中學(xué)化學(xué)幾例疑難實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的探究

俞崟

摘要： 對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的六個(gè)疑難問(wèn)題[盛滿二氧化氮?dú)怏w的試管倒扣在水中（足量），水位上升高度為何大于試管容積的2/3; Al（OH）3能被NH3·H2O溶解嗎;能否用KI來(lái)區(qū)分真假碘鹽;酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，燒堿溶液的濃度應(yīng)為多少;Cu和濃HNO3反應(yīng)為何先慢后快;長(zhǎng)期存放的溴水會(huì)褪色嗎]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和討論，以期為化學(xué)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞： 疑難實(shí)驗(yàn)問(wèn)題; 實(shí)驗(yàn)探究; 化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)： 10056629（2022）01007905

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常涉及的六個(gè)疑難問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究及深度思考，以供同行們參考。

1 盛滿二氧化氮?dú)怏w的試管倒扣在水中（足量），水位上升高度為何大于試管容積的2/3

我們都知道，NO2溶于水會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)： ①H2O+3NO2NO+2HNO3，很多同行把反應(yīng)①視為試管中水位上升2/3的重要依據(jù)。筆者認(rèn)為，這種觀點(diǎn)是欠妥的。首先，NO2在常溫下就會(huì)轉(zhuǎn)化成N2O4，也就是說(shuō)常溫下有NO2和N2O4的混合物存在，所以還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)： ②2H2O+3N2O42NO+4HNO3。其次，二氧化氮還會(huì)和水反應(yīng)生成亞硝酸： ③H2O+2NO2HNO2+HNO3，④H2O+N2O4HNO2+HNO3;二氧化氮還會(huì)和反應(yīng)①中生成的NO繼續(xù)反應(yīng)： ⑤NO+NO2+H2O2HNO2，⑥2NO+N2O4+2H2O4HNO2。由于普通的水中都會(huì)溶有少許氧氣，二氧化氮與H2O的反應(yīng)還不止上述6個(gè)。于是又做了如下嘗試： 將自來(lái)水煮沸5分鐘，以除去溶解在自來(lái)水中的少量氧氣，密封保存降至室溫，然后與普通的自來(lái)水做如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)： 將兩支盛滿二氧化氮的試管（大小一樣）同時(shí)倒置于盛有自來(lái)水和經(jīng)煮沸冷卻的自來(lái)水中，如圖1所示。5分鐘后，發(fā)現(xiàn)兩支試管里的水位上升高度都超過(guò)試管容積的2/3，且a試管中的水位略高于b試管。由此可知，二氧化氮在普通自來(lái)水中還會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)： ⑦2H2O+4NO2+O24HNO3，⑧2H2O+4NO+O24HNO2，⑨2H2O+2N2O4+O24HNO3。

分析上述實(shí)驗(yàn)可知，如果只發(fā)生反應(yīng)①，試管中的水位會(huì)上升2/3;若發(fā)生反應(yīng)②，試管中水位只會(huì)上升1/3。反應(yīng)③和④都會(huì)生成亞硝酸，但不會(huì)生成一氧化氮，而反應(yīng)⑤和⑥只會(huì)消耗一氧化氮，產(chǎn)生亞硝酸。至此，我們已經(jīng)找到試管中一氧化氮已經(jīng)很少、試管中水位上升高度超過(guò)2/3的部分原因。

2 Al（OH）3能被NH3·H2O溶解嗎

實(shí)驗(yàn)1 室溫條件下將不同體積的蒸餾水分別注入8支盛有2mL濃度為0.1mol/L的硫酸鋁溶液的試管中，再分別逐滴滴入8mL濃度為15mol/L的濃NH3·H2O，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過(guò)加入的蒸餾水的體積來(lái)改變Al2（SO4）3溶液的濃度，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，Al（OH）3能被濃NH3·H2O完全溶解，因?yàn)樯鲜?支試管中的液體最后全部變澄清。

