改進(jìn)乙炔制備實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

田達(dá)奎

摘 要 實(shí)驗(yàn)室制乙炔實(shí)驗(yàn)改進(jìn)可從濃度、溫度、接觸面積等方面來思考，通過改進(jìn)方案的創(chuàng)新和思路分析，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室制乙炔；儀器；創(chuàng)新教育；創(chuàng)造思維

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）11-0125-02

1 前言

實(shí)施創(chuàng)新教育的重心是教會(huì)學(xué)生怎樣去創(chuàng)造和怎樣深化創(chuàng)造，最大限度地訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造思維，使學(xué)生的思維由依賴型轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯縿?chuàng)造型。實(shí)驗(yàn)室制乙炔實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的過程涉及發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)方案、尋找并使用儀器、實(shí)驗(yàn)操作、觀察與收集事實(shí)、分析處理事實(shí)與數(shù)據(jù)、表達(dá)結(jié)果、推廣使用等，都是創(chuàng)新人才發(fā)明、創(chuàng)造、創(chuàng)新所必備的要素。通過分析實(shí)驗(yàn)室制乙炔實(shí)驗(yàn)改進(jìn)過程中的思維過程和使用的方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和意識，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和觀察能力，激發(fā)學(xué)生對事物產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣和廣泛的好奇心，促進(jìn)思維發(fā)散。

2 設(shè)置情境

演示電石和水在試管里反應(yīng)制乙炔的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受其反應(yīng)的劇烈程度和大量泡沫的產(chǎn)生，引導(dǎo)學(xué)生討論：用分液漏斗滴加飽和食鹽水來控制反應(yīng)速率和用棉花濾氣除泡沫的實(shí)驗(yàn)室常見方法。

3 提出問題

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是在試管發(fā)生器中進(jìn)行的，如果電石和水在試管里平穩(wěn)反應(yīng)，既便于操作，又便于做有關(guān)乙炔的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)?？刂齐娛退磻?yīng)的速率還有哪些方法？應(yīng)該如何去思考、創(chuàng)新？有無理論依據(jù)或創(chuàng)作思路？

4 整理思路

控制反應(yīng)速率應(yīng)該從化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素來思考，如濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、接觸面積等。

5 改進(jìn)過程

從濃度方面思考

1）從原有的知識思考。引路：飽和食鹽水中NaCl的作用是降低水的濃度，對比實(shí)驗(yàn)演示飽和食鹽水與電石反應(yīng)，沒有水與電石的反應(yīng)劇烈。發(fā)散：水中還可加些什么物質(zhì)降低水的濃度？將NaCl換成其他物質(zhì)，如Na2SO4、KNO3、

Na2CO3、K2SO4、NaOH、Ba（OH）2、FeCl3等。評價(jià)：選擇的物質(zhì)應(yīng)該是價(jià)廉易得、飽和溶液濃度大、無污染等。創(chuàng)新：有效降低水的濃度，是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是用物質(zhì)的量的濃度來衡量？應(yīng)該用物質(zhì)的量的濃度來判斷。查閱資料：20 ℃時(shí)，NaCl的溶解度為36.0 g，NaOH溶解度為109.0 g，即100 mL水中分散NaCl不足2 mol，而NaOH可達(dá)到5.45 mol（其他物質(zhì)略）。實(shí)驗(yàn)：NaOH飽和溶液比NaCl飽和溶液與電石的反應(yīng)平穩(wěn)（圖1）。

2）從思維發(fā)散的角度思考。水中還可以加些什么樣的物質(zhì)來降低水的濃度，從而減小反應(yīng)速率？引路：所涉及的物質(zhì)是些什么樣的物質(zhì)？有何共同特征？它們都是固態(tài)物質(zhì)（或有機(jī)物）。發(fā)散：水中加什么液態(tài)物質(zhì)來降低水的濃度？硫酸、硝酸、乙醇、乙醛、乙酸、苯（烴）、四氯化碳（鹵代烴）、二硫化碳等。選擇創(chuàng)新：價(jià)廉易得，溶解性大，無污染，首選物質(zhì)應(yīng)該是乙醇。實(shí)驗(yàn)證明：演示電石與乙醇溶液平穩(wěn)反應(yīng)，產(chǎn)生乙炔（圖2）。深化創(chuàng)新：乙醇的濃度應(yīng)該多大最為恰當(dāng)？引導(dǎo)學(xué)生分析可以通過調(diào)節(jié)乙醇濃度的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果來選擇。

從接觸面積方面思考分析 展示管口塞有棉花的試管氣體發(fā)生器，設(shè)問：能否用這些器材改進(jìn)裝置構(gòu)造，從而有效控制電石和水的接觸面積，以減小反應(yīng)速率？思考過程：要有足量水，又要控制水與電石接觸，只有調(diào)節(jié)棉花的位置，把棉花置于試管底部，用適量水將棉花潤濕，在棉花上面放電石，能否成功？實(shí)驗(yàn)演示：證明電石與水平穩(wěn)反應(yīng)達(dá)到目的要求（圖3）。發(fā)散：除棉花有這種效果，還有棉花的代用品嗎？不難找出碎布、衛(wèi)生紙等，甚至可以用含少量水的砂子、食鹽等。

