“可計(jì)量實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)嘗試

張恒

蘇州市中考化學(xué)卷中有關(guān)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算試題的命題理念是：突出化學(xué)學(xué)科真實(shí)性與實(shí)用性的有機(jī)結(jié)合，重視實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)捷性、可計(jì)量性與化學(xué)計(jì)算的有機(jī)融合.其中“可計(jì)量實(shí)驗(yàn)”漸漸成為“蘇式”化學(xué)課堂的一個(gè)亮點(diǎn)和研究方向之一.在教學(xué)過(guò)程中，我嘗試了“可計(jì)量實(shí)驗(yàn)”教學(xué).

課例：稱量鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的50.0mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的稀鹽酸充分反應(yīng)，計(jì)算理論上能產(chǎn)生氫氣的量（氫氣的密度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是0.0899g/L），測(cè)量產(chǎn)生氫氣的量，把理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，讓學(xué)生感受真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的差別，并討論引起這些差別的原因.

在反應(yīng)原理的選擇上，是以鎂條和稀鹽酸反應(yīng)作為實(shí)驗(yàn)載體.首先，鎂條和稀鹽酸反應(yīng)是學(xué)生熟悉的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置也相對(duì)簡(jiǎn)單，是初中實(shí)驗(yàn)課堂能夠提供的.其次，需要定量測(cè)量的氫氣，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，通常情況下在水中溶解度也非常小，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性比較高.第三，在具體定量測(cè)量中，選擇鎂條定量，稀鹽酸足量的方案，可以用臺(tái)式電子天平測(cè)量打磨過(guò)的純的鎂條，達(dá)到0.0001g的精確度，這是一個(gè)比較可靠和精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，而稀鹽酸選擇足量，就能避免鹽酸的濃度和鹽酸體積的細(xì)微差別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，盡可能符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性.

在實(shí)驗(yàn)方案的選擇上，所用的鎂條與足量反應(yīng)裝置選擇500mL錐形瓶、分液漏斗和帶導(dǎo)管的橡皮塞的組合產(chǎn)生氫氣.氫氣測(cè)量有兩個(gè)預(yù)想方案：第一，選用1000mL的量筒，用排水法收集并測(cè)量氫氣的體積，把氫氣體積換算成氫氣的質(zhì)量；第二，把反應(yīng)裝置橡皮塞上的導(dǎo)管換成干燥管，先測(cè)量反應(yīng)前體系的總質(zhì)量，完全反應(yīng)后再測(cè)量總質(zhì)量，總質(zhì)量差為氫氣質(zhì)量.

經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證，得到以下結(jié)論：1.排水法收集氫氣，并定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案是比較可靠的.需要考慮到的環(huán)境因素有：鎂條的純度、體系中加入鹽酸的體積、氫氣密度、實(shí)驗(yàn)溫度、實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓.其中，鎂條的純度、體系中加入鹽酸的體積對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響是恒定的，可以通過(guò)打磨鎂條和扣除

加入鹽酸體積來(lái)抵消影響.氫氣的密度，文獻(xiàn)上只有標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度，而多次實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中用標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度是不正確的，測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相差非常大，因此氫氣的密度要根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度和實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓強(qiáng)，通過(guò)克拉帕龍方程計(jì)算出氫氣的實(shí)時(shí)密度，可以通過(guò)溫度、壓強(qiáng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)證明，該方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的差在±4%以內(nèi).這對(duì)于初中化學(xué)課堂來(lái)說(shuō)已經(jīng)比較精確.2.反應(yīng)前后總質(zhì)量差的方法測(cè)量產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果要比計(jì)算結(jié)果大很多，用0.2400g（±0.0050g）的鎂條和50.0mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的稀鹽酸在500mL的錐形瓶中反應(yīng)，測(cè)量結(jié)果大致是計(jì)算結(jié)果的4倍.原因是：反應(yīng)前錐形瓶中充滿空氣，而生成的氫氣會(huì)把空氣排出，氫氣與空氣極大的密度差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差很大.如果不加干燥管，測(cè)量結(jié)果大致是計(jì)算結(jié)果的6倍，原因是氫氣生成會(huì)帶出水蒸氣.該實(shí)驗(yàn)方案如果要得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要在原有裝置上加裝鼓入空氣的裝置，用空氣排走生成的氫氣，但幾次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)效果還是不理想，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的差比較大.

有了實(shí)驗(yàn)的支持，我進(jìn)行如下教學(xué)過(guò)程.

一、內(nèi)容

1.稱量0.2400g（±0.0050g）鎂條樣品三份（兩份光亮的鎂條，一份被氧化的鎂條），理論上計(jì)算這些鎂條與足量的稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量（氫氣的密度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是0.0899g/L）.2.分別用排水集氣法和差量法實(shí)驗(yàn)測(cè)定以上質(zhì)量的鎂條與足量的稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.3.讓學(xué)生感受理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差.4.讓學(xué)生分析產(chǎn)生偏差的原因.5.根據(jù)產(chǎn)生偏差的原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，重新計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并再次與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.