上述實(shí)驗(yàn)1中Al（OH）3被溶解可能有兩個(gè)原因： （1）Al（OH）3被蒸餾水溶解;（2）Al（OH）3和NH3·H2O的反應(yīng)。當(dāng)溶液中含有的水較少時(shí)，很容易看見(jiàn)Al（OH）3被NH3·H2O溶解，如1～3號(hào)試管中的現(xiàn)象;當(dāng)溶液中含有大量水時(shí)，就很難說(shuō)清Al（OH）3是被水溶解還是和NH3·H2O發(fā)生了反應(yīng)，或者兩種情況都存在，如第7、 8兩支試管內(nèi)幾乎看不到有沉淀產(chǎn)生。

為了減少Al（OH）3在H2O中溶解的干擾，筆者又配制不同濃度的NH3·H2O，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)2。

實(shí)驗(yàn)2 室溫條件下向8支盛有2mL濃度為0.1mol/L的硫酸鋁溶液的試管中，逐滴滴入8mL不同濃度的氨水（15mol/L的濃氨水與蒸餾水按一定體積比混合），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

由實(shí)驗(yàn)2分析可知，濃NH3·H2O能溶解一定量的Al（OH）3，一定濃度的氨水也能溶解Al（OH）3，只不過(guò)當(dāng)NH3·H2O與蒸餾水的體積比小于1∶5時(shí)，Al（OH）3就不再溶解了。因此，若生成的Al（OH）3比較多，且選用的氨水的濃度和體積都比較小時(shí)，要看到Al（OH）3溶解就有點(diǎn)困難。

實(shí)驗(yàn)表明： 剛開(kāi)始Al（OH）3能溶解在較稀的NH3·H2O中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，AlO-2濃度變大，所需NH3·H2O濃度也要變大。隨著NH3·H2O的不斷加入，NH+4和AlO-2也不斷被稀釋，需要的NH3·H2O濃度也不會(huì)增大得太多，所以要達(dá)到一定濃度的NH3·H2O才能完全溶解Al（OH）3。

3 能否用KI來(lái)區(qū)分真假碘鹽

有同行認(rèn)為，用KI來(lái)區(qū)分真假碘鹽（5I-+IO-3+6H+3H2O+3I2）是不正確的，將I-氧化的不一定是IO-3，有可能是溶解在水中的少量氧氣，事實(shí)果真如此嗎？筆者做了如下研究。

實(shí)驗(yàn)3 室溫條件下向A試管中加2克氯化鈉，再注入6mL蒸餾水，振蕩試管。再依次加入10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)4 室溫條件下向B試管中依次加入10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)5 室溫條件下向C試管中加入2克加碘鹽，注入6mL蒸餾水，振蕩試管，使其充分溶解。再依次滴10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

發(fā)現(xiàn)A、 B兩支試管中的溶液剛開(kāi)始無(wú)明顯變化，加入稀硫酸后，溶液仍然顯無(wú)色，三小時(shí)后發(fā)現(xiàn)溶液顯示出非常淺的藍(lán)色;而當(dāng)加入稀硫酸后，C試管中的溶液迅速變?yōu)樗{(lán)黑色。

由實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4分析可知，溶液中溶有的氧氣不足以將KI中的I-氧化，由實(shí)驗(yàn)5分析可知，加碘鹽中的IO-3能將KI中的I-迅速氧化使淀粉顯色[1]。

此外，還另行設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，用以探究碘化鉀溶液、硫酸溶液的濃度與溶液顯示顏色的時(shí)間關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)6 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表3所示。

實(shí)驗(yàn)7 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表4所示。

分析實(shí)驗(yàn)6和7可知，若沒(méi)有碘酸鉀，只靠氧氣來(lái)氧化碘離子，需要3小時(shí)，溶液才會(huì)顯示出很淺的藍(lán)色[2]（如表3中的6號(hào)試管和表4中的3號(hào)試管）。隨著KI或H2SO4濃度的增大，氧氣將I-氧化的時(shí)間從幾小時(shí)變?yōu)閹追昼?。目前，我?guó)食用鹽中含碘量為（35±15）mg/kg，假設(shè)取1g加碘鹽來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中碘酸鉀的質(zhì)量最多為0.5×10-1mg，使其完全反應(yīng)需要1.9×10-1mg碘化鉀，換算成10-3mol/L的碘化鉀溶液為1.17mL。

