巧用“肥皂泡”設(shè)計(jì)幾種常見氣體檢驗(yàn)的分組實(shí)驗(yàn)方案

葉麥琪+葉永謙+陳珍珠

摘要：使用二分法配制蔗糖洗潔精、膠水甘油洗潔精，設(shè)計(jì)了僅用燒杯、酒精燈、木棒等簡單儀器就可以產(chǎn)生常見氣體“肥皂泡”，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)包括鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的檢驗(yàn)、鎂在二氧化碳中燃燒的分組實(shí)驗(yàn)方案，儀器簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保，使氣體檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的普及成為可能。

關(guān)鍵詞：肥皂泡；洗潔精：氣體檢驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）5–0069–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

眾所周知，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量，全面落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目標(biāo)，具有其他化學(xué)課程內(nèi)容和形式不可替代的特殊作用[1]，實(shí)施有效的分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑。分組實(shí)驗(yàn)指的是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中，在教師的指導(dǎo)下，自主進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。它不僅可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手的能力，而且能夠使學(xué)生養(yǎng)成求實(shí)、嚴(yán)肅、認(rèn)真、科學(xué)的良好習(xí)慣，對(duì)學(xué)生參加各項(xiàng)工作將起到有益的作用[2]。

當(dāng)前普通中學(xué)特別是農(nóng)村中學(xué)學(xué)生參與分組實(shí)驗(yàn)的情況令人擔(dān)憂，如吳素萍等在“農(nóng)村中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與反思”[3]一文中所述，其所調(diào)查的學(xué)校從義務(wù)教育九年級(jí)到高中三年級(jí)，學(xué)生僅做過一次分組實(shí)驗(yàn)。王吉霞等在“農(nóng)村中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)開設(shè)情況調(diào)查與分析”[4]一文中的結(jié)果同樣令人揪心，只有35.1%的學(xué)生進(jìn)行過分組實(shí)驗(yàn)。王世騰在“高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)課常見氣體的制備與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”[5]一文中認(rèn)為：常見氣體的制備和檢驗(yàn)是考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要抓手，目前常見的氣體實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取的是教師講、學(xué)生記的模式，學(xué)生缺乏實(shí)踐的機(jī)會(huì)，造成教育理念與教育實(shí)踐相脫節(jié)的矛盾。

王吉霞等建議，要提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)意識(shí)，必須增開學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)，健全中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的配套設(shè)施，包括實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置、專職實(shí)驗(yàn)人員的配備等[6]。但是，以上措施并不是短時(shí)間可以解決的，需要一個(gè)長期的過程。而一屆又一屆的學(xué)生就這樣在期待中畢業(yè)，失去了參與分組實(shí)驗(yàn)所帶來的體驗(yàn)和提高自身化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的機(jī)會(huì)。因此，必須尋找一種快速簡便的方法，使學(xué)生有機(jī)會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并在動(dòng)手中體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂趣。為了解決以上問題，以中學(xué)常見氣體的檢驗(yàn)為重點(diǎn)，探究有利于實(shí)施分組的實(shí)驗(yàn)方案，盡可能讓更多學(xué)生特別是農(nóng)村地區(qū)學(xué)生有機(jī)會(huì)在簡陋條件下動(dòng)手體驗(yàn)氣體檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程。

2 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、設(shè)計(jì)的過程本身就是一個(gè)探究的過程、也是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程[7]。為了讓更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)體驗(yàn)到探究的快樂，必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)操作容易、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性小、探究性強(qiáng)的分組實(shí)驗(yàn)方案。大多數(shù)人都玩過吹泡泡水，吹出來的五顏六色的泡泡總是十分討人喜歡?？梢詫⒎磻?yīng)產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化為氣泡，觀察氣泡從無到有可以證明有氣體生成，再通過性質(zhì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該氣體。由此，可以從氣體的肥皂泡入手設(shè)計(jì)常見氣體的檢驗(yàn)方案。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

