通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽促進(jìn)基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

夏春蘭 鄧立志 劉欲文 龔淑玲 黃馳

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院 湖北武漢 430072)

第7屆全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽于2010年7月12～13日在武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院進(jìn)行。競賽分筆試和實(shí)驗(yàn)操作兩大部分，實(shí)驗(yàn)操作分為無機(jī)與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)3大類，其中物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核3個(gè)實(shí)驗(yàn)：(1) 有機(jī)酸酯的皂化反應(yīng)；(2) 液體飽和蒸氣壓的測定；(3) 凝固點(diǎn)降低法測定有機(jī)物摩爾質(zhì)量。下面談?wù)劚敬窝?qǐng)賽物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容、反映出來的問題、以及對(duì)物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容

本次邀請(qǐng)賽的目的可以用教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)教育研究中心主任段連運(yùn)教授的一句話說明，“全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽的考查內(nèi)容包括本科階段必須掌握的各門實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、能力及綜合素質(zhì)”。根據(jù)我實(shí)驗(yàn)中心“固基、拓新”的教學(xué)理念，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)于鞏固學(xué)生的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)技能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力有獨(dú)特的價(jià)值，在整個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中仍占較大比例。此次邀請(qǐng)賽選擇的3個(gè)實(shí)驗(yàn)均為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，下面談?wù)勥@3個(gè)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容。

1.1 有機(jī)酸酯的皂化反應(yīng)1.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解用電導(dǎo)法測定反應(yīng)速率常數(shù)的方法。

(2) 了解一級(jí)反應(yīng)和二級(jí)反應(yīng)的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)用圖解計(jì)算法求反應(yīng)的速率常數(shù)k。

1.1.2 儀器和藥品

恒溫槽，電導(dǎo)率儀，帶塞試管，移液管；0.02mol·L-1NaOH溶液，有機(jī)酸酯。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 有機(jī)酸酯的皂化反應(yīng)為：RCOOR′+NaOH=R′OH+RCOONa。

該反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，寫出反應(yīng)速率方程。從二級(jí)反應(yīng)出發(fā)，推導(dǎo)出采用電導(dǎo)法測定反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算公式。

(2) 如果該反應(yīng)中某一反應(yīng)物濃度大大過量，則該反應(yīng)可看作一級(jí)反應(yīng)。從一級(jí)反應(yīng)出發(fā)，推導(dǎo)出采用電導(dǎo)法測定反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算公式。

(3) 實(shí)驗(yàn)條件選擇：如按一級(jí)反應(yīng)處理，則必須使某一反應(yīng)物濃度大大過量。在下列實(shí)驗(yàn)條件中選擇一個(gè)：① 酯濃度為堿濃度10倍；② 酯濃度為堿濃度15倍；③ 酯濃度為堿濃度20倍；④ 堿濃度為酯濃度10倍；⑤ 堿濃度為酯濃度15倍；⑥ 堿濃度為酯濃度20倍。

(4) 分別寫出兩種實(shí)驗(yàn)方法的基本操作步驟。

1.2 液體飽和蒸氣壓的測定1.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解用靜態(tài)法測定液體飽和蒸氣壓的原理。

(2) 了解真空體系的設(shè)計(jì)、安裝和操作的基本方法。

(3) 求出所測溫度范圍內(nèi)的平均摩爾氣化熱。

1.2.2 儀器和藥品

飽和蒸氣壓測定裝置一套，機(jī)械泵，數(shù)字壓力計(jì)，帶活塞錐形瓶，三通管，橡皮管若干，待測液體。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 測定某液體的飽和蒸氣壓。根據(jù)所提供的儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量裝置。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案要求滿足如下條件：① 機(jī)械泵只在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)使用一次，使系統(tǒng)減壓到位后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中不必再次開動(dòng)機(jī)械泵；② 在每一溫度測量點(diǎn)(30℃，35℃，40℃)，可使系統(tǒng)內(nèi)部壓力反復(fù)多次升高或降低。根據(jù)上述條件及所提供的儀器，畫出實(shí)驗(yàn)裝置連接示意圖。

(2) 寫出實(shí)驗(yàn)的基本操作步驟。

1.3 凝固點(diǎn)降低法測定有機(jī)物摩爾質(zhì)量1.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 用凝固點(diǎn)降低法測定純有機(jī)物的摩爾質(zhì)量。

(2) 通過實(shí)驗(yàn)了解凝固點(diǎn)降低法測定摩爾質(zhì)量的原理，加深對(duì)稀溶液依數(shù)性質(zhì)的理解。

1.3.2 儀器和藥品

凝固點(diǎn)測定裝置一套，數(shù)字溫度溫差儀，電腦及相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件，待測純有機(jī)物(相對(duì)分子質(zhì)量100～150)，苯，環(huán)己烷，環(huán)己醇。

1.3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 已知下列溶劑的相關(guān)參數(shù)，請(qǐng)選擇合適溶劑并說明選擇理由。溶劑的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 溶劑的相關(guān)參數(shù)

