高中化學(xué)定量綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要素及其教學(xué)策略

徐小健

（江蘇省如皋中學(xué) 江蘇 如皋 226500）

化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)有定性和定量兩大類，定性實(shí)驗(yàn)通常包括：①物質(zhì)的制備、分離和提純，②物質(zhì)的檢驗(yàn)，③性質(zhì)探究等；而定量實(shí)驗(yàn)通常包括：①物質(zhì)組成的測(cè)定，②物質(zhì)（一般為有機(jī)物）結(jié)構(gòu)的測(cè)定，③重要物理量的測(cè)定（如摩爾質(zhì)量、阿伏加德羅常數(shù)等），④性質(zhì)比較等。顯然定量實(shí)驗(yàn)是在定性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上展開的，它是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高境界，因此能力要求將有所提升。要想很好地設(shè)計(jì)或解決定量實(shí)驗(yàn)問題，首先必須了解定量綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要素，并有針對(duì)性地采取相應(yīng)的教學(xué)策略。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)的方向指南

每個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)都有它的目的，所以在設(shè)計(jì)或解決定量實(shí)驗(yàn)前必須首先把握實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁?，它是我們?cè)O(shè)計(jì)的方向指南，后面所有的設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊话憧擅枋鰹椋孩僦苽洌ɑ蚍蛛x、提純）×××②檢驗(yàn)×××③探究×××④測(cè)定×××等。 當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯袑哟蔚模覀兛梢詫⒋竽康姆纸鉃槿舾蓚€(gè)小目的，小目的最終要服務(wù)于大目的。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)我們還要知道每一步的操作意圖。

二、實(shí)驗(yàn)原理——化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們要發(fā)散思維，充分利用物質(zhì)的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡、電化學(xué)等知識(shí)，為達(dá)到某個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩鴮で笞罴褜?shí)驗(yàn)原理。在定量綜合實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握常用的三種思路方法：

1.沉淀法

顧名思義，沉淀法就是通過反應(yīng)生成沉淀，然后測(cè)量沉淀的質(zhì)量，進(jìn)而求出最終所需物理量。在沉淀法中必然會(huì)涉及到 “生成沉淀→過濾→洗滌→干燥→稱量”等一系列操作。所以在教學(xué)中我們要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)解決下列一系列問題：①如何判斷沉淀是否完全②如何洗滌沉淀③如何判斷沉淀是否洗凈④如何判斷沉淀是否已完全干燥……顯然，在沉淀法中要采集的數(shù)據(jù)就是固體的質(zhì)量，可用天平進(jìn)行稱量。

2.氣體法

氣體法就是通過反應(yīng)生成氣體，然后測(cè)量氣體的質(zhì)量或體積，進(jìn)而求出最終所需物理量。

（1）測(cè)氣體的質(zhì)量

測(cè)定氣體質(zhì)量的方法一般采用差量法。如果是非氣態(tài)的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)只產(chǎn)生一種氣體時(shí)，可以通過測(cè)定反應(yīng)體系反應(yīng)前后質(zhì)量的差異，確定氣體的質(zhì)量（反應(yīng)體系反應(yīng)前的質(zhì)量減去反應(yīng)后的質(zhì)量即為氣體質(zhì)量）。其他情況一般采用合適的吸收劑（如濃硫酸、堿石灰）和實(shí)驗(yàn)裝置（如洗氣瓶、干燥管）來吸收，通過測(cè)量吸收裝置吸收前后質(zhì)量差得到氣體的質(zhì)量（吸收后吸收裝置的質(zhì)量減去吸收前吸收裝置的質(zhì)量即為氣體質(zhì)量）。此時(shí)要特別注意：必須用其他無關(guān)氣體將反應(yīng)生成的氣體全部趕入吸收劑中被吸收，而且通常要防止空氣中的成分（如CO2、水蒸氣等）干擾實(shí)驗(yàn)，所以一般要在尾部再接一個(gè)裝有堿石灰的干燥管。

（2）測(cè)氣體的體積

測(cè)量氣體體積的方法一般采用排水量氣法，要求氣體不溶于水，知道氣體體積后往往還要轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)的量，故而還要知道當(dāng)時(shí)的溫度和壓強(qiáng)。通常不會(huì)去測(cè)定所收集到氣體的溫度和壓強(qiáng)，容易測(cè)定的是實(shí)驗(yàn)室的溫度（T）和壓強(qiáng)（p），所以在讀數(shù)前都要先將氣體恢復(fù)到當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度和壓強(qiáng)。顯然用這種方法時(shí)需采集的數(shù)據(jù)有V（氣體）、T和p。常用于排水量氣的裝置有以下三種（如圖 1～圖 3）：

