中新化學(xué)教材中“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”的比較與分析

吳 芳 尉言勛,2 李學(xué)強

（1省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院寧夏銀川750021；2碭山四中 安徽碭山 235300）

中新化學(xué)教材中“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”的比較與分析

吳 芳1尉言勛1,2李學(xué)強1

（1省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院寧夏銀川750021；2碭山四中 安徽碭山 235300）

文章就測量反應(yīng)速率的3個實驗，分別對人教版高中教材選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》和新加坡教材《Discover Chemis?try Normal 5N》兩國教材中“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”進(jìn)行了比較和分析。通過實驗試做，從兩國實驗的設(shè)計和實驗分析比較，結(jié)果表明：人教版“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”傾向于濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，注重實驗和結(jié)論的分析；新加坡教材則更傾向通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，分別用了測量某一生成物單位時間內(nèi)體積的變化量和單位時間內(nèi)質(zhì)量的變化量來說明反應(yīng)速率，給同學(xué)們提供了知識與技能提升的空間，滿足了不同層次學(xué)生的需要。在教材實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了分析和改進(jìn)，為教學(xué)提供一定的借鑒作用。

中新化學(xué)教材；反應(yīng)速率實驗；比較；分析

新加坡是普通教育和技能教育的雙軌制教育體制，人力資源少，卻很重視人力資源的開發(fā)和利用，所以新加坡的初中教育以“精英主義”教育為主［1］。在小學(xué)三年級后，學(xué)生就開始接觸化學(xué)中的一些物質(zhì)的基本屬性；在中學(xué)階段，一二年級的學(xué)生都要參加科學(xué)課程的考試，其中化學(xué)占30%；在三四年級，化學(xué)作為一門選修課，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和能力來選擇學(xué)習(xí)。經(jīng)過4～5年的初中學(xué)習(xí)，學(xué)生就可以參加劍橋大學(xué)地方考試財團(tuán)編制的GCE（General Certificate of Ed?ucation）普通水平考試（簡稱O水平考試）[2]。新加坡75%是華人，有著共同的文化傳承，由于近代歷史和當(dāng)代發(fā)展等多方面的原因，充分吸收了西方化學(xué)教育的精華[3］。本文選取的新加坡教材《Discover Chemis?try Normal 5N》專門為初中五年級的學(xué)生編寫的，目標(biāo)是通過有效的概念發(fā)展和加強促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)?；瘜W(xué)5N和3N/4N，提供了完整的基于最新GCE“O”水平學(xué)科教學(xué)大綱規(guī)定的新加坡中學(xué)教學(xué)的學(xué)習(xí)。在此背景下，選取了中新兩國教材中典型實驗“化學(xué)反應(yīng)速率”進(jìn)行對比，通過對比分析，能夠吸取新加坡教材實驗編寫的部分精華，借鑒其實驗設(shè)計的思路，指導(dǎo)和幫助我國高中化學(xué)教材實驗部分作進(jìn)一步改進(jìn),指導(dǎo)高中化學(xué)教師更好的設(shè)計實驗教學(xué)，提高教學(xué)效率，完成教學(xué)目標(biāo)。

一、中新教材有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”的設(shè)計比較

1.人教版“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗

人教版高中教材選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中，用測量鋅和硫酸反應(yīng)速率的裝置作為測定化學(xué)反應(yīng)速率的實驗，本實驗需要安裝兩套裝置，在錐形瓶內(nèi)各盛有2g鋅粒（顆粒大小基本完全相同），通過分液漏斗分別加入40mL1mol/L和40mL4mol/L的硫酸，比較二者收集10mLH2所用時間。把實驗結(jié)果填入下表：

加入試劑1 mol/L H2SO44 mol/L H2SO4反應(yīng)時間/min 反應(yīng)速率/mL·min-1

圖1 人教版教材實驗裝置

2.新加坡《Discover Chemistry Normal 5N》教材“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗

教材中設(shè)計了兩個實驗來測定化學(xué)反應(yīng)速率，第一個實驗是鎂和鹽酸反應(yīng)，測量在半分鐘內(nèi)產(chǎn)生氫氣的體積，繪制T-V圖，圖中可看出反應(yīng)速率；第二個實驗是碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)，測定反應(yīng)逸出二氧化碳后，記錄一分鐘內(nèi)體系減少的質(zhì)量，繪制T-V圖，圖中每一時間點的切線即該時刻的反應(yīng)速率。