往燒杯中放入固體反應(yīng)物，再加入液體反應(yīng)物，然后滴入洗潔精。固體與液體反應(yīng)生成氣體，氣體在溶有洗潔精的溶液中形成氣泡。再以氣泡為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該氣體的存在。設(shè)計(jì)的裝置見圖1，裝置中所述“洗潔精”為可形成泡沫的洗潔精、洗手液或泡泡水的總稱（下同）。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

使用以上裝置形成的氣泡，每個(gè)氣泡就像一個(gè)氣體收集裝置。與直接將氣體排放檢驗(yàn)相比，使用氣體的肥皂泡進(jìn)行檢驗(yàn)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以直觀體驗(yàn)到氣體的生成，如果檢驗(yàn)的氣體無色無味，沒有肥皂泡無法觀察到氣體的生成；二是可以減緩氣體的擴(kuò)散速率，由于洗潔精的存在，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體收集在肥皂泡里，不會(huì)立即擴(kuò)散，有利于分組實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生從容地進(jìn)行檢驗(yàn)；三是可以確保實(shí)驗(yàn)安全環(huán)保，如果檢驗(yàn)的氣體具有可燃性或者毒性，收集在肥皂泡里可以防止分組實(shí)驗(yàn)時(shí)大量氣體飄散到實(shí)驗(yàn)室中釀成實(shí)驗(yàn)事故。

為了觀察到明顯現(xiàn)象，以上裝置產(chǎn)生的肥皂泡要足夠大，而肥皂泡的大小與表面張力有關(guān)。表面張力是指液面作用于單位長度分界線的張力[8]，由于上層空間氣相分子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零。其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱為表面張力。表面張力這種“收縮力”越小，越有利于產(chǎn)生大的氣泡。林子健在“神奇的表面張力”[9]一文中，測(cè)得水的表面張力是常見液體中最強(qiáng)的，而加入表面活性劑如洗潔精等會(huì)明顯降低水的表面張力。

任文輝等在“液體表面張力系數(shù)與溫度、濃度的關(guān)系”[10]一文中的研究表明：溫度越高，表面張力系數(shù)越小。說明溫度越高，越有利于形成大的氣泡。但是，升高溫度同時(shí)容易導(dǎo)致氣泡破裂。為了防止氣泡的破裂，可以通過加入大分子有機(jī)物增大液體分子之間的引力。特別是對(duì)于水分子，如果能夠形成更多的氫鍵，分子間的作用力就更大，氣泡也可以變得更大更穩(wěn)定。經(jīng)過試探，往洗潔精中加適量蔗糖、甘油、膠水等含多羥基的有機(jī)物，可以使氣泡變大且較穩(wěn)定。但在氣體制備放熱導(dǎo)致的較高溫度條件下，甘油、膠水可能無法發(fā)揮最佳效果。而在該條件下往洗潔精中加入適量蔗糖效果則不受影響，這與濃硫酸與蔗糖反應(yīng)產(chǎn)生的“黑發(fā)糕”現(xiàn)象[11]具有異曲同工之妙。因此，為了簡化實(shí)驗(yàn)過程并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，首選蔗糖進(jìn)行研究。

3 常見氣體檢驗(yàn)的分組實(shí)驗(yàn)方案

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過課堂可行性驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出氧氣、二氧化碳、氫氣等常見氣體的分組實(shí)驗(yàn)方案。

3.1 蔗糖洗潔精的配制及氧氣檢驗(yàn)方案

制備氧氣的反應(yīng)物通常為二氧化錳粉末和過氧化氫水溶液，由于反應(yīng)較為劇烈且放熱，要將氧氣留住形成不易破裂的較大氧氣氣泡，需往洗潔精中加入一定量的蔗糖。如果蔗糖含量過多，會(huì)形成大量的泡沫而非氣泡（見圖2）。

為了探究洗潔精中蔗糖的合適含量，本實(shí)驗(yàn)使用二分法設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)方案。先固定反應(yīng)物及洗滌劑的量，再通過改變蔗糖的質(zhì)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果。具體做法如下：準(zhǔn)備二氧化錳2克、30%過氧化氫溶液10毫升、洗手液5毫升各若干份，先不加蔗糖做空白實(shí)驗(yàn)，然后以1克蔗糖和5克蔗糖作為二分法的兩個(gè)界限分別做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，再選擇效果好的一組尋找中間區(qū)間做對(duì)照實(shí)驗(yàn)，以此類推。在五次試探后，終于尋找到可以生成穩(wěn)定較大氧氣氣泡所需的蔗糖含量。實(shí)際操作方案如表1。