所以，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們只需取1～2滴濃度為10-2～1mol/L的硫酸溶液和0.5mL濃度為10-3～10-1mol/L的碘化鉀溶液就能有效地避免因氧氣氧化碘離子的“意外”現(xiàn)象。

4 酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，燒堿溶液的濃度應(yīng)為多少

探究人教版九年級(jí)《化學(xué)》教材下冊(cè)第60頁(yè)“中和反應(yīng)”時(shí)，發(fā)現(xiàn)若實(shí)驗(yàn)時(shí)加入的燒堿溶液的濃度過(guò)大時(shí)，酚酞溶液就會(huì)先變紅再褪色，燒堿溶液濃度越大，其褪色所耗時(shí)間越短，這是因?yàn)楫?dāng)pH>8.2時(shí)，酚酞為紅色醌式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)堿條件下極不穩(wěn)定，會(huì)轉(zhuǎn)變成無(wú)色的羧酸鹽結(jié)構(gòu)[3]。若燒堿溶液濃度太小，與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的熱量太少，溶液溫度沒(méi)有明顯變化，若用普通溫度計(jì)測(cè)量，耗時(shí)長(zhǎng)，散熱多，測(cè)量結(jié)果誤差大[4]。為此，對(duì)中和反應(yīng)中鹽酸和燒堿溶液的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)做了如下實(shí)驗(yàn)探究。

4.1 燒堿溶液的濃度與酚酞溶液褪色的時(shí)間關(guān)系

取1～14號(hào)燒杯（25mL），室溫條件下分別加入5mL濃度為1%、 1.5%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 6%、 7%、 8%、 9%、 10%的燒堿溶液，再各滴2滴無(wú)色酚酞溶液，記錄酚酞溶液開(kāi)始褪色到幾乎不變色所耗時(shí)間，結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，燒堿溶液濃度越大，酚酞溶液褪色所耗時(shí)間越短。當(dāng)燒堿溶液濃度高于8%時(shí)，酚酞溶液很快褪為無(wú)色;當(dāng)燒堿溶液的濃度為5%～7%之間時(shí)，酚酞溶液褪色耗時(shí)稍長(zhǎng)，仍可以看見(jiàn)很淡的紅色;當(dāng)燒堿溶液的濃度為3%～4.5%時(shí)，酚酞溶液褪色耗時(shí)較長(zhǎng)，可以看到淡紅色;當(dāng)燒堿溶液濃度低于2.5%時(shí)，酚酞溶液部分褪色，耗時(shí)更長(zhǎng)，此時(shí)，可以看到明顯的紅色。

由于酚酞的醌式結(jié)構(gòu)與無(wú)色的羧酸鹽結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化是一個(gè)可逆反應(yīng)[5]，當(dāng)溶液的pH改變時(shí)，反應(yīng)的平衡點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)。鹽酸和燒堿反應(yīng)時(shí)，隨著鹽酸的不斷加入，酚酞在堿性條件下顯示的紅色一開(kāi)始會(huì)隨著燒堿的不斷消耗而慢慢變淺。待反應(yīng)結(jié)束時(shí)，酚酞會(huì)變?yōu)闊o(wú)色。

為了讓初三學(xué)生能獲得更為直觀的感性認(rèn)識(shí)，教師演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要耗時(shí)4分鐘左右，而該時(shí)間內(nèi)酚酞沒(méi)有完全褪為無(wú)色，所以燒堿溶液濃度只需1%～6%即可;如果讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，大概需要9分鐘，可以控制酚酞溶液褪色后出現(xiàn)淡紅色和紅色，因此，燒堿溶液濃度1%～4.5%較為適宜。

