探究化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系

河北省秦皇島市山海關(guān)區(qū)教研中心 劉春芳

通過前面四個(gè)單元的學(xué)習(xí)，在宏觀上，大家從定性的角度，認(rèn)識(shí)到化學(xué)變化中物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的變化；在微觀上，大家對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成知識(shí)有了理解，對(duì)化學(xué)變化的微觀實(shí)質(zhì)有了一定的認(rèn)識(shí)。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(xué)習(xí)了能量守恒定律，對(duì)守恒的概念也有了一定的認(rèn)識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)探究背景

閱讀思考：大約在二三百年前，兩位科學(xué)家對(duì)于化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的認(rèn)識(shí)引起了爭議。1673年，英國化學(xué)家波義耳在敞口容器中加熱金屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后金屬的質(zhì)量增加了，于是他認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和不相等。1774年，法國化學(xué)家拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解和合成時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和是相等的。

提出問題：對(duì)于化學(xué)變化，反應(yīng)物的質(zhì)量和生成物的質(zhì)量之間究竟存在怎樣的關(guān)系呢？

做出猜想：依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)前后，原子的種類沒有改變，數(shù)目沒有增減，原子的質(zhì)量也沒有變化，那么反應(yīng)前后，物質(zhì)的質(zhì)量總和應(yīng)該是相等的。

二、實(shí)驗(yàn)探究用品

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(tái)，細(xì)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(zhì)量分?jǐn)?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）。

三、實(shí)驗(yàn)探究過程

探究一：鐵和硫酸銅溶液的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(shí)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(diào)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鐵釘表面逐漸覆蓋上一層紅色物質(zhì)，溶液由藍(lán)色變?yōu)闇\綠色，天平始終平衡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)前后，物質(zhì)的總質(zhì)量不變。

探究二：在空氣中加熱銅絲

實(shí)驗(yàn)步驟：1.用一根細(xì)棉線綁在粗銅絲的中間，然后將細(xì)棉線的一端系在鐵架臺(tái)的鐵夾或鐵圈上，調(diào)整細(xì)棉線的位置使銅絲兩端保持水平。

2.用酒精燈對(duì)銅絲一端均勻加熱，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)后，物質(zhì)的總質(zhì)量增加。

現(xiàn)象分析：銅絲加熱時(shí)與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成氧化銅的質(zhì)量等于參加反應(yīng)的銅與氧氣的質(zhì)量之和。反應(yīng)之前，棉線兩端都是銅絲的質(zhì)量；反應(yīng)以后，被加熱的一端有一部分是氧化銅的質(zhì)量，這部分氧化銅的質(zhì)量大于參加反應(yīng)的銅絲的質(zhì)量，而增加的則是參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量，因此銅絲不再保持水平，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不準(zhǔn)確。

探究三：在三種不同裝置中使碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應(yīng)

【裝置1】碳酸鈉粉末和稀鹽酸在燒杯中反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(diào)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(yīng)停止后，重新將燒杯和小試管放在天平的左盤。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)后，物質(zhì)的總質(zhì)量減少。

現(xiàn)象分析：化學(xué)反應(yīng)在敞口的燒杯中進(jìn)行，生成的二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散到空氣中，使得反應(yīng)后質(zhì)量減小，天平不平衡，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不準(zhǔn)確。

設(shè)疑激趣：如果將該反應(yīng)放在密閉裝置中進(jìn)行，防止二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散，那么反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量是什么關(guān)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(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(xì)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(diào)節(jié)游碼，使天平平衡。

3.將碳酸鈉粉末倒入稀鹽酸中，反應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)后，物質(zhì)的總質(zhì)量減少。

現(xiàn)象分析：化學(xué)反應(yīng)在密閉的錐形瓶中進(jìn)行，防止了二氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散，雖然錐形瓶一端的總質(zhì)量不變，但是食品袋膨脹后受到空氣向上的浮力，所以也會(huì)導(dǎo)致天平不平衡，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)論不準(zhǔn)確。

設(shè)疑激趣：那么，我們究竟該如何再想辦法改進(jìn)裝置，通過天平來探究該反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)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(yīng)

實(shí)驗(yàn)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(xì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)結(jié)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(zhì)量不變。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)前后，物質(zhì)的總質(zhì)量不變。

現(xiàn)象分析：化學(xué)反應(yīng)在密閉的礦泉水瓶中進(jìn)行，礦泉水瓶內(nèi)總質(zhì)量不變，癟的礦泉水瓶變鼓以后重新放在天平上時(shí)，可以忽略空氣浮力的影響，所以天平仍保持平衡。

四、反思與評(píng)價(jià)

通過以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)可以得出，在化學(xué)反應(yīng)前后，物質(zhì)的質(zhì)量總和是相等的。但需要注意的是，我們?cè)隍?yàn)證反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系時(shí)，如果反應(yīng)物或生成物中涉及氣體，則要選擇在密閉的反應(yīng)裝置中進(jìn)行，同時(shí)還要考慮到理化知識(shí)的融合，例如浮力對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響，謹(jǐn)慎進(jìn)行分析。