實(shí)驗(yàn)圖片如圖3。從圖3可以看出，方案5生成的氧氣氣泡較大且均勻，并能穩(wěn)定存在，有利于氧氣的檢驗(yàn)。

根據(jù)以上探究結(jié)果，氧氣分組實(shí)驗(yàn)操作方法為：取2克二氧化錳粉末倒入500毫升燒杯中，將2克蔗糖溶解在5毫升歐柏麗牌洗手液中配成蔗糖洗潔精并倒入燒杯中，再倒入10毫升30%過氧化氫水溶液（編者注：30%雙氧水對(duì)皮膚有較強(qiáng)腐蝕性，建議降低濃度使用或讓學(xué)生戴上乳膠手套）。此時(shí)有較大氣泡平緩產(chǎn)生，且氣泡大小適中，并呈蜂窩狀穩(wěn)定存在。將帶火星的木條靠近氧氣氣泡，木條復(fù)燃，現(xiàn)象非常明顯（見圖4）。此法可作為義務(wù)教育化學(xué)教材中氧氣制備和檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案。

3.2 二氧化碳檢驗(yàn)方案

在二氧化碳的檢驗(yàn)方案中，同樣以二分法探究洗潔精中蔗糖含量對(duì)氣泡大小及穩(wěn)定性影響問題。以碳酸氫鈉2克、pH約為1的稀鹽酸制備二氧化碳，在5毫升歐柏麗牌洗手液中分別加入0克、1克、5克蔗糖進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)效果選擇區(qū)間點(diǎn)進(jìn)行探究。最終得到在該條件下加入3克蔗糖效果最佳。

具體分組方案如下：往500mL燒杯中加入2克碳酸氫鈉，再加入由5毫升歐柏麗牌洗手液和3克蔗糖配制的蔗糖洗潔精，然后倒入10毫升pH約為1的稀鹽酸，此時(shí)反應(yīng)較快進(jìn)行，并產(chǎn)生較大呈蜂窩狀穩(wěn)定的二氧化碳?xì)馀荨Ｓ萌紵哪緱l靠近氣泡，木條熄滅，證明有二氧化碳生成。此法可作為義務(wù)教育化學(xué)教材中二氧化碳制備和檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案。

在檢驗(yàn)二氧化碳后，再用燃燒著的鎂條插入二氧化碳?xì)馀葜?，鎂條劇烈燃燒（見圖5）。燃燒后泡沫表面有黑色物質(zhì)存在，同時(shí)可以觀察到鎂條變成白色粉末。此法可作為高中一年級(jí)化學(xué)教材中鎂在二氧化碳中燃燒的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案。

3.3 氫氣檢驗(yàn)方案

氫氣可以采用鋅與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)進(jìn)行制備，但在具體的實(shí)驗(yàn)中，不論使用何種洗潔精，鋅與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡都容易破裂，導(dǎo)致鹽酸揮發(fā)出來，產(chǎn)生刺鼻的氣味，不適合分組實(shí)驗(yàn)。如果不使用鹽酸，由于沒有氯離子的催化效應(yīng)[12]，鋅與稀硫酸反應(yīng)不夠劇烈，所產(chǎn)生的氫氣氣泡都非常小，不利于燃燒的進(jìn)行。為了得到較大且穩(wěn)定的氫氣氣泡，必須選擇合適濃度的硫酸，同時(shí)必須研究相關(guān)的洗潔精添加配方。