(2) 請(qǐng)選擇合適的實(shí)驗(yàn)條件并說明理由。

溶劑體積：① 25mL；② 40mL；③ 50mL。

溶質(zhì)質(zhì)量：① 50mg；② 100mg；③ 200mg；④ 300mg。

(3) 寫出實(shí)驗(yàn)的基本操作步驟。

2 反映出來的問題

2.1 有機(jī)酸酯的皂化反應(yīng)

問題一：有機(jī)酸酯水溶液的配制。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，用電導(dǎo)法測定該反應(yīng)的速率常數(shù)，只有在稀溶液的情況下，溶液的電導(dǎo)率和離子濃度成正比。因此，在反應(yīng)開始時(shí)，NaOH濃度一般為0.01 mol·L-1，二級(jí)反應(yīng)中有機(jī)酸酯濃度和NaOH濃度相同。這樣決定了配制有機(jī)酸酯水溶液時(shí)，純有機(jī)酸酯只需要取幾微升即可。但有機(jī)酸酯難溶于水且易揮發(fā)，故有機(jī)酸酯水溶液只能現(xiàn)配，而且不能從一大瓶試劑中取出若干毫升使用。

由于平時(shí)溶液由教師配制，學(xué)生也沒有僅取幾微升溶液的操作，對(duì)于提供的微型進(jìn)樣器不知如何操作。反映在實(shí)驗(yàn)操作過程中，易出現(xiàn)取量不準(zhǔn)或因揮發(fā)造成損失的情況，導(dǎo)致最后的計(jì)算結(jié)果偏差較大。

問題二：從一級(jí)反應(yīng)出發(fā)，推導(dǎo)計(jì)算公式及測定速率常數(shù)。

二級(jí)反應(yīng)按一級(jí)反應(yīng)處理必須使一個(gè)反應(yīng)物濃度大大過量，但一些學(xué)生不知應(yīng)該選擇堿過量還是酯過量。由于該反應(yīng)測量溶液電導(dǎo)率，電導(dǎo)率變化體現(xiàn)的是溶液中NaOH濃度的變化，如果NaOH過量，溶液電導(dǎo)率基本不發(fā)生改變，則無法測定反應(yīng)速率常數(shù)。故應(yīng)使酯的濃度過量。

還有一些學(xué)生不知如何推導(dǎo)一級(jí)反應(yīng)計(jì)算公式，這與另一個(gè)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)“蔗糖轉(zhuǎn)化”的計(jì)算公式是類似的。

另外一些學(xué)生不知如何測定反應(yīng)結(jié)束時(shí)的電導(dǎo)率κ∞，最簡便的方法是測定NaAc溶液的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)過程中只有一個(gè)學(xué)生知道這一操作。

2.2 液體飽和蒸氣壓的測定

問題：實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)和裝配。

參加邀請(qǐng)賽的許多學(xué)校使用的是有詳細(xì)操作說明的成套飽和蒸氣壓測定裝置，學(xué)生只需照說明進(jìn)行操作即可，而對(duì)該裝置中的關(guān)鍵部分儲(chǔ)氣罐是如何控制升降壓的原理卻不太了解。我們?cè)O(shè)計(jì)用兩個(gè)帶活塞的錐瓶代替儲(chǔ)氣罐，分別控制體系的升壓和降壓。但大多數(shù)學(xué)生沒有領(lǐng)會(huì)到這一點(diǎn)。

另外實(shí)驗(yàn)中多提供的一個(gè)錐瓶對(duì)學(xué)生的思考起到一定干擾作用。

大多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)是一邊開著機(jī)械泵抽氣，一邊向系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)氣來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，造成讀數(shù)誤差較大。

2.3 凝固點(diǎn)降低法測定有機(jī)物摩爾質(zhì)量

問題一：溶劑的選擇。

本實(shí)驗(yàn)共提供了4種溶劑：水、苯、環(huán)己烷和環(huán)己醇。對(duì)于未知的物質(zhì)，選擇溶劑時(shí)首先應(yīng)該測試一下該未知物在溶劑中的溶解度，但沒有一位學(xué)生測過溶解度。有的學(xué)生只是因?yàn)槠綍r(shí)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)用的溶劑是水就選擇了水。另一些學(xué)生看到環(huán)己醇Kf值最大，就選擇了它。從理論上說這個(gè)選擇是對(duì)的，但環(huán)己醇凝固點(diǎn)較高(25℃)，在考試給定的實(shí)驗(yàn)條件下難以控制水浴溫度，而且環(huán)己醇較為黏稠，用移液管難以準(zhǔn)確量取。最大的問題是環(huán)己醇易于吸潮，如果沒有非常嚴(yán)格隔絕空氣的實(shí)驗(yàn)裝置，環(huán)己醇凝固點(diǎn)會(huì)不斷降低。因此,用所提供的實(shí)驗(yàn)裝置是不應(yīng)選擇環(huán)己醇做溶劑的。