圖2 新加坡教材實驗1

（1）連好如上圖2裝置，用砂紙將鎂條上的氧化層打磨干凈，保證只有鎂和稀鹽酸反應(yīng)，將鎂條放在小試管中。

（2）晃蕩錐形瓶，讓鎂條和酸混合，同時用秒表計時。

（3）將收集到注射器中的氫氣每半分鐘記錄一次體積。

圖3 新加坡教材實驗1

（1）連好圖3裝置，棉花團(tuán)放在錐形瓶口，被用來防止酸噴灑，也就是防止酸隨著反應(yīng)的發(fā)生從瓶口逸出。

（2）記錄體系的質(zhì)量，包括碳酸鈣、稀鹽酸、錐形瓶、小試管、繩子和棉花團(tuán)。

（3）搖動錐形瓶混合碳酸鈣和稀鹽酸，同時用秒表開始計時。

（4）每隔一分鐘記錄一次體系的質(zhì)量。

二、中新“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”分析

1.中國“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”分析

中國人教版的此實驗更多的是偏重于濃度對反應(yīng)速率的影響。實驗的設(shè)計思路是，用控制變量法，讓鋅和不同濃度的硫酸反應(yīng)，生成10mL氫氣時，記錄反應(yīng)所需的時間，再通過計算單位時間內(nèi)所生成的氫氣體積，即反應(yīng)速率。就實驗設(shè)計來看，很符合高二學(xué)生的認(rèn)知水平，通過做實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動投身于化學(xué)學(xué)習(xí)中，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力。經(jīng)過實驗試做，發(fā)現(xiàn)此實驗也存在以下的不足之處：

（1）收集氣體用的注射器，剛開始?xì)怏w的壓強不足以使活塞移動，慢慢地隨著反應(yīng)進(jìn)行，壓力較大，使活塞猛地跳動，動態(tài)裝置，不易測量。

（2）分液漏斗加液體的體積不好控制。

（3）注射器的內(nèi)壁與活塞之間的摩擦力較大，且不知道摩擦系數(shù)，使收集到的氣體體積不準(zhǔn)確。

（4）隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硫酸濃度減小，反應(yīng)速率減慢，而實驗測定的是一段時間內(nèi)的平均反應(yīng)速率，但是在實驗中沒有說明這一點，讓有些學(xué)生比較迷惑。

2.新加坡“化學(xué)反應(yīng)速率實驗”分析

新加坡此實驗設(shè)計思路是：實驗1，鎂條和鹽酸反應(yīng)，每隔半分鐘時間記錄一次氫氣體積，將記錄的數(shù)據(jù)繪制T-V曲線圖，曲線的坡度越陡，反應(yīng)速率越快；實驗2，碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)，每隔一分鐘記錄一次體系的質(zhì)量，計算放出二氧化碳的質(zhì)量，繪制T-V曲線圖，曲線的坡度越陡，反應(yīng)速率越快。這兩個實驗相比較而言，通過二氧化碳質(zhì)量的減少來測量反應(yīng)速率，更加直觀具體，且裝置是靜態(tài)變化，更有利于測量，測量誤差相比較而言也小。但兩個實驗也有其不足之處：

實驗1的不足之處：

（1）用繩子綁住小試管，晃蕩錐形瓶，讓小試管里面的鎂條和錐形瓶里面的鹽酸反應(yīng)，晃蕩錐形瓶有可能將玻璃管和注射器相連的橡皮管掙脫開，導(dǎo)致實驗失??；

（2）跟人教版教材中注射器的誤差一樣，動態(tài)變化不好控制。

實驗2的不足之處：

（1）二氧化碳的密度比空氣的密度大，在反應(yīng)時，會先排出空氣，使剛開始記錄的二氧化碳的質(zhì)量里面混有空氣。

（2）晃蕩錐形瓶，讓小試管里的大理石和錐形瓶里的鹽酸反應(yīng)，不好控制。

3.中新兩國“反應(yīng)速率”實驗的比較分析

測量化學(xué)反應(yīng)速率實驗本身就有很大的意義，在實驗室和工業(yè)上，可以幫助化學(xué)家用既快又便宜的方法合成化學(xué)藥品。中新兩國教材中“反應(yīng)速率”實驗設(shè)計各有特點，人教版教材更多地注重實驗和結(jié)果的分析，對實驗數(shù)據(jù)用表格的方式呈現(xiàn)，知識和技能的介紹比較多；而新加坡的“反應(yīng)速率”實驗體現(xiàn)了新課改的基本理念向探究性學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識。實驗數(shù)據(jù)用曲線圖繪制，更加直觀具體地看出一段時間內(nèi)反應(yīng)速率的變化。

