例談初中化學(xué)定性實(shí)驗(yàn)的定量化設(shè)計(jì)

李德前+朱曉偉

定量型實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教育體系中的重要組成部分，它能有效地引導(dǎo)學(xué)生從量的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、性質(zhì)及其變化規(guī)律;但現(xiàn)行九年級(jí)化學(xué)課本中的實(shí)驗(yàn)大多是定性實(shí)驗(yàn)[1]，定量型實(shí)驗(yàn)很少（如測(cè)量空氣中氧氣體積含量、配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液、驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律等）。近年來，筆者利用一些常規(guī)儀器（如電子天平、量筒等）、替代品（如注射器、塑料瓶等）和傳感器，從定量的角度對(duì)一些初中化學(xué)定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。創(chuàng)新后的實(shí)驗(yàn)既能用于課堂演示，又能作為課外探究活動(dòng)素材，而且教學(xué)效果顯著。

一、“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的實(shí)驗(yàn)

各種版本的九年級(jí)化學(xué)教科書都是直接告訴學(xué)生“二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大”，并在“二氧化碳?xì)怏w熄滅蠟燭火焰”的實(shí)驗(yàn)中順便進(jìn)行驗(yàn)證。筆者巧妙利用電子天平設(shè)計(jì)出了驗(yàn)證“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的實(shí)驗(yàn)。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1[2]，其中電子天平的量程為100g、精確度為10mg。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

（1）在500 mL的塑料瓶里，用向上排空氣法收集一瓶二氧化碳?xì)怏w，再將瓶蓋旋緊。

（2）把盛滿二氧化碳?xì)怏w的塑料瓶放到電子天平上稱量，顯示的測(cè)量值約是25.31 g。

（3）取下塑料瓶，打開瓶蓋，倒立塑料瓶一會(huì)兒，以倒出其中的二氧化碳?xì)怏w（同時(shí)空氣進(jìn)入瓶中）;估計(jì)塑料瓶?jī)?nèi)二氧化碳?xì)怏w已全部倒出，再把盛滿空氣的塑料瓶放回電子天平上進(jìn)行第二次稱量，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)減小了，約為25.10g。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

盛滿二氧化碳?xì)怏w的塑料瓶在倒出二氧化碳?xì)怏w后質(zhì)量明顯減少，說明二氧化碳?xì)怏w比同體積的空氣質(zhì)量大，即二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大。另外，也說明二氧化碳?xì)怏w可以像液體那樣傾倒。

（四）幾點(diǎn)說明

（1）二氧化碳?xì)怏w不能用排水法收集，因?yàn)槌睗竦亩趸細(xì)怏w中含有的水分會(huì)嚴(yán)重干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）塑料瓶盡量使用廣口的，這樣有利于二氧化碳?xì)怏w快速、徹底地倒出。

（3）本實(shí)驗(yàn)兩次稱量的質(zhì)量差（0.21g）小于理論值（0.34g），是因?yàn)橄蛏吓趴諝夥ㄊ占亩趸細(xì)怏w中含有較多的空氣，但這并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、“二氧化碳?xì)怏w溶于水”的實(shí)驗(yàn)

九年級(jí)化學(xué)教科書上多用塑料瓶做“二氧化碳溶于水”的實(shí)驗(yàn)，這樣設(shè)計(jì)需要的二氧化碳?xì)怏w多，而且實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生看到的是塑料瓶略有變癟，不能顯示二氧化碳?xì)怏w在一定量水里溶解的多少[3]。其實(shí)，只要把塑料瓶換成可計(jì)量?jī)x器“注射器”，不僅能避開課本實(shí)驗(yàn)的不足，還能直觀地顯示二氧化碳?xì)怏w在一定量水里溶解的多少。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2，其中注射器為30mL的玻璃材質(zhì)注射器。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

（1）取規(guī)格是30 mL的玻璃注射器，緩緩吸入10mL的二氧化碳?xì)怏w，再緩緩吸入10mL剛冷卻的涼開水（此時(shí)注射器活塞處于20mL刻度處）。

