沉浮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

2 已有研究

在中國(guó)知網(wǎng)（http：//www.cnki.net/）中以“雞蛋沉浮”為主題，檢索到2篇相關(guān)文獻(xiàn)。許小忠老師使用新鮮雞蛋在白醋和稀鹽酸（濃鹽酸與水的體積比為2：125）中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)上浮——下沉往復(fù)現(xiàn)象[2]?？紤]到該方案反應(yīng)速度較慢、耗時(shí)較長(zhǎng)，此研究的推廣運(yùn)用存在一定的局限性；許應(yīng)華老師選用7種不同濃度的鹽酸溶液（0.14～ 1.0 mol·L-1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽酸濃度為0.4 mol·L-1時(shí)，雞蛋先下沉，再上浮，用玻棒刮去蛋殼表面氣泡，雞蛋又下沉，但不久又上浮[3]。我們從中得到較大的啟發(fā)，認(rèn)為其觀點(diǎn)值得學(xué)習(xí)、驗(yàn)證和再探究。

3 實(shí)驗(yàn)原理

雞蛋在鹽酸溶液中沉浮的理論依據(jù)是：由于雞蛋的密度比鹽酸溶液的密度大，造成雞蛋在鹽酸溶液中下沉。與此同時(shí)，蛋殼中的碳酸鈣與鹽酸溶液不斷反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀莞街诘皻け砻?，使其體積變大、浮力增大。當(dāng)浮力大于重力時(shí)開(kāi)始上浮，雞蛋上浮中部分氣泡脫離逸出，蛋體的重力又大于浮力，此時(shí)雞蛋又出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。

在實(shí)驗(yàn)操作層面，筆者認(rèn)為我們應(yīng)該關(guān)心的是：首先，雞蛋與鹽酸的密度相差幾何；其次，產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀莸乃俾蕟?wèn)題，從已有的研究文獻(xiàn)判斷，使用較稀的鹽酸溶液已成共識(shí)；其三，下沉前何種因素制約氣泡逸出的問(wèn)題。只有處理好這3個(gè)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題并將其有機(jī)地結(jié)合在一起，才能達(dá)成雞蛋沉浮的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)探究

4.1 實(shí)驗(yàn)容器

選用高24cm、直徑7cm的生物標(biāo)本瓶作實(shí)驗(yàn)容器，加入800mL稀鹽酸后使酸溶液液面高度約為20cm。后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，25℃時(shí)采用較大容積容器與較多酸溶液，可以觀察到更多的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，也為調(diào)整酸溶液濃度預(yù)留一定的空間。

4.2 測(cè)定雞蛋的密度

將雞蛋放入燒杯中，然后倒入稀氯化鈉溶液。若發(fā)現(xiàn)雞蛋沒(méi)有浮起，再慢慢加入濃氯化鈉溶液，并用玻棒不斷攪拌。當(dāng)發(fā)現(xiàn)雞蛋開(kāi)始浮起時(shí)，立即停止加入濃氯化鈉溶液，靜置觀察，使其懸浮于溶液之中（如已上浮至溶液表面，可滴加少量水進(jìn)行調(diào)節(jié)）。此時(shí)，使用密度計(jì)測(cè)出氯化鈉溶液的密度，其密度就等于雞蛋的密度。經(jīng)測(cè)定，10只雞蛋的密度見(jiàn)表1。

4.3 配制稀鹽酸溶液

按照濃鹽酸與水體積比為1：29的比例，配制濃度為0.4 mol·L-1的稀鹽酸[3]，使用密度計(jì)測(cè)得其密度為1.000 g·mL-1。

雞蛋的密度略大于該鹽酸溶液，客觀上要求上浮前二氧化碳?xì)馀莸臄?shù)量無(wú)需太多，加之下沉前還要有利于氣泡的凈減少，所以采用稀的鹽酸溶液較為適宜。

4.4 雞蛋與稀鹽酸的反應(yīng)

室溫25℃時(shí)，在盛有800mL稀鹽酸的生物標(biāo)本瓶中放入雞蛋，分別進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)。其中第3次實(shí)驗(yàn)用酸為前一次實(shí)驗(yàn)使用過(guò)的，其他均為新酸溶液。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到3次或3次以上沉浮現(xiàn)象記作“√”；經(jīng)過(guò)加水或加濃鹽酸，觀察到3次或3次以上沉浮現(xiàn)象記作“+”；經(jīng)過(guò)7min雞蛋仍停留在酸溶液下方，記作“×”。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)不同雞蛋在稀鹽酸中出現(xiàn)的不同現(xiàn)象，可以將實(shí)驗(yàn)分為4種類(lèi)型，具體說(shuō)明如下：

（1）現(xiàn)象完整的實(shí)驗(yàn)。雞蛋在上浮之前，其表面布滿(mǎn)了數(shù)以百計(jì)的氣泡，只有零星的、細(xì)小的氣泡逸出；經(jīng)過(guò)約1min時(shí)間，雞蛋的鈍端懸浮而銳端仍停留在底部，蛋體出現(xiàn)1～2次輕微的晃動(dòng)；氣泡聚集2～3min后，雞蛋開(kāi)始上浮。在上浮過(guò)程中，只有個(gè)位數(shù)的氣泡逸出。當(dāng)?shù)绑w少部分露出液面時(shí)，其立即下沉至底部，且未見(jiàn)氣泡冒出。雞蛋的沉浮過(guò)程均較平穩(wěn)、速率緩慢（相對(duì)而言，下沉稍快），其間未見(jiàn)蛋體翻轉(zhuǎn)。