圖1

圖2

圖3

圖4

在運(yùn)用這些裝置量氣時(shí)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，要待恢復(fù)至室溫后，再移動(dòng)相關(guān)儀器，使兩側(cè)（或內(nèi)外）液面相平，使氣體的壓強(qiáng)等于外界大氣壓。這三種裝置中尤以圖3為最佳，在用圖2實(shí)驗(yàn)時(shí)，要特別注意在恢復(fù)至室溫的過程中，一定要保證進(jìn)入量筒的玻璃導(dǎo)管高于液面以防倒吸。如果在反應(yīng)過程中需向反應(yīng)容器內(nèi)滴加溶液，最好采用恒壓滴液裝置（如圖4），既保證溶液能順利滴下，又不會(huì)因滴入溶液而影響到氣體的體積。

3.滴定法

滴定法的基礎(chǔ)是酸堿中和滴定，還可以遷移到氧化還原滴定等。運(yùn)用這種方法時(shí)往往會(huì)涉及到溶液的配制、指示劑的選擇、滴定操作和終點(diǎn)判斷等問題。

三、實(shí)驗(yàn)用品——化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本保障

實(shí)驗(yàn)原理確定后，化學(xué)試劑也就確定了，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作選擇所需實(shí)驗(yàn)儀器。在教學(xué)時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)中的操作及其相應(yīng)裝置，比如：（1）分離提純類：溶解、過濾、蒸發(fā)、蒸餾、萃取、分液、灼燒（酒精燈、三腳架、泥三角、坩堝、坩堝鉗、玻璃棒）等；（2）溶液配制類：配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液、配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液；（3）滴定類：酸堿中和滴定、氧化還原滴定等。為減小定量實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差，盡可能選擇精度比較高的計(jì)量儀器，如量體積選用滴定管，稱質(zhì)量選擇電子天平或分析天平等。

四、實(shí)驗(yàn)步驟——化學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行程序

實(shí)驗(yàn)步驟是化學(xué)實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行的保障，所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)要特別嚴(yán)密，要有身臨其境之感，假想當(dāng)時(shí)自己在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，想象它的過程。設(shè)計(jì)時(shí)要注意控制實(shí)驗(yàn)條件，如濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、光、溶劑、固體顆粒大小、試劑、純度、狀態(tài)、用量、酸堿度（pH）、反應(yīng)時(shí)間、環(huán)境氣氛、變量控制、儀器等。為保證定量實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，要重視測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的“恒量”操作和重復(fù)測(cè)量，即在重復(fù)測(cè)量時(shí)，要確保兩次量之間的差異符合實(shí)驗(yàn)要求。在教學(xué)時(shí)，教師可以精選幾個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，給出實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)用品，請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，然后讓學(xué)生分組討論、完善方案，教師再結(jié)合學(xué)生暴露出的問題進(jìn)行點(diǎn)評(píng)提升，經(jīng)過幾次這樣的練習(xí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力就會(huì)明顯提高。

五、處理分析——定量實(shí)驗(yàn)的最終歸宿

實(shí)驗(yàn)過程中需及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，最后要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和問題討論分析。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先要對(duì)幾次的平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，舍去有明顯偏差的，再將合理的數(shù)據(jù)求算平均值，計(jì)算出最終結(jié)果。在進(jìn)行問題討論分析時(shí)，首先要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的意外情況進(jìn)行分析，此外還要進(jìn)行誤差分析，分析測(cè)量值出現(xiàn)誤差的可能原因或由于不規(guī)范操作將導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。在教學(xué)時(shí)，教師要讓學(xué)生掌握誤差分析的一般思路：先根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理得出目標(biāo)物理量的計(jì)算式，然后分析不規(guī)范的操作使得哪個(gè)物理量發(fā)生了變化，再分析這個(gè)變化導(dǎo)致目標(biāo)物理量如何變化。

把握了定量綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要素，并采取針對(duì)性訓(xùn)練，一定可以更順利地解決定量實(shí)驗(yàn)中的疑難問題。目前較為流行的是定性與定量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，制備實(shí)驗(yàn)自然成為命題趨勢(shì)。它首先涉及到物質(zhì)的制備、分離與提純，這可以用工藝流程圖表示，然后再進(jìn)行組成的定量測(cè)定，這樣既要求學(xué)生要有解工藝流程的經(jīng)驗(yàn)方法，又要具備解決實(shí)驗(yàn)題的知識(shí)、方法與能力，顯然是考查學(xué)生的一類好題。學(xué)生在解題過程中既擴(kuò)大了知識(shí)視野、了解了化工生產(chǎn)，又提高了解決問題的能力。