淺談吸熱反應(yīng)演示實驗的改進

摘要：本文針對魯科版高中化學必修2第二章第一節(jié)《化學鍵與化學反應(yīng)》中的吸熱反應(yīng)演示實驗中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象不明顯、氨氣污染環(huán)境等問題成立探究小組進行改進。在化學核心素養(yǎng)指導下查閱大量資料設(shè)計出同時符合綠、少、簡、顯四大特征的實驗改進方案，并對如何運用演示實驗闡述一些新的看法。

關(guān)鍵詞：吸熱反應(yīng);實驗改進;演示實驗

一、 發(fā)現(xiàn)問題

“吸熱反應(yīng)演示實驗的改進”選自魯科版高中化學必修2第二章第一節(jié)化學鍵與化學反應(yīng)。在學習本節(jié)課之前學生只關(guān)注化學反應(yīng)中物質(zhì)的變化，但要讓學生意識到化學反應(yīng)物質(zhì)變化的同時一定會伴隨著能量的變化，所以這節(jié)演示實驗課就顯得特別重要。魯科版必修2中對該實驗的描述。藥品：消石灰和氯化銨，讓學生自主探究，在教師演示實驗中發(fā)現(xiàn)成功率極低。查資料得知該吸熱反應(yīng)常溫下幾乎不能進行，需要對實驗進行改進。學生回家查閱的資料并且借鑒舊版魯科版和新舊人教版對該實驗的設(shè)計，都是用10g的氯化銨和20g的氫氧化鋇混合后放入燒杯中，燒杯放在滴有幾滴水的玻璃片或小木板上，用玻璃棒迅速攪拌聞氣味，若玻璃片和燒杯粘在一起，聞到刺激性氣味則說明氯化銨和八水合氫氧化鋇在混合攪拌下發(fā)生吸熱的反應(yīng)，水結(jié)冰同時產(chǎn)生氨氣，化學反應(yīng)中既有物質(zhì)變化也有能量變化。在演示實驗中發(fā)現(xiàn)了以下三個不足之處：

（1）產(chǎn)生大量刺激性氣味的氨氣導致空氣污染，讓學生在不安全和不舒適的環(huán)境下上課，不利于學生的身心健康。（2）成功率低，室溫為20攝氏度左右很難達到水的結(jié)冰點。具體實驗操作時很多老師采用加大藥品用量的方式，提高了成本，同時鋇離子增多造成環(huán)境污染。（3）缺少定量實驗，無法進行數(shù)據(jù)分析，實驗設(shè)計單一。

我們馬上成立探究小組。貫徹化學核心素養(yǎng)：培養(yǎng)學生的科學探究與創(chuàng)新意識，引導學生從發(fā)現(xiàn)的問題出發(fā)，依據(jù)改進目的，查閱資料，設(shè)計改進方案。

二、 實驗改進

經(jīng)過探究小組不斷地努力，查閱大量的資料和文獻，嘗試了以下幾個方案。

（一）（見圖1）這個裝置是利用倒扣的紙杯中間挖個孔放入試管，將試管充當攪拌器，試管內(nèi)加入紅墨水，紅墨水結(jié)冰。證明氯化銨和八水合氫氧化鋇發(fā)生吸熱反應(yīng)。優(yōu)點是裝置簡單，微型化便于攜帶，防止氨氣溢出，起到環(huán)境保護的作用。但是現(xiàn)象不易觀察，氯化銨和氫氧化鋇在混合攪拌下會變成白色糊狀物包裹在試管壁上影響觀察效果，不夠直觀。而且試管攪拌不好操作，沒辦法大范圍攪拌，反應(yīng)不充分紅墨水很難結(jié)塊，同時造成藥品很大程度的浪費。

（二）（見圖2）使用了數(shù)字溫度器，優(yōu)點：1. 從定量角度研究每個時刻溫度的變化，收集數(shù)據(jù)建立認知模型。2. 使用廢棄針筒，第一使用方便，便于操作。第二廢物利用，增強學生環(huán)保意識。缺點：1. 保鮮袋易破，存在安全隱患。2. 操作不規(guī)范，演示實驗不僅要達到認識物質(zhì)性質(zhì)的目的同時要達到示范實驗操作、形成化學學科的一般過程和方法的目的。3. 失去了吸熱反應(yīng)原有的趣味性。強化了知識學習卻忽略了發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的思維訓練。

