設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn) 解密氣體反應(yīng)的奇妙現(xiàn)象

張棟+陳永平

摘要：將“趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)”引入課堂教學(xué)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、啟迪學(xué)習(xí)靈感的有效途徑。圍繞高中化學(xué)“氣體的性質(zhì)”這一章節(jié)，在原有教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)優(yōu)化了“氨氣與氯化氫”、“硫化氫與二氧化硫”、“氨氣與氯氣”、“噴泉實(shí)驗(yàn)”四個(gè)適合課堂演示的趣味性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，介紹了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、內(nèi)容及特色，并對(duì)其教學(xué)效果進(jìn)行了實(shí)踐和分析。

關(guān)鍵詞：氣體反應(yīng)；趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）1–0068–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！边@句話告訴我們，興趣其實(shí)是最好的老師，一個(gè)人一旦對(duì)某一事物或某種活動(dòng)產(chǎn)生興趣，就會(huì)全身心投入其中。因此，課堂教學(xué)中，教師除了講授基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能外，更重要的一點(diǎn)是要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其求知欲望，引導(dǎo)其進(jìn)入一種積極的、主動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，本文以氣體反應(yīng)內(nèi)容為例，結(jié)合高中化學(xué)的課堂教學(xué)，談?wù)劰P者利用演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)實(shí)踐。

1 氣體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

“氣體的性質(zhì)”是高中化學(xué)中重要的教學(xué)內(nèi)容，也是教學(xué)難點(diǎn)之一[1]，因?yàn)榻^大多數(shù)氣體無色無形，看不見摸不著，如何生動(dòng)而又形象地描述氣體的性質(zhì)？不少教師會(huì)利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助性課堂教學(xué)[2]，但實(shí)驗(yàn)應(yīng)怎樣設(shè)計(jì)才能吸引學(xué)生，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情？筆者認(rèn)為以下幾點(diǎn)非常關(guān)鍵。一是所選內(nèi)容在課堂上可當(dāng)場(chǎng)操作演示，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要明顯有趣，給學(xué)生以直觀感受；二是實(shí)驗(yàn)過程要有懸念，能激起學(xué)生的好奇心，啟迪學(xué)生學(xué)習(xí)的靈感，引發(fā)探究的欲望；三是由實(shí)驗(yàn)引出諸多問題讓學(xué)生思考，留給他們進(jìn)一步想象和拓展的空間?，F(xiàn)舉數(shù)例如下。

2 實(shí)驗(yàn)案例

2.1 氨氣與氯化氫的反應(yīng)

現(xiàn)行上海市高中化學(xué)教材中對(duì)氨氣與氯化氫的反應(yīng)是這樣描述的[3]：取兩根玻璃棒，分別在濃氨水及濃鹽酸里蘸一下，然后將兩根玻璃棒逐漸靠近但不接觸，這時(shí)可以觀察到在兩根玻璃棒之間有白煙產(chǎn)生（圖1a）。按照教材教師在課堂上演示了氨水與濃鹽酸揮發(fā)然后再發(fā)生氣相反應(yīng)的過程，但從實(shí)際教學(xué)效果來看，留給學(xué)生的印象并不深刻。因此筆者將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下改進(jìn)：在一根長(zhǎng)玻璃管兩端塞上棉花，分別向兩端同時(shí)滴入濃氨水和濃鹽酸，馬上用橡皮塞塞住，半分鐘之后就可以看到白煙在玻璃管內(nèi)生成；再仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)白煙的位置不在管的中央，而在靠近濃鹽酸的一端（圖1b）。通過改進(jìn)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生理解了3個(gè)知識(shí)點(diǎn)：①氨水與濃鹽酸分別在玻璃管的兩端，距離較遠(yuǎn)，揮發(fā)擴(kuò)散后才發(fā)生反應(yīng)；②氣體的擴(kuò)散速率與氣體式量有關(guān)（Graham擴(kuò)散定律），在同溫同壓下氣體擴(kuò)散速度與氣體密度的平方根成反比，因氨氣的密度小，擴(kuò)散速度快，故而反應(yīng)在靠近濃鹽酸的一端進(jìn)行；③氨氣和氯化氫反應(yīng)生成固體氯化銨（白煙）。與教材實(shí)驗(yàn)相比，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯好于前者。

2.2 硫化氫與二氧化硫的反應(yīng)

二氧化硫和硫化氫反應(yīng)，教材里是這樣設(shè)計(jì)的[4]：取一瓶二氧化硫和一瓶硫化氫氣體（圖2a），把兩瓶氣體混合，觀察瓶壁上有什么現(xiàn)象，結(jié)論是瓶壁有淺黃色固體和水珠出現(xiàn)，這是一個(gè)定性實(shí)驗(yàn)。

