初中化学教材中拉瓦锡实验的进阶探析

教材研究教学参考；] ,,.V,, ■- (—ZHONC；\t E HIJAXUE JIAOXLiE C ANK AO J
_中化雜材中拉瓦麵验的进阶_
张文华〃
(湛江市第三十二中学广东湛江524000)
文章编号：1002-2201(2020)11>0051>02 中图分类号:G632.0 文献标识码：B
法国科学家拉瓦锡在化学发展史上做出了许多杰 出的贡献，被誉为“现代化学之父”[1]，就初中化学来说, 他最突出的贡献为探究空气组成实验，简称“拉瓦锡实 验”，又叫“钟罩实验”，因为实验经历了 12天，所以也被 人们称为“十二天实验”[2]。

人教版九年级化学教材第 二单元课题1中拉瓦锡研究空气成分作用的装置如图1所示，该实验指出，“把少量汞放在密闭的容器中连续加 热12天，发现有一部分银白色的液态汞变成红色粉末，同时容器里空气的体积差不多减少了 1/5,得出空气由 氧气和氮气组成，其中氧气约占空气总体积1/5的结 论”[3]。

从装置图和教材的实验描述可知，该实验反应 原理比较简单，就是在火炉持续加热的条件下，曲颈甑 中的液态汞不断消耗密闭容器中的氧气,导致玻璃钟罩 内压强减小，进而使钟罩内汞液面上升，然后测出上升 的汞液体积，则可计算空气中氧气的体积含量。

针对拉 瓦锡实验的结论，伍强[4]认为，“氧气约占空气总体积 1/5”这一描述是不符合历史事实的，建议将“1/5”改为 “1/6”。

那么，哪种结论描述较适宜，拉瓦锡通过实验得 到的具体结论是什么？另外，实验初始空气体积是怎样 测定的，有没有将曲颈甑和钟罩内的空气都考虑在内等 等，截至目前，教材曲颂-
描述得不是很清
楚。

为了探析拉瓦 j
锡实验的类似问1
题，本教学知识点
依旧有很多疑惑需 ^
要解决，教材内容图1
也亟须补充完善。

一、进阶探析的关键点
经过教学实践，对教材描述的内容提出质疑并产生 疑惑：（1)该实验通过玻璃钟罩内液面的变化来判断密闭容器内空气体积的变化,那实验中的初始密闭容器到 底指的是玻璃钟罩、曲颈甑还是指曲颈甑和玻璃钟罩一 体化装置;通过测定钟罩内汞液面上升的体积，得到“氧 气约占空气总体积1/5”这一结论是否适宜；（2)该装置 中，接近沸点的液态汞与氧气反应生成氧化汞（2Hg+ 02加热
^2HgO)，氧化汞固体又在加热情况下能分解成汞和 力口梦i
氧气(2Hg0=^=2Hg+ 02丨），那么火炉加热时这两个反 应是否同时进行；（3)汞槽里的汞是有毒的，能否将汞槽 换成水槽代替实验，是否拉瓦锡实验用的就是水槽，因为操作简便又安全。

这些疑惑都会导致对拉瓦锡实验 的理解、学习和教学产生障碍，因此，如何更好地理解拉 瓦锡实验，解除疑惑、方便教学，还需以拉瓦锡原著为基 础进阶探析。

二、拉瓦锡原著相关内容[5]及分析
1.对疑惑（1)的诠释
拉瓦锡认为空气是由“适宜于呼吸的空气”和“有毒 空气”组成的，他把氧气和氮气分别称为“适宜于呼吸的 空气”和“有毒空气”。

依据图1连接装置后，拉瓦锡先 用一个虹吸管，向一个容积为36立方吋（约590. 4 cm3)的曲颈甑中导人4盎司（113.4 g)纯汞，抽出玻璃钟罩中 的部分空气,使玻璃钟罩内汞液面上升至1L,贴一张纸 条准确地标记刻度，这时玻璃钟罩内相当于还有14立 方吋（约229.6 cm3)的空气，则曲颈甑和玻璃钟罩一体 化装置内总计有50立方吋（约820 cm3)的空气，然后精 确地标明装置内温度计和气压计的高度，点燃炉火加热 大约12天，熄灭火炉，让器皿冷却至初始温度，并将钟 罩减少至同样的介质压力，即向上移动钟罩使罩内汞液 面降至初始标记刻度处，此时测得一体化装置内空气体 积大约为42或43立方吋（约688 •8 cm3或705 •2 cm3)，即氧气约占空气总体积1/6。

依据以上实验过程描述可
玻璃钟罩
汞槽
拉瓦锡研究空气成分的装置
*湛江市中小学教育科学“十三五”规划课题“中学‘问题学生’的识别及心理健康教育研究”（课题批准号:2〇19ZJYB097)阶 段研究成果。

■■■51 * *通讯作者，E- mail :362225072@
图2拉瓦锡分解氧化汞实验的简易装置
3.对疑惑（3)的诠释
拉瓦锡认为一切弹性流体可与它们所负载的重量
成比例地压缩或凝缩，它们的体积与压在其上的重量成 比例地减小，换言之，所有弹性流体的体积与压缩它们 的重量成反比。

他研究指出，倘若把汞槽换成水装置,
52 ■
■■
以获知，拉瓦锡实验中的初始密闭容器指的是一定容积
的曲颈甑和玻璃钟罩一体化装置。

但是，“氧气约占空 气总体积1/6”的实验结论只是其从实验数据获得的直 观结果。

实际上，拉瓦锡经实验分析后，认为测得的氧 气仅仅是汞消耗了的氧气，而最终装置内有一部分氧气 被氮气吸引，使之不能被汞消耗，他认为空气里氧气的 体积分数为27% ,并且愿意说明和讨论影响该体积分数 变化的诸多不确定性原因。