（2）需要加水的實(shí)驗(yàn)。在30s時(shí)間內(nèi)，雞蛋較快地上浮，逸出的氣泡數(shù)目超過(guò)10個(gè)，且下沉的距離不到酸溶液高度的一半。加入少量水后，雞蛋可一直下沉至底部。

（3）需要加酸的實(shí)驗(yàn)。雞蛋雖能上浮，但只能上浮至酸溶液高度的2/3處。

（4）不理想的實(shí)驗(yàn)。雖然雞蛋表面布滿(mǎn)許多氣泡，且同時(shí)有較多、較大氣泡逸出，但雞蛋長(zhǎng)時(shí)間一直停留在底部，未見(jiàn)晃動(dòng)、上浮等現(xiàn)象。這可能是酸溶液酸度不夠，不能產(chǎn)生足夠的浮力或雞蛋自身的品質(zhì)已遭損壞（見(jiàn)下文說(shuō)明）等原因造成的。

由于不同雞蛋間存在個(gè)體差異，其蛋重、蛋殼厚度、蛋形指數(shù)、蛋殼硬度、裂紋，甚至包括表面污斑都會(huì)影響二氧化碳?xì)馀莸男纬膳c逸出，使得雞蛋在酸溶液中的浮力變化存在著一定的不確定性，但這種不確定性是有邊界的，是可控制的。以“現(xiàn)象完整的實(shí)驗(yàn)”為模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象作出正確的判斷，通過(guò)加水或加酸調(diào)節(jié)酸溶液濃度，為雞蛋的沉浮提供適當(dāng)?shù)臈l件。依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，筆者試作如下推論：

（1）0.4 mol·L-1稀鹽酸與雞蛋殼反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，能使60%的雞蛋出現(xiàn)沉浮現(xiàn)象；通過(guò)加水或加酸調(diào)節(jié)酸溶液濃度，能使30%的雞蛋出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

（2）雞蛋的密度直接決定了其沉浮能力，但不同雞蛋所呈現(xiàn)出的沉浮表現(xiàn)與其密度大小沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）實(shí)驗(yàn)③現(xiàn)象表明，3次沉浮后酸溶液的濃度變化不大，這也說(shuō)明沉浮過(guò)程中產(chǎn)生二氧化碳的量與速率均較低。

對(duì)此，筆者的教學(xué)建議是：同時(shí)進(jìn)行兩組平行實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

5 問(wèn)題討論

在指定鹽酸溶液濃度的條件下，除了大家熟知的化學(xué)因素（二氧化碳?xì)馀荩┩猓u蛋自身具有的何種屬性是決定沉浮現(xiàn)象的關(guān)鍵呢？在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們觀察到雞蛋殼表面存在著一層薄膜（其成分為糖蛋白，又稱(chēng)殼上膜）[4]，經(jīng)酸溶液浸泡膨脹其顏色變深（棕色），大量氣泡被吸附在膨脹的薄膜與蛋殼之間。在上浮前與上浮過(guò)程中，雖然有少量氣泡逸出，但吸附的大量氣泡仍被薄膜鎖定；下沉?xí)r則沒(méi)有氣泡逸出。把進(jìn)行過(guò)沉浮實(shí)驗(yàn)的雞蛋取出（使用工具或手，均會(huì)加劇薄膜破損），放入新的酸溶液中，雞蛋不再出現(xiàn)沉浮現(xiàn)象；當(dāng)?shù)?個(gè)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)“啞”蛋現(xiàn)象時(shí)，觀察到殼上膜已部分破損；一旦鹽酸的濃度稍大，二氧化碳?xì)馀菀讻_破薄膜，常會(huì)出現(xiàn)雞蛋只上浮不下沉的尷尬。種種跡象表明，蛋殼薄膜在沉浮過(guò)程中起著控制和調(diào)節(jié)浮力大小的作用。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）雞蛋在酸溶液中沉浮的條件比較苛刻。室溫25℃時(shí)，在0.4 mol·L-1稀鹽酸中，六成的雞蛋會(huì)出現(xiàn)多次沉浮現(xiàn)象；三成雞蛋的沉浮需要通過(guò)加水或加酸進(jìn)行調(diào)節(jié)；只有少數(shù)殼上膜已破損的雞蛋不適合進(jìn)行沉浮實(shí)驗(yàn)。

（2）雞蛋在稀酸溶液里沉浮時(shí)，其氣泡（浮力）的變化不大，化學(xué)反應(yīng)速率、沉浮速率均較緩慢。

（3）蛋殼薄膜在沉浮過(guò)程中起著控制和調(diào)節(jié)浮力大小的作用。蛋殼薄膜在上浮前與上浮過(guò)程中將大部分氣泡鎖定在蛋殼表面，起著聚集氣泡的作用；在下沉前與下沉過(guò)程中，大部分氣泡仍被蛋殼薄膜鎖定，同時(shí)蛋殼薄膜（包括氣泡）起著阻礙蛋殼與酸溶液接觸的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2012：67.

[2]許小忠.雞蛋在酸溶液中沉浮實(shí)驗(yàn)的再探究[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（6）：21～23.

[3]許應(yīng)華.雞蛋在鹽酸中沉浮現(xiàn)象的探討[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2004，（10）：23～24.

[4]姚成立，朱金苗，徐汪華等.雞殼中的化學(xué)[J].化學(xué)教育，2009，30（6）：1～2.