筆者對(duì)教材實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用礦泉水瓶收集兩種氣體（圖2b）。在課堂演示時(shí)，將兩瓶子撤去蓋子后對(duì)接迅速用膠封住瓶口，按照Graham氣體擴(kuò)散定律，式量?。芏刃。┑臍怏w擴(kuò)散速率快，因此淺黃色固體和水珠應(yīng)出現(xiàn)在盛裝二氧化硫氣體的瓶?jī)?nèi)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果恰恰相反，產(chǎn)物主要集中在硫化氫瓶?jī)?nèi)（圖2c）。這一反?，F(xiàn)象一下子引起了學(xué)生的興趣，大家各抒己見。經(jīng)過分析，得出了造成此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因是：硫化氫與二氧化硫發(fā)生氧化還原反應(yīng)（2H2S+SO2→3S↓+2H2O），反應(yīng)物消耗比為2：1，即在同等條件下硫化氫瓶中的壓強(qiáng)減小更快，由于壓差的存在，導(dǎo)致二氧化硫氣體被“吸入”硫化氫瓶中，并在其中生成硫和水。

此時(shí)，學(xué)生又進(jìn)一步提出了疑問：既然硫化氫與二氧化硫反應(yīng)使系統(tǒng)的壓力下降，為何瓶子沒有變形呢？再對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中各環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查和分析，得出了原因。由于實(shí)驗(yàn)中采用口香糖膠來封瓶口，導(dǎo)致裝置的氣密性還不夠好。針對(duì)此缺陷再進(jìn)行改進(jìn)后，用插有短玻璃管的橡皮塞代替塑料瓶蓋，兩玻璃管口用乳膠管連接，中間夾以彈簧夾（圖2d）。實(shí)驗(yàn)開始后松開彈簧夾，反應(yīng)經(jīng)數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)（取決于玻璃管內(nèi)徑的粗細(xì)），可以看到玻璃管中生成黃色的硫，同時(shí)瓶子慢慢變癟。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果環(huán)環(huán)相扣，過程充滿懸念，給學(xué)生留下深刻印象。

2.3 氨氣與氯氣的反應(yīng)

高三的教材告訴我們，氨氣與氯氣存在兩個(gè)反應(yīng)：

反應(yīng)（1）中氨氣與氯氣的計(jì)量系數(shù)比為2：3，即在溫度、壓力相同時(shí)，反應(yīng)600mL的氯氣需要消耗400mL的氨氣。反應(yīng)（2）中的系數(shù)比為8：3，即反應(yīng)600mL的氯氣需要消耗1600mL的氨氣。于是有不少學(xué)生猜測(cè)，只有當(dāng)氨氣的量超過400mL時(shí)，才會(huì)發(fā)生第二個(gè)反應(yīng)生成氯化銨。那么實(shí)際情況真是如此嗎？只有反應(yīng)（1）進(jìn)行完全了才進(jìn)行反應(yīng)（2）？

我們進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)。如下圖3，取兩個(gè)體積不同的礦泉水瓶，600mL的大瓶?jī)?chǔ)存氯氣，350mL的小瓶?jī)?chǔ)存氨氣，兩瓶子用乳膠管相連。彈簧夾一經(jīng)打開，在玻璃管及瓶中立刻產(chǎn)生白煙，說明反應(yīng)（1）（2）幾乎是同時(shí)發(fā)生的。與實(shí)驗(yàn)2.2相似，幾分鐘后，瓶子變癟。

對(duì)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行討論和分析后，得出了如下解釋：氨氣首先與氯氣反應(yīng)生成氯化氫，酸性的氯化氫氣體又與堿性的氨氣立即快速反應(yīng)生成氯化銨；據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還可得出后者反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于前者的結(jié)論。因此，不待反應(yīng)（1）中的氯氣消耗完，反應(yīng)（2）已開始。這一演示實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地描述了“反應(yīng)速率”這一概念，也給了學(xué)生一個(gè)啟發(fā)，很多化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和我們當(dāng)初的想象是不一樣的[5]。

2.4 噴泉實(shí)驗(yàn)

噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于氨氣性質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[6，7]，教材中其裝置如圖4所示。當(dāng)打開活塞時(shí)，燒瓶?jī)?nèi)的氨氣迅速溶于水生成氨水（NH3+ H2O→NH3·H2O→NH4++OH-），在燒瓶?jī)?nèi)外產(chǎn)生壓差，壓差將燒杯中的液體壓入燒瓶中形成噴泉，由于氨水使酚酞變紅，所以噴泉呈紅色，非常美麗。

