優(yōu)化化學(xué)實(shí)驗(yàn)提高課堂效率

陳佳

摘要：目前初中化學(xué)課本中的實(shí)驗(yàn)，大多都已給出較詳盡的實(shí)驗(yàn)步驟，教師在課堂上能快速演示，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下也能自主完成。但仍有小部分實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)條件及上課時(shí)長(zhǎng)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)課堂上的演示及學(xué)生探究活動(dòng)。文章以課本探究活動(dòng)“探究過(guò)氧化氫分解的催化劑”為例，提供了幾種改進(jìn)課本該實(shí)驗(yàn)的方法，以實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)在課堂演示及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究的可行性和高效性。

關(guān)鍵詞：催化劑;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);高效;節(jié)約

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0080-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、問(wèn)題的提出

2017年11月，筆者有幸參加了桂林市教科所組織的初中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課比賽，賽題為“制取氧氣”。在備課過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)，課本在設(shè)計(jì)“探究二氧化錳為過(guò)氧化氫分解的催化劑”的實(shí)驗(yàn)步驟上，存在著一些不足。

本市所使用的科粵版教材中，“探究二氧化錳為過(guò)氧化氫分解的催化劑”的實(shí)驗(yàn)步驟原文如下：

用約10%的過(guò)氧化氫溶液和二氧化錳做下列實(shí)驗(yàn)：

（1）用量筒量取4mL過(guò)氧化氫溶液加入試管中，將帶火星的木條伸入試管的上部，結(jié)果怎樣？

（2）另取少量二氧化錳裝入試管中，又將帶火星的木條伸入試管內(nèi)，結(jié)果怎樣？

（3）再量取4mL過(guò)氧化氫溶液加入另一支試管，用藥匙加入少量二氧化錳，將帶火星的木條伸進(jìn)試管口，有什么現(xiàn)象發(fā)生？

（4）待實(shí)驗(yàn)（3）的試管內(nèi)的液體不再放出氣泡時(shí)，重新加入4mL過(guò)氧化氫溶液，再用帶火星的木條伸進(jìn)試管口，又有什么現(xiàn)象發(fā)生？

從催化劑的定義可知，要得出“二氧化錳為過(guò)氧化氫分解的催化劑”的結(jié)論，需要驗(yàn)證三個(gè)方面：①二氧化錳能改變過(guò)氧化氫分解的速率;②在化學(xué)反應(yīng)前后，二氧化錳的化學(xué)性質(zhì)不變;③在化學(xué)反應(yīng)前后，二氧化錳的質(zhì)量不變。如果按照上述觀察活動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，僅能得出“二氧化錳能改變過(guò)氧化氫分解的速率”及“在化學(xué)反應(yīng)前后，二氧化錳的化學(xué)性質(zhì)未變”的結(jié)論。而對(duì)于“反應(yīng)前后二氧化錳的質(zhì)量是否發(fā)生改變”，課本未給出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，而是一筆帶過(guò)，以結(jié)論的形式，直接告訴學(xué)生“若在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)確稱(chēng)出二氧化錳的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)后將二氧化錳回收、干燥、再稱(chēng)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量沒(méi)有改變?！边@樣簡(jiǎn)略的設(shè)計(jì)，顯然大大削弱了學(xué)生對(duì)于催化劑這一探究過(guò)程的理解，不利于發(fā)展學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的能力及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)品質(zhì)。

二、問(wèn)題的分析

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》川中提到“書(shū)中所列舉的活動(dòng)不要求全盤(pán)照搬，在教材編寫(xiě)或教學(xué)時(shí)可依據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用，也可以增補(bǔ)更合適的探究活動(dòng)?！北M管如此，但大部分教師仍選擇讓學(xué)生通過(guò)閱讀課本的方法，直接得出“在化學(xué)反應(yīng)前后，二氧化錳的質(zhì)量不變”的結(jié)論，或直接播放視頻讓學(xué)生觀看。教師、學(xué)生都不親自動(dòng)手完成本實(shí)驗(yàn)，原因如下：

