高中化學中幾個值得“商榷”的實驗問題

李虎山

江蘇省南京市第九中學(210018)

高中化學中有些知識點在形成之初，由于種種原因被人為限制了認識范圍并被一直“流傳、沿用”，而從嚴密科學的角度看實際上是很不恰當?shù)摹；瘜W作為一門自然科學，在教學過程或在高考復習過程中，必須給學生清晰的是非表達，以培養(yǎng)學生科學的思維習慣和認識問題解決問題的能力。現(xiàn)就高中化學中存在問題的幾則典型例題分析如下。

1 平衡氣壓、減小誤差

化學中要平衡壓力使液體能自由流淌的例子并不少見，且有些實驗儀器的設(shè)計也早已做到了這一點，如恒壓漏斗。但實驗中有時仍需用類似的原理來搭建裝置，這些裝置不僅僅能“平衡氣壓”，而且還有“減少誤差”的作用。

例題：實驗室欲測定碳酸鈉和碳酸氫鈉混合物中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)w(Na2CO3)，稱取此混合物5.0 g，溶于水中，配成250 mL溶液。實驗裝置如圖1所示。

方案一：沉淀法(略)

方案二：量氣法。如圖1所示連接實驗裝置，量取10 mL配制好的溶液與足量稀硫酸反應。測定生成氣體在通常狀況(約20 ℃、1.01×105Pa)的體積，由此計算混合物中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)。

圖1 實驗裝

(1)裝置中導管a的作用是________________________。

(2)若撤去導管a，使測得氣體體積________(填“偏大”、“偏小”或“無影響”)。

(1)量取25 mL配制好的溶液，應選擇______儀器來完成。

(2)判斷滴定終點的依據(jù)是________________________。

(3)此法測得w(Na2CO3)=________。

原試卷給出的參考答案(節(jié)選所需部分)如下。方案二：(1)平衡氣壓，使液體順利流下；(2)偏大。方案三：(1)堿式滴定管(或移液管)；(2)由紅色突變?yōu)闊o色，且30s內(nèi)不恢復；(3)84.8%。

目前流行于各試卷或參考資料中“關(guān)于裝置中導管a的作用是什么”的答案幾乎全是：平衡氣壓，使液體順利流下。

作為一道定量實驗題，各數(shù)據(jù)測量應該盡量減小誤差，使其結(jié)果越準越好，這是定量實驗的基本原則。作為量氣裝置在測量產(chǎn)生的氣體體積時，應該測定的數(shù)據(jù)至少包括溫度、壓強兩大因素，以方便校正到標準狀況。本題暫且不論其他方法，只談“氣體測定法”。借助方案三的數(shù)據(jù)處理得知，5 g混合物中w(Na2CO3)=84.8%，為4.24 g，即0.04 mol。NaHCO3約為0.009 mol，若取10 mL，則其中所含“Na2CO3、NaHCO3”為(10/25)×0.044 5=1.78 mol，完全放出的氣體為39.87 mL。若此時所用稀硫酸濃度為1 mol/L，則所用硫酸至少為1.78 mL，占產(chǎn)生的氣體總體積的4.46%。不加校準時計算結(jié)果為正確結(jié)果的95.54%，應該是不容忽略的誤差。況且題中仍有第(2)問關(guān)注到此問題，因而關(guān)于裝置中導管a的作用的答案，特別建議答成如下兩點：①平衡分液漏斗與錐形瓶內(nèi)的氣壓，使液體順利流下；②減少因稀硫酸溶液的體積而引起的CO2的體積差，使實驗結(jié)果更加準確。

類似的原理在很多題目中都有運用(限于篇幅不再一一列舉)，所以正確理解“導管a”的作用，準確答題顯得尤為重要。

2 逆流而行、充分冷卻

在百度互動百科中，逆流原理是這樣被定義的：在化工生產(chǎn)中，相互作用的物料，往往采用逆流的方法。例如在硫酸制備中，用濃硫酸吸收SO3氣體時，液體和氣體的流向相反(逆流)，98.3%的濃硫酸由上淋下，氣體由下往上，這樣操作氣體吸收更充分。 在熱交換中，冷的和熱的氣體(或液體)，都是采用逆流的方法進行熱量的交換，這樣可以得到較高的熱量(或物質(zhì))傳遞效率。