（2）將注射器針頭扎入橡皮塞（封閉注射器針管），稍稍用力振蕩針筒里的氣、水混合物十來次;停止振蕩后，注射器活塞會(huì)緩緩向前移動(dòng)，最終停留在大約12mL刻度處。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，10mL的水約能溶解8 mL的二氧化碳?xì)怏w，即1體積水約能溶解0.8體積的二氧化碳?xì)怏w。

（四）兩點(diǎn)說明

（1）所用二氧化碳?xì)怏w盡量使用排水法收集，從而提高其純度，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（2）要確?；钊麧櫥粤己?。

三、“二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)

目前的“二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)，大多通過“驗(yàn)證碳酸鹽存在”“對(duì)比實(shí)驗(yàn)”等方法排除氫氧化鈉溶液中水的干擾，這不失為實(shí)驗(yàn)良策。筆者從定量的視角，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖3[4]，其中的集氣瓶是60mL（實(shí)際容積約是78mL）。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

（1）按圖3裝好藥品、連好儀器，并確保裝置氣密性良好。

（2）先將2mL的濃氫氧化鈉溶液一次性擠入集氣瓶，然后輕輕振蕩集氣瓶，50 mL酒精很快就能全部噴入集氣瓶里。

（三）現(xiàn)象分析

2mL氫氧化鈉溶液中約含有2mL的水，這些水通常能吸收2mL的二氧化碳?xì)怏w，那么另外減少的48mL二氧化碳?xì)怏w無疑是與氫氧化鈉反應(yīng)了。

（四）兩點(diǎn)說明

（1）實(shí)驗(yàn)中的酒精也能換用飽和碳酸氫鈉溶液（不能用水，因?yàn)樗苋芙舛趸細(xì)怏w）。

（2）本實(shí)驗(yàn)中只要噴入集氣瓶里的酒精體積明顯多于氫氧化鈉溶液中水的體積，就能說明氫氧化鈉溶液與二氧化碳?xì)怏w發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

四、“一氧化碳的還原性”實(shí)驗(yàn)

按照九年級(jí)化學(xué)教科書上的方法做“一氧化碳還原性”實(shí)驗(yàn)，困擾教師的最大問題是，不能及時(shí)知道玻璃管內(nèi)的空氣何時(shí)排完。為了保證實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)者大都較長(zhǎng)時(shí)間地通入過量的一氧化碳?xì)怏w，這樣既浪費(fèi)藥品，也影響課堂教學(xué)效率。筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)的“排空氣操作”進(jìn)行定量化設(shè)計(jì)后，圓滿地解決了這個(gè)疑難問題。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖4，其中的長(zhǎng)柄V形玻璃管是用外徑10mm的硬質(zhì)玻璃管加工而成的微型儀器[5]，其容積約是20mL。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

（1）按圖4裝好藥品、連好儀器，確保裝置的氣密性良好。

（2）輕輕推動(dòng)注射器活塞，向長(zhǎng)柄V形玻璃管里緩緩?fù)ㄈ胍谎趸細(xì)怏w（由于玻璃管較細(xì)，一氧化碳?xì)怏w能充滿整個(gè)玻璃管，從而有利于空氣的排出）;當(dāng)通入20mL一氧化碳?xì)怏w時(shí)（這部分一氧化碳?xì)怏w穿過石灰水后進(jìn)入小氣球中儲(chǔ)存起來），說明長(zhǎng)柄V形玻璃管內(nèi)的空氣已經(jīng)排完。endprint

（3）點(diǎn)燃酒精燈加熱氧化銅，繼續(xù)緩緩?fù)迫胍谎趸細(xì)怏w;約1分鐘后澄清的石灰水變渾濁，約3分鐘后氧化銅全部變紅。

（4）此時(shí)熄滅酒精燈，停止通入一氧化碳?xì)怏w;讓紅色粉末在充滿一氧化碳?xì)怏w的玻璃管中逐漸冷卻（石灰水不會(huì)倒流）;等到玻璃管冷卻至室溫，拆開實(shí)驗(yàn)裝置，處理尾氣（直接點(diǎn)火燒掉）。