1.將二氧化錳與過(guò)氧化氫分離操作困難[2]且耗時(shí)較長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)室的二氧化錳均為粉末狀，將其加入過(guò)氧化氫溶液前的質(zhì)量比較容易稱(chēng)量。但將其加入過(guò)氧化氫溶液后，若要對(duì)其進(jìn)行稱(chēng)量，則需要先將其用濾紙過(guò)濾，然后干燥。在過(guò)濾過(guò)程中，由于二氧化錳粉末與濾紙孔徑相當(dāng)，二氧化錳會(huì)將濾紙空隙堵住，而大大減慢過(guò)濾速度。

2.無(wú)法快速將二氧化錳進(jìn)行干燥

要將二氧化錳進(jìn)行干燥，就必須連同濾紙一起烘干，此操作需要低溫、恒溫進(jìn)行，對(duì)干燥儀器的要求較高，不僅操作困難，而且耗時(shí)較長(zhǎng)。

綜上所述，此實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、操作繁，無(wú)論是教師演示還是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法在一節(jié)課堂上快速完成。所以課本也并未給出具體的實(shí)驗(yàn)方案，以期教學(xué)者和學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出更優(yōu)化、更高效的實(shí)驗(yàn)方案。

三、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

為了能實(shí)現(xiàn)在課堂上快速探究“在化學(xué)反應(yīng)前后，二氧化錳的質(zhì)量不變”的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)上述在實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者查閱了大量書(shū)籍資料及文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了不少能“快速將二氧化錳與過(guò)氧化氫溶液分離并干燥”的方法，并一一嘗試，分析優(yōu)缺點(diǎn)，整理總結(jié)如下：

改進(jìn)方法一：（如圖所示）將二氧化錳用細(xì)孔材料包裹，并懸掛于反應(yīng)容器上方，需要反應(yīng)時(shí)將其推人過(guò)氧化氫溶液中，不需反應(yīng)時(shí)則將其向上拉離液面，以此實(shí)現(xiàn)將二氧化錳與過(guò)氧化氫溶液快速分離。

根據(jù)此原理，筆者嘗試了以下幾種細(xì)孔材料：

1.紗布或茶葉包或制衣布料：筆者幾經(jīng)尋找并嘗試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)找到的紗布、茶葉包、制衣布料的孔徑均大于二氧化錳孔徑。將二氧化錳包裹后放入過(guò)氧化氫溶液，均有大量二氧化錳從空隙中漏出。

2.濾紙或口紙：筆者嘗試將濾紙和口紙均剪成長(zhǎng)條狀，并折疊成“紅包樣式”，并用訂書(shū)機(jī)封口（未用膠水是因?yàn)槟z水遇水會(huì)失去粘性）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然二氧化錳漏不出去，但雙氧水進(jìn)入材料的速度很慢，進(jìn)入后過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生氧氣，氧氣將濾紙袋脹開(kāi)，濾紙袋上浮至雙氧水液面，袋內(nèi)的雙氧水被擠出袋外，導(dǎo)致反應(yīng)逐漸停止;并且有較多二氧化錳粉末從訂書(shū)機(jī)洞口跑出，導(dǎo)致二氧化錳無(wú)法被完全收集。若將口紙和濾紙圍成兜狀，結(jié)果仍然相似。

【結(jié)果分析】上述方法中，紗布、茶葉包、制衣布料孔徑太大，無(wú)法將二氧化錳全部收集;濾紙、口紙口徑合適，但由于孔徑太小，使反應(yīng)速率變得很慢，無(wú)法快速產(chǎn)生氧氣進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)。