二、實(shí)驗(yàn)

1.選取兩種鎂條樣品（光亮、被氧化），準(zhǔn)備兩種實(shí)驗(yàn)裝置.2.光亮鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用排水法收集產(chǎn)生的氫氣（量筒收集氣體后的刻度與收集氣體前的刻度之差）并換算成質(zhì)量；同時(shí)用化學(xué)方程式計(jì)算出該質(zhì)量的鎂條理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.3.被氧化的鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用排水法收集產(chǎn)生的氫氣并換算成質(zhì)量；同時(shí)，用化學(xué)方程式計(jì)算出該質(zhì)量的鎂條（暫不考慮氧化的影響）理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.4.取光亮鎂條 0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用反應(yīng)前后總質(zhì)量差的方法計(jì)算的氫氣的質(zhì)量（考慮到學(xué)生的學(xué)情，課堂上做該實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)放干燥管，敞口做）；同時(shí)，用化學(xué)方程式計(jì)算出該質(zhì)量的鎂條理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.5.用手持式數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量每個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)的溫度，并用壓力傳感器測(cè)定課堂中的實(shí)時(shí)大氣壓.

三、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)

做了這些實(shí)驗(yàn)，并得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以后，學(xué)生的反應(yīng)要比預(yù)想中的積極很多.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)應(yīng)該是設(shè)計(jì)合理的，數(shù)據(jù)似乎有點(diǎn)出乎意料之外.對(duì)比計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)幾個(gè)與預(yù)想相矛盾的地方：1.為什么差量法測(cè)氫氣的質(zhì)量要比理論上計(jì)算的質(zhì)量大出很多，是最不準(zhǔn)確的？而大多數(shù)學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，認(rèn)為差量法是首選.2.為什么被氧化的鎂條測(cè)得值會(huì)最接近理論值？而學(xué)生一般認(rèn)為被氧化的鎂條得到的氫氣要比理論計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)小.3.為什么光亮的鎂條產(chǎn)生的氫氣會(huì)比實(shí)際值大很多？而學(xué)生認(rèn)為得到的氫氣要比理論計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)大一些是能理解的，但大很多是不合理的.

四、尋找合理的解釋

經(jīng)過(guò)同學(xué)們的討論和老師現(xiàn)場(chǎng)的一些提示，包括一些驗(yàn)證小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)這些迷霧也漸漸清晰起來(lái)，也能試著找到以上“不合理”的答案.1.差量法的偏差來(lái)自于實(shí)驗(yàn)中錐形瓶里產(chǎn)生的一些水霧.通過(guò)數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)生氫氣帶出來(lái)水蒸氣的質(zhì)量相比于氫氣本身的質(zhì)量是不可忽略的，是氫氣本身質(zhì)量的幾倍.在此沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生討論氫氣密度與空氣密度差距的問(wèn)題.2.把50mL的水通過(guò)分液漏斗加入空的錐形瓶中，連接錐形瓶的導(dǎo)管口會(huì)在水中冒出氣泡.經(jīng)過(guò)以上小實(shí)驗(yàn)提示，學(xué)生分析出：排水法收集到氫氣的體積應(yīng)該是量筒收集氣體后刻度與收集氣體前刻度之差，再減去加入錐型瓶中的50mL鹽酸的體積.3.減去了50mL的體積之后，發(fā)現(xiàn)光亮的鎂條實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還是比計(jì)算數(shù)據(jù)大一些.提示學(xué)生氫氣密度中“標(biāo)準(zhǔn)狀況”的意思，學(xué)生很快就能分析出溫度對(duì)氣體密度和體積的影響，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中氫氣的溫度要比標(biāo)準(zhǔn)狀況的溫度高，使氫氣的密度變小了，所以計(jì)算結(jié)果也會(huì)相應(yīng)偏大.

五、重新計(jì)算

在分析實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的問(wèn)題后，修正了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法：把量筒上體積差數(shù)據(jù)減去50mL，把標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度通過(guò)克拉帕龍方程換算出實(shí)時(shí)的氫氣密度.學(xué)生利用實(shí)時(shí)的氫氣密度重新計(jì)算.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的計(jì)算結(jié)果與通過(guò)化學(xué)方程式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果非常接近.

總之，在教學(xué)實(shí)踐中，以“可計(jì)量實(shí)驗(yàn)”的“量”的合理性作為探究的切入點(diǎn)，能為研究性學(xué)習(xí)提供很好的素材，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中感受化學(xué)實(shí)驗(yàn)中“量”的魅力，體驗(yàn)科學(xué)探究的方法和過(guò)程，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).