4.2 燒堿溶液的濃度與反應(yīng)中的放熱關(guān)系

另取1～10號(hào)燒杯（25mL），室溫條件下分別加入5mL濃度為1%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 5.5%、 6%的燒堿溶液，再各滴2滴無(wú)色酚酞溶液，用溫度計(jì)測(cè)量溶液的溫度;再分別向上述燒杯中依次加入濃度分別為1%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 5.5%、 6%的鹽酸，至溶液剛好褪為無(wú)色，再用溫度計(jì)測(cè)量溫度，記錄溶液溫度變化情況，如表6所示。

由表6分析可知，燒堿溶液和鹽酸的濃度越大，反應(yīng)中釋放的熱量越多，溫度上升也越大。當(dāng)燒堿溶液和鹽酸的濃度<2%時(shí)，用手感覺(jué)不到溫度的變化，但溫度計(jì)可以測(cè)出反應(yīng)放熱的現(xiàn)象;當(dāng)燒堿溶液和鹽酸的濃度≥3%時(shí)，溫度計(jì)上升超過(guò)4℃，此時(shí)可以用手感覺(jué)到溫度的變化。

因此，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中實(shí)驗(yàn)者若要用手直接感知中和反應(yīng)過(guò)程中的放熱現(xiàn)象，燒堿溶液的濃度應(yīng)在4%～6%之間（實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意安全）;若使用溫度計(jì)，可以參考滬教版初中化學(xué)教材，只需0.2mol/L的燒堿溶液，這樣既安全、節(jié)約又有可行性。

5 Cu和濃HNO3反應(yīng)為何先慢后快

在低溫條件下，銅和濃HNO3反應(yīng)的確很慢，向濃HNO3中放入冰鹽水，使其溫度降至-5℃，再將銅片插入其中，發(fā)現(xiàn)銅片周圍溶液顯綠色[因Cu（NO3）2溶液溶有NO2]。

另外，Cu（NO3）2在水中的溶解度相當(dāng)大，在0℃時(shí)，溶解度為45.6g， 80℃時(shí)，溶解度為67.5g，因此，有人認(rèn)為“銅和濃HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2在濃硝酸中的溶解度低，會(huì)在銅表面形成類似鈍化現(xiàn)象”的觀點(diǎn)是不可靠的。

濃硝酸的氧化性很強(qiáng)，可以將銅氧化，雖然低溫環(huán)境下反應(yīng)速率較慢，但不知同行們是否關(guān)注到，即便在低溫環(huán)境下，銅和濃硝酸的反應(yīng)速率也不慢（相對(duì)比較而言）。為此，筆者又做了如下實(shí)驗(yàn)探究： 向A、 B兩支試管中分別注入2mL的濃硝酸，并向A管中通入少許NO2（濃HNO3因溶有NO2而略顯黃色），再向A、 B兩試管中同時(shí)放入兩塊大小幾乎一樣的銅片，發(fā)現(xiàn)即便在一樣的低溫條件下（5℃），A管中反應(yīng)速率比B管中要快得多，溶液迅速變?yōu)樯罹G色[Cu（NO3）2溶液因溶有NO2而顯綠色]。

濃HNO3中溶有NO2為何會(huì)使HNO3和銅的反應(yīng)立刻發(fā)生，且反應(yīng)速率明顯加快？筆者是這樣認(rèn)為的：

第一，濃HNO3中溶有NO2會(huì)形成HNO2，其氧化性比濃HNO3更強(qiáng)（H2O+2NO2HNO2+HNO3）。為此，筆者做了如下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證： 在低溫環(huán)境下（5℃時(shí)），將Cu投入濃硝酸中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)很慢，再向其中加入一小粒NaNO2固體，Cu和濃硝酸的反應(yīng)立刻劇烈起來(lái)： HNO3+NaNO2NaNO3+HNO2， 2HNO2NO2+NO+H2O（反應(yīng)生成了氧化性更強(qiáng)的HNO2和對(duì)Cu和濃硝酸的反應(yīng)具有催化作用的NO2）。