（三）兩點(diǎn)說明

（1）長(zhǎng)柄V形玻璃管盡量細(xì)一些（用外徑9 mm左右的玻璃管加工），這樣有利于空氣排出。

（2）也可以使用如圖5的實(shí)驗(yàn)裝置，其中的排空氣操作是：

輕輕打開玻璃旋塞少許（注意控制氣流），氣球中的一氧化碳?xì)怏w能自動(dòng)地緩緩進(jìn)入長(zhǎng)柄V形玻璃管內(nèi)（這部分一氧化碳?xì)怏w穿過石灰水后進(jìn)入注射器針筒里儲(chǔ)存起來）;當(dāng)注射器活塞移至20mL刻度時(shí)，說明長(zhǎng)柄V形玻璃管里的空氣已基本排完，此時(shí)可以對(duì)氧化銅進(jìn)行加熱了。

五、“探究分子運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)

按照九年級(jí)化學(xué)教科書上設(shè)計(jì)的方法探究分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但氨水的用量大、實(shí)驗(yàn)不夠環(huán)保。筆者借助于氧氣傳感器去探究分子的運(yùn)動(dòng)情況，不僅再現(xiàn)了分子運(yùn)動(dòng)，還反映出影響分子運(yùn)動(dòng)快慢的外界因素，從而幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)微粒的基本性質(zhì)。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖6，其中的氧氣傳感器是朗威牌、數(shù)據(jù)處理軟件是DISLab 6.9。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

（1）用向上排空氣法在500 mL塑料瓶里集滿氧氣，再旋緊瓶蓋;然后按照?qǐng)D6所示，將實(shí)驗(yàn)用品連接起來。

（2）打開瓶蓋，保持塑料瓶的瓶口向上，點(diǎn)擊氧氣傳感器“開始”按鈕，數(shù)據(jù)處理軟件能將氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況，通過計(jì)算機(jī)真實(shí)地記錄下來。

（3）約130s后，用雙手緊握塑料瓶外壁（仍保持瓶口向上），微熱瓶?jī)?nèi)氧氣，通過數(shù)據(jù)處理軟件記錄氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

（4）約250s左右，松開雙手，把塑料瓶翻轉(zhuǎn)180°，繼續(xù)通過數(shù)據(jù)處理軟件記錄氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

（5）將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成“氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化”的曲線（見圖7）。AB段（常溫下瓶口向上）：氧氣的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，即氧氣不斷逸出塑料瓶。BC段（常溫下瓶口向上微熱氧氣）：氧氣逸出塑料瓶的速率明顯加快。CD段（常溫下瓶口向下）：氧氣逸出塑料瓶的速率進(jìn)一步加快。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說明，分子在不斷運(yùn)動(dòng);溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速率加快;密度比空氣大的氣體，其分子向下運(yùn)動(dòng)的速率大于向上運(yùn)動(dòng)的速率。

（2）延伸可知，密度比空氣大的氣體要用向上排空氣法收集，盛有密度比空氣大的氣體的集氣瓶必須正立。

（四）一點(diǎn)說明

本實(shí)驗(yàn)中的氧氣也可以更換為二氧化碳?xì)怏w，利用二氧化碳傳感器也能完成實(shí)驗(yàn)。

六、結(jié)束語

總之，把初中化學(xué)定性實(shí)驗(yàn)定量化處理，設(shè)計(jì)成科學(xué)、新穎、有趣的定量型實(shí)驗(yàn)，既能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念和原理進(jìn)行精確化延伸，又能有效地啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法從定量的角度分析、解決有關(guān)的化學(xué)問題。

參考文獻(xiàn)：

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