問題二：溶劑量和溶質(zhì)量的選擇。

凝固點(diǎn)降低實(shí)驗(yàn)中的溶劑量和溶質(zhì)量一般是由教師經(jīng)過摸索后得到的一個(gè)相對(duì)合理的用量，但并不一定是最佳條件。而學(xué)生平時(shí)實(shí)驗(yàn)只是照方抓藥，很少考慮實(shí)驗(yàn)用量應(yīng)該根據(jù)什么原則加以確定。

我們?cè)谠u(píng)分過程中，重點(diǎn)考查學(xué)生選擇的理由中是否考慮了以下問題：是否根據(jù)未知物的相對(duì)分子質(zhì)量估算凝固點(diǎn)下降值，是否符合溶液依數(shù)性，以及溶液與環(huán)境熱交換好壞等。

從學(xué)生實(shí)驗(yàn)看，除一些學(xué)生因選錯(cuò)溶劑重做外，大多數(shù)學(xué)生完成較好。在3個(gè)實(shí)驗(yàn)中也是這個(gè)實(shí)驗(yàn)得分最高。

本次邀請(qǐng)賽在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的共同問題如下：

(1) 很多學(xué)生在進(jìn)行物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然是 “照方抓藥”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有對(duì)“實(shí)驗(yàn)原理-實(shí)驗(yàn)儀器-實(shí)驗(yàn)操作”3者之間的關(guān)系做到完整準(zhǔn)確的了解，即沒有理解為什么裝置這么設(shè)計(jì)、為什么這么操作等問題。

(2) 自行組裝儀器的能力有待提高。

3 對(duì)物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考

實(shí)際上，本次邀請(qǐng)賽在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些問題并不算意外。因?yàn)槠綍r(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，許多實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，如實(shí)驗(yàn)裝置的組裝、儀器的安裝和調(diào)試、溶液配制、實(shí)驗(yàn)條件的選擇和確定，都是由教師準(zhǔn)備好的，學(xué)生只需按照書上的實(shí)驗(yàn)步驟操作即可，甚至實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題也是教師幫助解決。學(xué)生并不明白為什么要如此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為什么要選擇這種儀器，為什么要如此組裝，為什么要選擇該實(shí)驗(yàn)條件，等等。

多年來，很多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中作了許多有益的探索，如開設(shè)了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力以及綜合運(yùn)用各科知識(shí)的能力，并在這些方面已取得了顯著的成效，但對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式改革的關(guān)注度還不夠。學(xué)生的創(chuàng)新思維不僅需要在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)中得到鍛煉，而且從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開始就要培養(yǎng)學(xué)生積極思考的習(xí)慣以及善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。近年來，我們?cè)陂_設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革作了一些探索和實(shí)踐，取得了較好的效果。具體改革措施簡述如下：

(1) 改變實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的考查方式。

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)講義中設(shè)置實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)思考題，將抄寫方式改為回答問題方式，以激發(fā)學(xué)生積極思考問題。同時(shí)，提倡學(xué)生課余進(jìn)行交流。

(2) 改變以往實(shí)驗(yàn)前教師講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的方法。

在實(shí)驗(yàn)前，教師不再講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而是只講解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和儀器操作過程。(我院物理化學(xué)理論課在大二上學(xué)期和大二下學(xué)期開設(shè)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課在大二下學(xué)期和大三上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生在做物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，部分內(nèi)容理論課已學(xué)。)與之配套的做法是：① 布置實(shí)驗(yàn)操作思考題，這些問題大多來自于往屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)中比較集中、比較典型的問題(主要是實(shí)驗(yàn)操作過程中學(xué)生可能遇到的問題或故障)；② 每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上提供提示牌，注明儀器使用方法和注意事項(xiàng)；③ 在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要密切注意學(xué)生的操作，并與學(xué)生討論交流；④ 在實(shí)驗(yàn)完成后，增加討論環(huán)節(jié)，以彌補(bǔ)學(xué)生知識(shí)的漏洞。

(3) 改革實(shí)驗(yàn)操作考核評(píng)分環(huán)節(jié)。

弱化對(duì)具體實(shí)驗(yàn)操作的考核，如學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題并不一定扣分，關(guān)鍵是考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)操作思考題占一定分值。

(4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告當(dāng)堂完成，當(dāng)堂提交。

要求學(xué)生必須獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，禁止抄襲。

當(dāng)然，由于某些客觀原因，我們的有些想法很難實(shí)施。比如由于辦學(xué)條件有限，學(xué)生人數(shù)眾多，難以讓學(xué)生都按照自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施實(shí)驗(yàn)；由于擔(dān)心儀器損壞，試劑消耗太大，污染環(huán)境等，不能讓學(xué)生全部自己組裝儀器裝置，自己摸索實(shí)驗(yàn)條件。但是，要培養(yǎng)真正的創(chuàng)新人才，符合時(shí)代的需要，就必須花大本錢、下大力氣，不斷改善辦學(xué)條件和教學(xué)方法，為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這是努力的方向。