改進(jìn)方法二：更換催化劑。將二氧化錳換成塊狀、易于過(guò)濾的催化劑。

（1）土豆塊或土豆片或紅磚塊：筆者嘗試取新鮮的土豆，分別將其切成塊狀、條狀、片狀三種形狀，各為1克，加入5%的過(guò)氧化氫溶液，觀察30秒，發(fā)現(xiàn)土豆表面均有氣泡產(chǎn)生，但是都非常少。同樣實(shí)驗(yàn)，取紅磚塊1克加入5%的過(guò)氧化氫溶液中，幾乎看不到紅磚塊表面有氣泡產(chǎn)生。原因：能催化過(guò)氧化氫分解的是土豆中的過(guò)氧化氫酶、紅磚塊中的氧化鐵，而土豆中含有的過(guò)氧化氫酶含量較低，紅磚中氧化鐵的含量也較低，均不足以使過(guò)氧化氫迅速產(chǎn)生氧氣。

（2）豬肝[3]：筆者從菜市買(mǎi)來(lái)一塊100g的豬肝，切下一小塊，綁上細(xì)線，用精確度到0.01g的電子天平進(jìn)行稱(chēng)量。放入過(guò)氧化氫溶液中，看到有大量氣泡產(chǎn)生，30秒后取出，用清水洗凈，濾紙吸干，再稱(chēng)量，質(zhì)量與反應(yīng)前一致。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不超過(guò)兩分鐘。

【結(jié)果分析】此方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.豬肝為塊狀，反應(yīng)前后的質(zhì)量易于稱(chēng)量，且無(wú)需進(jìn)行過(guò)濾、烘干等繁瑣的操作，課堂教師演示或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)都十分快捷、方便。

2.用豬肝探究過(guò)氧化氫分解所需的催化劑，需要的過(guò)氧化氫的濃度僅為3%，甚至更低，且現(xiàn)象非常明顯，大大節(jié)約了過(guò)氧化氫溶液的用量。

3.豬肝的催化能力很強(qiáng)，用其反復(fù)實(shí)驗(yàn)多遍后，仍可使用，實(shí)驗(yàn)完畢后，將其洗凈、擦干，重新置于冰箱內(nèi)保存，數(shù)天后取出使用，催化效果仍然非常好。若置于冰凍層，保存使用時(shí)間可達(dá)到更久。

注意事項(xiàng)：1.用豬肝做催化劑時(shí)，宜選用濃度較稀的3%的過(guò)氧化氫溶液。豬肝內(nèi)含有豐富的過(guò)氧化氫酶，能快速地催化過(guò)氧化氫的分解，若在小試管中進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，用5%的過(guò)氧化氫溶液，一加入豬肝，會(huì)看到有大量氧氣迅速產(chǎn)生，且產(chǎn)生很多白色小氣泡，氣泡10秒后便能涌出試管，可見(jiàn)反應(yīng)速率相當(dāng)快。此時(shí)需要改用較稀的過(guò)氧化氫溶液，以醫(yī)用3%的過(guò)氧化氫溶液的濃度為最佳，既能快速產(chǎn)生氧氣，供學(xué)生用帶火星的小木條進(jìn)行檢驗(yàn)，又不會(huì)出現(xiàn)氣泡快速逸出的現(xiàn)象。當(dāng)然在試管液面上方仍浮有許多小氣泡，這些氣泡中包裹有氧氣，用帶火星的小木條接觸，也可看到木條復(fù)燃，學(xué)生們樂(lè)此不疲。

缺點(diǎn)：能讓學(xué)生快速通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出催化劑的定義，但只能得出豬肝是過(guò)氧化氫分解的催化劑，二氧化錳在催化過(guò)氧化氫分解反應(yīng)前后質(zhì)量是否改變的問(wèn)題仍未解決。

改進(jìn)方法三：把粉末狀二氧化錳制成塊狀

能用作過(guò)氧化氫分解的催化劑的物質(zhì)種類(lèi)有很多[4]，如：金屬氧化物（二氧化錳、氧化鋅、氧化鐵、氧化銅、氧化鋁等），鹽類(lèi)（氯化鐵、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硫酸銅、硫酸錳等），其中催化效果最好的仍是二氧化錳。由于大顆粒狀的二氧化錳很難采購(gòu)到，筆者只能自己嘗試將二氧化錳制成塊狀了。