由于原理比較簡(jiǎn)單，筆者便嘗試著請(qǐng)學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，并在其間插入諸多問題讓其思考。例如，問題1，如果將燒瓶中的氣體換成氯氣，還能形成噴泉嗎？學(xué)生經(jīng)過思考后很快就回答不能，因?yàn)槁葰庠谒械娜芙舛容^小。接著教師再提出問題2，那么能否設(shè)法提高氯氣的溶解度呢？經(jīng)過熱烈討論，學(xué)生給出了答案，采用氫氧化鈉溶液代替水。

新實(shí)驗(yàn)采用如下設(shè)計(jì)：以氯氣取代氨氣，把膠頭滴管中的水換成氫氧化鈉溶液（濃度較高），在燒杯中也加入含酚酞的氫氧化鈉溶液（濃度較低），溶液呈粉紅色。實(shí)驗(yàn)中將膠頭滴管中的氫氧化鈉擠入圓底燒瓶，輕輕晃動(dòng)圓底燒瓶片刻，再打開彈簧夾，因燒瓶?jī)?nèi)的氯氣與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)形成負(fù)壓：Cl2+2NaOH→NaCl+NaClO+H2O，燒杯中的液體被壓入瓶?jī)?nèi)，成功地完成了氯氣的噴泉實(shí)驗(yàn)。此時(shí)觀察仔細(xì)的學(xué)生注意到，噴泉的顏色由原來的粉紅色變成了無色。這又是一個(gè)非常好的知識(shí)引入點(diǎn)。教師繼而引入問題3，溶液為何褪色？經(jīng)過啟發(fā)，學(xué)生分析褪色的原因可能有兩個(gè)：①氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)，消耗了氫氧化鈉；②氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉，生成的次氯酸氧化酚酞。原因究竟是哪一個(gè)？還是以實(shí)驗(yàn)事實(shí)來作答。利用燒瓶中的液體進(jìn)行如下分析實(shí)驗(yàn)：在液體中滴入氫氧化鈉，如果溶液再次變紅，則可推斷是原因①；或在液體中加入酚酞，如果溶液重新變紅，則證明是原因②。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，溶液中加入酚酞后才會(huì)再次顯粉紅色，說明使溶液褪色的真正原因是由次氯酸氧化酚酞所致。在本實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)加以變換，以問題為導(dǎo)向，通過對(duì)問題的層層剖析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作演示，將氨氣、氯氣的物理及化學(xué)性質(zhì)有趣地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

3 結(jié)語

本文對(duì)四個(gè)原有教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化和拓展深化，將“氨氣與氯化氫”、“硫化氫與二氧化硫”、“氨氣與氯氣”、“噴泉實(shí)驗(yàn)”四個(gè)反應(yīng)作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，并以問題為導(dǎo)向，通過遞進(jìn)式提問及對(duì)問題的層層剖析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)演示，將幾種氣體的物理及化學(xué)性質(zhì)生動(dòng)直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。這些教學(xué)手段活躍了課堂氛圍，激發(fā)了學(xué)生思維，鞏固了所學(xué)知識(shí)，拓展了學(xué)生認(rèn)知，提高了學(xué)習(xí)興趣，收到了良好的教學(xué)效果[8，9]。同時(shí)需要提醒的是，上述氣體均屬于有毒有害氣體，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)須做好必要的防范措施，這一點(diǎn)也是為了對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育和環(huán)保意識(shí)的喚起?；瘜W(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)反應(yīng)往往伴隨有色彩、形態(tài)、聲音、能量、氣味等變化，只要我們精心設(shè)計(jì)，將這些豐富多彩的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容引入課堂教學(xué)，就能激發(fā)學(xué)生的興趣并使其成為學(xué)習(xí)的動(dòng)力，讓學(xué)生在愉悅、活潑的課堂氛圍中潛移默化地接受教育，達(dá)到“潤(rùn)物細(xì)無聲”的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]王家昌.淺談混合氣體推斷的起點(diǎn)與落點(diǎn)[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)，2015，（12）：42～43.

[2]魏書彬，陳加柱.淺議高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題與對(duì)策[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（11）：75～78.

[3][4]上海市中小學(xué)課程改革委員會(huì)編.化學(xué)（高中一年級(jí)第二學(xué)期）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2012：23，6.

[5]錢勝.例談克服教學(xué)中的“想當(dāng)然”[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（7）：17～19.

[6]程萍，李美星.從實(shí)驗(yàn)學(xué)化學(xué)——氨的教學(xué)設(shè)計(jì)及思考[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（6）：60～63.

[7]呂亞娟，曾有德，張力，陳潔.噴泉實(shí)驗(yàn)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)教育，2013，（10）：75～77.

[8]王海燕，劉波.氯化鈷溶液變色實(shí)驗(yàn)的定量控制及相關(guān)趣味實(shí)驗(yàn)介紹[J].化學(xué)教學(xué)，2008，（10）：5～7.

[9]葉燕珠，吳新建等.初中化學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)及相關(guān)探究課題[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（1）：52～54.