第二，從反應(yīng)本質(zhì)來(lái)分析，濃HNO3的氧化性和HNO3中含有的由于見(jiàn)光分解生成的NO2的催化作用有關(guān)。NO2具有傳遞電子的功能： e-+NO2NO-2， H++NO-2HNO2， HNO2+HNO32NO2+H2O， Cu失去的電子被HNO3通過(guò)NO2獲得，反應(yīng)速率便加快。溶有二氧化氮?dú)怏w的濃HNO3和發(fā)煙HNO3的氧化性和反應(yīng)速率比一般的濃HNO3更強(qiáng)、更快，是因?yàn)樗嶂械腍NO2（氧化能力更強(qiáng)）和NO2（具有催化作用）所致。

綜上所述，銅和濃硝酸的反應(yīng)，剛開(kāi)始反應(yīng)慢一是因?yàn)闇囟鹊?，二是沒(méi)有HNO2和NO2，后來(lái)反應(yīng)快，是因?yàn)樽陨矸磻?yīng)生成了HNO2（氧化性更強(qiáng)）和聚集了越來(lái)越多的NO2（起催化作用）所致，再隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)放熱導(dǎo)致溫度升高，HNO3的氧化能力變強(qiáng)，因此，后來(lái)的反應(yīng)變得越來(lái)越快。

6 長(zhǎng)期存放的溴水會(huì)褪色嗎

實(shí)驗(yàn)8 向盛放在通風(fēng)櫥中的A、 B、 C三只細(xì)口瓶中分別注入2mL飽和溴水（實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3也在通風(fēng)櫥中進(jìn)行），再分別注入20mL蒸餾水，A、 B兩瓶口分別用磨口塞和橡皮塞塞緊，C瓶敞口放置，靜置。發(fā)現(xiàn)兩天后C瓶中的溴水橙色變淡，5天后橙色褪去;3天后B瓶橙色變淡，7天后橙色完全變?yōu)闊o(wú)色;而A瓶即便存放三個(gè)月，瓶中液體顏色幾乎不變。用銼刀將橡皮塞銼成粉末狀倒入試管中，再滴入2mL溴水，振蕩試管，溴水的橙色褪去。

實(shí)驗(yàn)9 不管溴水濃度有多小，均可以用鼻子扇聞到溴味，將一張濕潤(rùn)的淀粉KI試紙懸于盛放溴水的瓶口，不久，淀粉KI試紙變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)10 向2mL飽和溴水中注入30mL蒸餾水，配成體積比為1∶15的溴水，發(fā)現(xiàn)溴水呈淡淡的橙黃色，磨口瓶中密封存放半個(gè)月，發(fā)現(xiàn)液體顏色幾乎不變，而且還可以用CCl4或C6H6將Br2萃取出來(lái)。溴水中的Br2和H2O的反應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，只要保存得當(dāng)，Br2不會(huì)減少，而且溴水的顏色和濃度也能基本保持不變。

實(shí)驗(yàn)11 配成不同濃度的溴水，再將溴水裝滿于三只同樣的150mL的細(xì)口瓶中（塞上磨口塞），分為兩組。一組置于陰暗處，一組置于陽(yáng)光能照射到的地方，對(duì)比、觀察、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表7所示。

由上述實(shí)驗(yàn)分析可知： （1）Br2的揮發(fā)性比較強(qiáng)，若保存不夠嚴(yán)密，Br2會(huì)揮發(fā)，溴水顏色變淡，橙色也會(huì)慢慢消失;（2）橡皮塞內(nèi)的不飽和碳碳雙鍵會(huì)與Br2發(fā)生反應(yīng)，所以，用橡皮塞密封保存的溴水也會(huì)褪色;（3）只要保存得當(dāng)（如用磨口塞密封），無(wú)論溴水置于暗處還是亮處，肉眼均未看到溴水褪色的現(xiàn)象。

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