例題：實驗室從含碘廢液(除H2O外，含有CCl4、I2、I-等)中回收碘，回收過程如圖2所示。

圖2 回收過

氧化時，在三頸瓶中將含I-的水溶液用鹽酸調(diào)至pH約為2，緩慢通入Cl2，在40 ℃左右條件下反應(實驗裝置如圖3所示)。實驗控制在較低溫度下進行的原因是________；錐形瓶里盛放的溶液為________。

圖3 反應裝置

例題：實驗室以苯甲醛為原料制備間溴苯甲醛(實驗裝置如圖4所示，相關(guān)物質(zhì)的沸點見附表)。其實驗步驟如下。

圖4 實驗裝置圖

步驟1：將三頸瓶中加入一定配比的無水AlCl3、1，2-二氯乙烷和苯甲醛，充分混合后，升溫至60 ℃。緩慢滴加經(jīng)濃硫酸干燥過的液溴，保溫反應一段時間后靜置冷卻。

步驟2：將反應混合物緩慢加入一定量的稀鹽酸中，攪拌、靜置、分液。有機相用10% NaHCO3溶液洗滌。

步驟3：向洗滌后的有機相中加入適量無水MgSO4固體，放置一段時間后過濾。

步驟4：減壓蒸餾有機相，收集相應餾分。

實驗裝置中冷凝管的主要作用是________，錐形瓶中的溶液應為________。

筆者曾請教過高校教師，也與其他化學教師討論過“冷凝管使用時是否必須采取逆流方式”，但都沒有得到理想且有說服力的答案。筆者認為，起初設(shè)計冷卻水水流的方向為“低進高出”或是源于蒸餾操作時橫放冷凝管，使水流從低處進，高處出，符合氣流與冷卻水流逆流的原理，使冷卻更充分。從此多數(shù)人認為，只要使用水冷凝管，水就應該從低端口進從高端口出。并且事實上，豎放冷凝管仍然下進上出，也確實容易讓水充滿整個冷凝管?；诖?，所以連高考題型都采用此法通水冷凝。但科學的方法應該是以充分冷卻即以“逆流”為原則，即便操作欠方便，但也應該以科學原則依據(jù)。

以“逆流”為原則的具體做法是：將冷凝管豎放，水從高端口進低端口出，但開始組裝實驗裝置前先將進水口低放，出水口抬高，如圖5 (a)所示。待冷凝管中充滿水后再將其組裝到到整套裝置上，水流如同低進高出。另外，也可按照如圖5(b)所示的做法，先在冷凝管中充滿水后，將下端出水的橡皮管用止水夾夾緊，組裝完成后，通水時再移除止水夾)。實驗表明，按照逆流原理來組裝儀器是完全可行的。所以在教學過程中，如何向?qū)W生說明并解決冷凝管水流方向這一問題上，我們一線教師及教材編寫的專家們應該給學生一個科學合理的解釋。

圖5 冷凝逆流操作

3 價態(tài)歸中、混淆來源

加碘鹽中KIO3的檢驗常在多種題型中出現(xiàn)。有的設(shè)計成氧化還原計算；有的設(shè)計成實驗操作；有的以物質(zhì)檢驗的方式來考查。但必須要弄清楚的問題是，讓淀粉溶液變藍的碘單質(zhì)必須完全來自于食鹽中的KIO3，才更具說服力。

例題：某校開展課外研究性學習活動，第一小組對市場上的碘鹽進行了研究。在加碘鹽里，碘以KIO3形式存在，怎樣檢驗碘鹽中含有碘？可供選擇的試劑有：稀硝酸、稀鹽酸、KCl、KI淀粉溶液、石蕊試液。

綜上所述，有很多的氧化劑能氧化KI生成I2，進而使淀粉溶液變藍，所以選擇用KI與加碘鹽反應來證明加碘鹽中存在KIO3是不恰當?shù)?，嚴格來說是不正確的。