三、“反應(yīng)速率”實驗改進(jìn)

1.實驗改進(jìn)

儀器：25mL吸量管兩支，錐形瓶，玻璃棒，橡膠塞，鐵架臺，橡膠管。

煤礦井下通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)是為保證煤礦井下作業(yè)安全所設(shè)計實施的一種煤礦作業(yè)安全自動化控制系統(tǒng)。通常情況下，煤礦井下通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是采用單片機(jī)控制形式、以總線掛接式結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的。在該系統(tǒng)的通信控制應(yīng)用中主要是應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線通信控制技術(shù)，通過各種通信監(jiān)控傳感器，實現(xiàn)對于煤礦礦井作業(yè)中各種通風(fēng)指標(biāo)進(jìn)行運行監(jiān)控，對保證煤礦井下作業(yè)的安全有著極大的積極作用和意義。

實驗步驟：

（1）實驗準(zhǔn)備階段，自制量氣體體積裝置，將兩支吸量管用橡膠管連起來，制成量氣筒。反應(yīng)發(fā)生裝置，橡皮塞打兩個孔，一個連接玻璃導(dǎo)氣管，一個連接玻璃棒。

（2）連接好如圖4所示裝置，量氣筒中注入水至0刻度，錐形瓶中倒入0.1mol/L的鹽酸14.7mL，將打磨干凈的鎂條緊緊纏在玻璃棒上，慢慢搖動錐形瓶，讓鎂滑落和鹽酸反應(yīng)，此過程一定要注意裝置的氣密性。

（3）每隔一分鐘記錄一次水上升的體積。

圖4 實驗改進(jìn)后裝置

數(shù)據(jù)記錄：

時間/min 體積/mL 單位時間體積變化/mL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 9 0 5 4 12.1 13.9 15.1 15.9 16.1 16.1 3.1 1.8 1.2 0.8 0.2 0

注意事項：

U型管的設(shè)計過程中，一定要注意吸量管的尖頭朝上，圓頭用橡皮管連接，這樣氣密性好。如果橡皮管連接尖頭，連接處的縫隙有氣體，氣密性不好，導(dǎo)致實驗失敗。

2.改進(jìn)優(yōu)點

改進(jìn)后的裝置，將鎂條纏繞在玻璃棒上，慢慢滑動玻璃棒，避免了上述實驗中分液漏斗和振蕩小試管的誤差；而且此裝置用了U型管，為靜態(tài)變化裝置，由于壓強差，產(chǎn)生的氣體將左邊水面壓下去，用連通器的原理，右邊的水面升上來，升上來的水的體積近似可以看成產(chǎn)生氣體的體積。此裝置理論上也有誤差，由于水的壓強、大氣壓強和反應(yīng)器的壓強差，導(dǎo)致所收集的氣體體積不太準(zhǔn)確，但是在反應(yīng)結(jié)束后，U型管的兩液面基本保持相平，說明收集到的氣體還是比較準(zhǔn)確的。

四、結(jié)論

總之，化學(xué)是一門研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的自然科學(xué)，它的形成和發(fā)展都是以科學(xué)實踐為基礎(chǔ)，即化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。中新兩國教材都很重視學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，化學(xué)教材中的實驗也顯得尤為重要，實驗的探究能夠激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的強烈興趣，對未知事物的好奇心和求知欲，促使學(xué)生將興趣轉(zhuǎn)化為求知的內(nèi)在動力。中國教材“反應(yīng)速率實驗”注重于知識和技能的訓(xùn)練，而新加坡注重于實驗探究，合理地吸收和借鑒中新兩國化學(xué)教材中實驗的優(yōu)點，取其精華，提出改進(jìn)建議，吸收國外先進(jìn)的教學(xué)理念，提高教學(xué)效率。

［1］［2］李南方,王祖浩.“精英教育”的化學(xué)課程內(nèi)容及評價方案改革——2008新加坡GCE化學(xué)A水平考試大綱解析［J］.化學(xué)教育,2009,30（2）:12-16

［3］ 熊催明.高一化學(xué)現(xiàn)行教材中化學(xué)反應(yīng)原理內(nèi)容設(shè)置的比較研究［D］.北京：首都師范大學(xué),2013

1008-0546（2017）10-0071-03

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.023

*本文系寧夏“化學(xué)工程與技術(shù)”國內(nèi)一流學(xué)科建設(shè)項目（項目號：CET-JX-2017B05）研究成果之一。