裝置創(chuàng)新：還有什么裝置可以起到類似的作用？展示燒杯、干燥管、帶導(dǎo)管的橡皮塞，如何用這些儀器來制乙炔？分析：電石放入干燥管中，干燥管口徑大的一端塞橡皮塞，口徑小的一端浸入盛水的燒杯中。疑問：燒杯中水面有多大高度合適？在干燥管的球體兩端用棉花嗎？實(shí)驗(yàn)對比總結(jié)：燒杯中的水面與電石持平，在干燥管的球體內(nèi)小口徑一端塞上一條疏松棉花，通過棉花的吸水性將燒杯中的水緩慢與電石接觸，使反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行（圖4）。

從溫度方面思考分析 降低體系的溫度可以減小反應(yīng)速率，給體系降溫采用怎樣的方式？裝置放入冷水或冰水浴給整個(gè)裝置體系降溫？給電石降溫？給水降溫？結(jié)論是給水降溫比較便于操作。給水降溫到什么程度？考慮到水與電石的接觸面積要小，還是冰可能好些。演示實(shí)驗(yàn)證明，將電石放在冰粒的上面，電石和水平穩(wěn)反應(yīng)（圖5）。發(fā)散思考：沒有冰可用什么代替？冰棍、雪糕。還有嗎？

學(xué)生疑問：能否用水蒸氣與電石反應(yīng)？分析：水蒸氣的溫度高，可使反應(yīng)速率加大；水蒸氣的濃度比水小得多，可使反應(yīng)速率減小，哪個(gè)是主要影響因素？裝置設(shè)計(jì)：選用儀器產(chǎn)生水蒸氣——用蒸餾燒瓶等產(chǎn)生水蒸氣；水蒸氣與電石反應(yīng)——水蒸氣在直玻璃管中與電石反應(yīng)。裝置創(chuàng)新：能否將裝置最簡化，給試管里水加熱，在沸石的存在下產(chǎn)生水蒸氣與干燥管中的電石反應(yīng)（圖6）。實(shí)驗(yàn)說明：由于水與電石反應(yīng)很快，反應(yīng)的速率主要由水蒸氣的流量決定；由于水蒸氣的產(chǎn)生不平穩(wěn)，造成反應(yīng)不平穩(wěn)，但反應(yīng)的總速率明顯得到控制。

從壓強(qiáng)、催化劑方面分析 改變體系的壓強(qiáng)所涉及的實(shí)驗(yàn)裝置和操作很復(fù)雜，尋求一種催化劑物質(zhì)也漫無目標(biāo)，從壓強(qiáng)、催化劑方面目前都還沒有找到比較理想的方案來改變電石與水反應(yīng)的速率。

電石與水反應(yīng)產(chǎn)生的乙炔有難聞的氣味，如何除去？用什么試劑和裝置？學(xué)生不難答出，將產(chǎn)生的乙炔通過盛裝CuSO4溶液的洗氣瓶來除去其中的氣味物質(zhì)（如硫化氫和磷化氫）。設(shè)疑：裝置復(fù)雜，怎樣簡化？創(chuàng)新思路：不用洗氣瓶并將導(dǎo)管縮短，在試管口放置一團(tuán)浸有CuSO4溶液的棉花過濾氣體（圖7）；還可以進(jìn)一步再簡化，將CuSO4直接放入與電石反應(yīng)的水中（圖8）。實(shí)驗(yàn)演示說明。

6 反思

創(chuàng)新思維是發(fā)散思維與收斂思維的統(tǒng)一，又是直覺思維與分析思維的綜合，從不同角度和方面對實(shí)驗(yàn)室制乙炔進(jìn)行改進(jìn)，可以激發(fā)學(xué)生廣泛的想象，引導(dǎo)學(xué)生克服惰性、刻板、呆滯、僵化的思維定式，使學(xué)生敢想、敢干、敢于標(biāo)新立異，大膽猜測、實(shí)踐、創(chuàng)新。

實(shí)驗(yàn)室制乙炔實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)大體是在反應(yīng)速率理論的指導(dǎo)下進(jìn)行的，因此是復(fù)習(xí)鞏固、深化理解化學(xué)反應(yīng)速率理論的好素材，可以在高三復(fù)習(xí)課中使用，也可以用作課堂教學(xué)、探究式教學(xué)、學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與課外活動(dòng)等。

教師在設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案時(shí)要以新的觀念和視野審視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)揮自身的聰明才智，挖掘?qū)嶒?yàn)中的可創(chuàng)新因素，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)的思維方法一般有：在原有實(shí)驗(yàn)裝置和操作上再添加或減去一些儀器或操作，會(huì)有什么結(jié)果？改變原有實(shí)驗(yàn)的裝置和操作，會(huì)有什么結(jié)果？把生活、生產(chǎn)中觀察到的一些現(xiàn)象和化學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，會(huì)有什么結(jié)果？把了解到的社會(huì)熱點(diǎn)問題與化學(xué)知識和化學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，會(huì)有什么結(jié)果。

教育是知識創(chuàng)新、傳播和應(yīng)用的主要途徑，也是培育創(chuàng)新精神和創(chuàng)新人才的主要方式。教師應(yīng)當(dāng)充分利用每一個(gè)教學(xué)內(nèi)容和資源，創(chuàng)設(shè)創(chuàng)新環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。