方法1：在二氧化錳粉末中加入水泥制成球狀：“將水泥和二氧化錳粉末按照質(zhì)量為1：4”的比例混合均勻，加入適量水?dāng)嚢璩屎隣?，然后用手（戴上一次性手套）捏成黃豆粒大小的顆粒，陰干24小時(shí)以上，用水沖掉表面的粉末，再晾干備用。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1）水泥的作用是將二氧化錳聚成塊狀，方便稱(chēng)量反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量。但水泥本身對(duì)過(guò)氧化氫也具有催化作用，對(duì)探究二氧化錳是過(guò)氧化氫分解的催化劑實(shí)驗(yàn)有干擾，所以不宜使用。（2）水泥材料主要用于建筑行業(yè)，較難尋找。

方法2：在二氧化錳粉末中加入“502”強(qiáng)力膠制成片狀：取一塊玻璃片，用藥匙取兩大勺二氧化錳于玻璃片上，堆成小山狀，在上面滴人“502”，并另取二氧化錳將其覆蓋，由于“502”遇到空氣中水蒸氣會(huì)迅速凝結(jié)，所以不到一分鐘，片狀的二氧化錳便制好了。為排除“502”對(duì)過(guò)氧化氫分解的干擾，筆者嘗試向過(guò)氧化氫溶液中加入一片制好的“502”，未看見(jiàn)有氣泡產(chǎn)生。

【結(jié)果分析】方法2的優(yōu)點(diǎn)：

1.將二氧化錳在“502”的粘合下制成片狀，便于將二氧化錳與過(guò)氧化氫快速分離并干燥。整個(gè)探究過(guò)程操作簡(jiǎn)單、快捷，適合在課堂上教師進(jìn)行演示或?qū)W生進(jìn)行分組探究實(shí)驗(yàn)。

2.片狀二氧化錳的制作方法簡(jiǎn)便，材料容易購(gòu)買(mǎi)?！?02”為強(qiáng)力膠，能牢牢將二氧化錳粘合在其表面。將片狀二氧化錳反復(fù)多次投入雙氧水中，均不會(huì)有二氧化錳粉末脫落，既節(jié)約了二氧化錳的用量，又便于將二氧化錳進(jìn)行回收，與“綠色化學(xué)”的環(huán)保理念相符。

教學(xué)建議：

1.進(jìn)行過(guò)濾操作時(shí)，可設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：將課本實(shí)驗(yàn)（4）反應(yīng)后的溶液倒入廢棄的牙簽盒蓋中。由于牙簽盒蓋上的孔隙較大（片狀二氧化錳無(wú)法通過(guò)），有利于濾液流出，便能快速將二氧化錳與濾液分離（如圖2所示）。

2.干燥時(shí)，直接用干燥的濾紙吸干片狀二氧化錳表面的水分即可（如圖2所示）。

3.“502”不能催化過(guò)氧化氫的分解，不會(huì)對(duì)“探究二氧化錳是過(guò)氧化氫分解的催化劑”的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。但在探究過(guò)程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，排除“502”對(duì)該實(shí)驗(yàn)的干擾，以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和實(shí)事求是的態(tài)度。

四、實(shí)驗(yàn)反思

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是化學(xué)課程改革的根本目標(biāo)，積極主動(dòng)地開(kāi)展科學(xué)探究，是有效落實(shí)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。在化學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)積極思考，勇于創(chuàng)新，多為學(xué)生創(chuàng)設(shè)動(dòng)手探究的條件，讓學(xué)生親歷探究過(guò)程，體驗(yàn)探究樂(lè)趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和探究能力，提高課堂效率。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部制訂.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：1

[2]李焱.二氧化錳催化分解過(guò)氧化氫的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（9）：88，90

[3]劉靜.淺談化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母咝囵B(yǎng)——以“催化劑”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2015（4）：22-23

[4]宗雨琳，王宇飛.過(guò)氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)催化劑種類(lèi)的探究[J].北學(xué)教與學(xué)，2016（6）：96-97