（三）（見圖3）根據(jù)以上出現(xiàn)的問題，我們研究小組最終決定還是保持原有趣味性：小木片結(jié)冰被提起。為了培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)，提高學生環(huán)保意識和創(chuàng)新意識，確定最終改進方向：綠，少，簡，顯。綠指綠色環(huán)保，減少環(huán)境污染，保護環(huán)境;少指藥品用量少，降低成本，避免造成資源浪費;簡指操作簡便，提高課堂效率;顯指現(xiàn)象明顯，便于觀察。

1. 設(shè)計理念

（1）我們利用不要的泡沫自制了保溫桶，在泡沫板中心挖一個凹槽，剛好可以放下錐形瓶。防止外部環(huán)境溫度對反應(yīng)裝置的影響。提高小木塊結(jié)冰被提起的成功率，同時還能進行廢物利用，讓學生感受化學取之于生活用之于生活。

（2）選用錐形瓶作為反應(yīng)容器，操作規(guī)范且瓶底大瓶口小，增加了瓶底與小木塊的接觸面積。瓶口小密封效果好，選用100mL小規(guī)格的錐形瓶也能起到節(jié)約藥品的作用。

（3）同樣使用干凈的廢棄針筒，但是將酚酞溶液改為裝滴了酚酞的硫酸鈉溶液，這樣既能通過溶液變?yōu)榧t色來證明發(fā)生了化學反應(yīng)生成了氨氣，又可以在反應(yīng)結(jié)束后擠壓入溶液中與鋇離子反應(yīng)生成沉淀，緩解重金屬離子污染水體的問題，在實驗的每個細節(jié)中貫徹保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識。

（4）選用溫度傳感器，可以通過大屏幕看見溫度連續(xù)變化的曲線，實驗現(xiàn)象直觀，便于班級每一位學生觀察，更重要的是從定量上感受吸熱反應(yīng)溫度的變化，還培養(yǎng)了學生圖像數(shù)據(jù)處理的能力，收集證據(jù)然后通過分析和推理建立認知模型，學會運用模型解決水結(jié)冰的本質(zhì)原因和化學反應(yīng)伴隨能量變化的規(guī)律，從熱力學角度感受化學反應(yīng)。

（5）由于實驗室的玻璃攪拌器比較大而且要保證整個裝置的氣密性，氨氣不會泄露，保證實驗的安全性和科學性。所以我們就用鐵絲自制了攪拌器，這樣既保證了整個裝置的密封效果，防止污染空氣，同時又保證了實驗原有的趣味性，但是還有一點不滿意的地方就是還沒有辦法充分攪拌，導致藥品的浪費。所以我們做最后的改進，把自制攪拌器改成磁力攪拌器，充分攪拌使藥品充分反應(yīng)。意外的發(fā)現(xiàn)充分攪拌后可以起到節(jié)約藥品的作用，經(jīng)過不斷地探究發(fā)現(xiàn)只要加入6g的氯化銨和12g的氫氧化鋇就能有很好的實驗效果，溶液變紅，接觸面產(chǎn)生足夠多的冰塊將小木塊粘住。藥品使用量是原來的一半，大大地節(jié)約了成本。

2. 具體實驗步驟和現(xiàn)象

（1）實驗器材及藥品

藥品：八水合氫氧化鋇、固體氯化銨、蒸餾水、酚酞、硫酸鈉溶液。

儀器：100mL錐形瓶、雙孔橡膠塞、溫度傳感器、電腦、磁力攪拌器、自制泡沫保溫桶、洗滌干凈的廢棄針筒。

（2）實驗步驟

①在泡沫板凹槽中滴入3到4滴的蒸餾水。

②稱取6g的氯化銨和12g的氫氧化鋇固體，研細后用紙槽放入錐形瓶底，往固體混合液中加入幾滴蒸餾水，放入攪拌磁子迅速塞緊活塞。

③將錐形瓶放進泡沫凹槽里，錐形瓶底部和水接觸，將溫度傳感器連接教室電腦，將傳感器探頭固定在橡膠塞其中一個孔隙中與錐形瓶內(nèi)藥瓶接觸，針筒內(nèi)裝有酚酞和硫酸鈉混合溶液固定在橡膠塞另外一個孔隙中。