鋅與不同濃度的硫酸反應(yīng)有不同的產(chǎn)物與現(xiàn)象。濃度太小，雖可以得到氫氣但反應(yīng)不夠劇烈；濃度太大，可能出現(xiàn)其他氣體產(chǎn)物且反應(yīng)也不夠劇烈。另外，配制硫酸溶液還要考慮溫度變化導(dǎo)致速率變化的問題，由于濃硫酸稀釋放熱，稀釋后的硫酸溫度較高，當(dāng)場(chǎng)用于分組實(shí)驗(yàn)可以確保實(shí)驗(yàn)成功。但如果是提前配制好的稀硫酸，待恢復(fù)到室溫后反應(yīng)就不夠劇烈，必須在分組實(shí)驗(yàn)前再進(jìn)行試探。因此，為了確保實(shí)驗(yàn)成功，必須現(xiàn)場(chǎng)配制稀硫酸，并用鋅粒試探至其表面有明顯連續(xù)的氣泡冒出（見圖6），試探后可以產(chǎn)生大的氫氣氣泡的硫酸濃度大約在40%左右。

關(guān)于洗潔精中添加物的探究，在蔗糖、甘油等效果都不明顯的情況下，使用膠水、甘油按照不同比例進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，最終得到可以形成較大且穩(wěn)定氣泡的洗潔精配制方法：往5毫升水中加入歐柏麗牌洗手液、4毫升晨光牌膠水、2毫升甘油，充分混合，該混合液簡稱為膠水甘油洗潔精。

具體的氫氣檢驗(yàn)分組實(shí)驗(yàn)方案如下：往500毫升燒杯中放入五顆黃豆大小的鋅粒，加入約40%稀硫酸20毫升，鋅粒與硫酸較快反應(yīng)，再滴入膠水甘油洗潔精，大約30秒后，可以觀察到明顯的氫氣大氣泡。用燃燒著的木條靠近，氫氣氣泡燃燒起來（見圖7）。此法可作為義務(wù)教育化學(xué)教材中氫氣制備和檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案。

3.4 鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的檢驗(yàn)方案

在設(shè)計(jì)完以上實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該思路也可以適用于鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的檢驗(yàn)。高中一年級(jí)《化學(xué)（必修1）》中演示鈉與水反應(yīng)時(shí)，直接將綠豆大的金屬鈉投入水中，通過鈉的四處游動(dòng)說明鈉與水反應(yīng)有氫氣放出。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雖然明顯，卻無法直觀體驗(yàn)到氫氣的生成。如果將鈉投入到洗潔精泡沫中，會(huì)有怎樣的現(xiàn)象呢？經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，只要洗潔精泡沫層足夠高，都可以觀察到明顯現(xiàn)象。具體操作如下：

取一大燒杯，滴入適量洗潔精，將水龍頭的出水量調(diào)至最大，然后用燒杯接水。讓大流量的水瞬間沖擊洗潔精，即可以形成高的“洗潔精”泡沫層。往泡沫中滴加幾滴酚酞溶液，再投入綠豆大的金屬鈉。金屬鈉接觸到洗潔精泡沫后，小范圍游動(dòng)，周邊溶液迅速變紅色；一段時(shí)間后，鈉塊周邊氣泡燃燒起來，火焰呈黃色（見圖8）。通過以上的燃燒現(xiàn)象，可以證明鈉與水反應(yīng)有可燃性的氣體氫氣生成。為了避免學(xué)生誤以為是金屬鈉直接燃燒起來，應(yīng)該先做鈉直接投入水中的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)到鈉與水直接反應(yīng)并沒有燃燒起來，從而得出泡沫層的燃燒是由氫氣生成造成的。此法可作為高中一年級(jí)化學(xué)教材中鈉與水反應(yīng)氫氣檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案。

以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，僅使用普通洗潔精或蔗糖洗潔精、必要的反應(yīng)物和燒杯、酒精燈、小木棒等，即可設(shè)計(jì)出幾種常見氣體檢驗(yàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)方案，包括鈉與水反應(yīng)生成氫氣的檢驗(yàn)、鎂在二氧化碳中燃燒等實(shí)驗(yàn)過程，儀器簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯、環(huán)保安全，適合作為條件簡陋的農(nóng)村中學(xué)開展常見氣體檢驗(yàn)的分組實(shí)驗(yàn)方案。該方案可以讓更多的學(xué)生有機(jī)會(huì)參與分組實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，有利于他們化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提高。

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