其实1/5在数值上在1/6和 27%之间，差不太多，并且教材指出，空气的成分按较准 确的体积计算，氧气大约为21% [3]。

因此，为了方便教 学的一致性，教材描述“空气的体积差不多减少了 1/5, 得到氧气约占空气总体积1/5的结论”，这种提法适宜。

2.对疑惑（2)的诠释
拉瓦锡实验燃烧加热经历了差不多十二天，这段时 间汞几乎总是处于沸点状态。

第一天，汞不断蒸发，以 微滴形式覆盖在曲颈甑内表面，由于微滴体积和质量不 断增大，结果部分回落至原汞液中。

第二天，加热的亲 液表面开始出现红色微粒，这些微粒不断增多，至第四 五天，便慢慢停止增多。

直至第十二天末，红色微粒不 再增多，等到介质压力和温度降至原状态，停止实验。

拉瓦锡收集实验中形成的漂浮在液态汞中的全部红色 微粒，将其置于另一个放在火炉中的曲颈甑中，取一个 适当的能够收集氧气的装置连接。

接着点燃火炉，他观 察到，随红色物质逐渐受热，颜色变得愈来愈深，当曲颈 甑接近炽热时，红色物质才开始逐渐地大量减少，几分 钟之后就全部消失了。

拉瓦锡分解氧化汞实验的简易 装置如图2所示[2]。

从拉瓦锡原著描述可知，汞与氧气 反应是在液态汞接近沸点的温度下进行的，氧化汞分解 实验则是在曲颈甑接近炽热的状态下进行的，两种反应 条件中温度强度显然不同。

查阅文献可知，汞的沸点 为356.9 T 。

实际上汞在170 -360 1范围内就能与氧 气有比较明显的反应，这在王婧[7]等人的研究中能够体 现和说明。

而氧化汞需要加热到400 t 以上才能分解 成汞和氧气[8]。

由此推断，理论上，汞与氧气、氧化汞分 解这两个反应在拉瓦锡实验中不会同时发生。

•空气
中、•教学参考
Z H O M ；\» E HI A \l E J I A O M E ( ANKAO
』
2020年第11期 (总第530期）
教材研究
必须估计和考虑到水面之上钟罩内水的高度差,并做矫 正以获得严格精确的结果。

大气压是由汞气压柱表示， 只有同类量才能一起计算，因此，必须把观察到的水的 高度换成汞的相应高度[5]。

然而，拉瓦锡实验中曲颈甑 内的液态汞会部分发生蒸发，虽然曲颈甑的玻璃长颈有 一定的冷凝效果，但由于长时间的受热实验，可能还是 会有少部分汞蒸气进入汞槽中，假设把汞槽换成了水 槽，水槽中的介质就会变成水和汞的混合物，这样通过 玻璃钟罩内液面的高度测定引起的气压变化，势必会有 影响。

由此可知，拉瓦锡实验用的是汞槽，并且不能将 亲槽换成水槽代替实验。

三、结论
通过以上对初中化学教材中拉瓦锡实验的进阶探 析，可获得如下结论：
(1) 拉瓦锡通过实验数据，得到的直观结论是氧气 约占空气总体积1/6;而实验后通过分析得到的具体结 论是氧气占空气体积分数的27%。

为了保持教学的一 致性，教材中描述“空气的体积差不多减少了 1/5,得到 氧气约占空气总体积1/5的结论”，是适宜的。

(2) 汞与氧气反应及氧化汞分解，这两个反应条件 的温度强度不同，在理论情况下，不会同时发生。

实验 用的是汞槽，并且不能将汞槽换成水槽代替实验。

(3) 实验中加热的容器是指曲颈甑，探究的空气所 在容器为一定容积的曲颈甑和玻璃钟罩一体化装置，为 了方便直观理解和学习，防止混淆干扰,建议将教材相 关内容改为“把少量汞放在指定的容器里连续加热12 天，发现有一部分银白色的液态汞变成红色粉末，同时 一定容积的密闭体系里空气的体积差不多减少了 1/5, 得出空气由氧气和氮气组成，其中氧气约占空气总体积 1/5的结论”。

参考文献
[1] 李梅.从拉瓦锡的突出贡献中吸取力量[J ]•化学教学参 考，2019(2) :72 -73.
[2]
金吾伦.科学变革论一-拉瓦锡化学革命探究[M ].北 京:科学出版社，1991:97-104.[3]
王晶，郑长龙•义务教育教科书.化学（九年级上册） [M ].北京：人民教育出版社，2019:26 - 27.
[4] 伍强.初中化学教材中拉瓦锡测定空气组成实验的探讨
[J].化学教育（中英文），2019,40(1) :96 -97.
[5] 拉瓦锡.化学基础论[M ].任定成，译•北京：北京大学出
版社，2019:12 - 13,128 - 129.
唐德保.高纯汞的分析[J ].分析试验室，1983(2):41
[6][7]
[8]
-43.
王靓，黄亚继，关正文，等.商用S C R 催化剂氧化汞性能 实验研究[J ].环境科学与技术,2017,40(7) :147 - 150. 张展.氧化汞加热时颜色变化现象的解释[J ].化学通 报，1956(5) :6
6.。