④將錐形瓶放在磁力攪拌器上，打開磁力攪拌器，讓固體混合物充分反應(yīng)直到變成糊狀。在反應(yīng)過程中引導學生觀察電腦顯示屏中溫度傳感器的變化曲線。

⑤反應(yīng)結(jié)束后，將錐形瓶從泡沫板中取出，觀察瓶底的現(xiàn)象。然后將裝有酚酞和硫酸鈉混合溶液的針筒往上抽氣，觀察針筒內(nèi)顏色變化。

⑥最后將針筒內(nèi)的溶液擠壓入錐形瓶中進行重金屬鋇離子的處理，同時水溶液吸收氨氣。

（3）實驗現(xiàn)象

①通過大屏幕可以看見溫度曲線一開始不變化，到某一時刻溫度迅速下降然后又趨于平緩的曲線圖像。定量顯示該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

②水結(jié)冰，木塊貼著錐形瓶底被提起，木塊被牢牢固定。定性感受該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

③針筒中溶液由無色變成紅色。說明該過程發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生了氨氣。并且全程沒有聞到任何的刺激性氣味，安全環(huán)保。

（4）注意事項

實際教學中要注意以下幾點：

①實驗前要檢查裝置氣密性，保證氣密性良好防止氨氣泄漏。

②選用的小木片比玻璃更容易成功，木片要選用薄片，大小和錐形底差不多大小即可。

三、 反思與評價

（一）該改進實驗全程貫穿著化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，演示實驗改進完同時實現(xiàn)了：綠色環(huán)保、藥品用量少、操作簡便、現(xiàn)象明顯四大特征。全程沒有聞到任何的刺激性氣味、減少藥品用量節(jié)約資源、殘液中加入適量硫酸鈉生成難容硫酸鋇，除去鋇離子。這種綠色環(huán)保的觀念在我們化學核心素養(yǎng)5中有明確要求，要培養(yǎng)學生節(jié)約資源、綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展觀念，同時讓學生學會將微觀的變化轉(zhuǎn)化為宏觀的外在表象，更直觀的感受能量的變化。學會從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析解決實際中出現(xiàn)的問題。同時保持了實驗原有的趣味性，增加學生學習興趣。

（二）發(fā)現(xiàn)問題，在教師的引導下學生成立研究小組對學習中存在的問題通過查閱資料，進行化學實驗等方法進行實驗探究。能夠敢于質(zhì)疑，相互合作，敢于創(chuàng)新，這種精神是當老師的我們需要進行鼓勵的，并且進行正確的引導和培養(yǎng)，從而提高學生“科學探究和探究意識”的化學核心素養(yǎng)。

（三）定性實驗和定量實驗相結(jié)合，利用手持技術(shù)溫度傳感器和磁力攪拌器優(yōu)化實驗設(shè)計節(jié)約能源。讓學生感受新技術(shù)在實驗中的優(yōu)勢，同時培養(yǎng)學生圖表分析能力，具有證據(jù)意識。多維度、動態(tài)的分析化學變化，便于培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和嚴謹求實的科學態(tài)度。

（四）從生活中取材，做到廢物利用。讓學生學會變廢為寶，觀察生活中的化學。

（五）同時該反應(yīng)也讓我對演示實驗的價值有了新的看法。

化學演示實驗是展開教學活動很好的工具。任何一種對未知物質(zhì)的認識都是從最直觀、最真實的情景下的實驗或?qū)ρ菔緦嶒炛屑毼F(xiàn)象的深入研究。演示實驗?zāi)芡ㄟ^示范實驗操作形成化學學科的一般過程和方法，從而達到認識物質(zhì)性質(zhì)的目的，一定要引起高度的重視。也許多年以后你的學生會不記得你講過什么知識點，但是對于壯觀、新穎的演示實驗倒是記憶猶新。但是我們演示實驗讓學生記憶猶新是一方面，更重要的是能引發(fā)學生的思考，讓他產(chǎn)生疑問，從而發(fā)現(xiàn)問題，動腦去思考問題，不斷查閱資料，收集信息去解決問題。解決問題的過程才是形成科學素養(yǎng)的重要途徑。

參考文獻：

[1]羅先進，李喆喆，伍曉春.吸熱反應(yīng)演示實驗的再改進[J].化學教學，2014（5）：52-53.

[2]羅佳美，嚴文法.“冰山紅蓮”：高中化學吸熱反應(yīng)演示實驗的再改進[J].中學化學教學參考，2018（19）：39-40.

作者簡介：張麗麗，福建省建甌市，福建省建甌一中。