抓住實(shí)驗(yàn)異常 挖掘背后成因

劉瑛

【摘? 要】實(shí)驗(yàn)異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)使師生產(chǎn)生不同程度的認(rèn)知沖突或出現(xiàn)情緒緊張的狀態(tài)。對(duì)異常現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)和處理，是體現(xiàn)教學(xué)機(jī)智和專業(yè)素養(yǎng)的重要時(shí)刻。本文分析了高中化學(xué)必修第二教學(xué)中出現(xiàn)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)異常現(xiàn)象，并作出了科學(xué)合理的解釋，最后就合理規(guī)避或利用異常現(xiàn)象提出了思考與建議。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)實(shí)驗(yàn);異?，F(xiàn)象;認(rèn)知沖突

一、問題的提出

化學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中有著不可替代的作用。凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢，化學(xué)實(shí)驗(yàn)亦然。明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、分析?shí)驗(yàn)原理和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)前所必須完成的步驟。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的種種情況都在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，教師在課堂上就會(huì)游刃有余，得心應(yīng)手。

在上現(xiàn)場(chǎng)課和公開課時(shí)，異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)加重緊張情緒，大多數(shù)教師都愿退避三舍，敬而遠(yuǎn)之。在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，執(zhí)教者多期望看到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)異常現(xiàn)象存有畏懼之心。實(shí)驗(yàn)異常的出現(xiàn)，會(huì)讓教師或?qū)W生的原有觀念與新經(jīng)驗(yàn)之間產(chǎn)生對(duì)立性矛盾，并對(duì)異?，F(xiàn)象產(chǎn)生疑惑、出現(xiàn)情緒緊張或不適的狀態(tài)，即產(chǎn)生認(rèn)知沖突。如何應(yīng)對(duì)此種狀況，是值得我們思考的地方。

二、關(guān)注異?，F(xiàn)象，挖掘背后成因

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，多與試劑來源、裝置設(shè)計(jì)、反應(yīng)原理和實(shí)驗(yàn)操作等有關(guān)，但是理論分析是一枝獨(dú)秀，實(shí)際情況卻是百花齊放。專業(yè)知識(shí)的大量?jī)?chǔ)備和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累，是應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的課堂教學(xué)的有效保障。筆者在進(jìn)行高中化學(xué)必修二的教學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了幾個(gè)異?，F(xiàn)象，現(xiàn)分析如下。

（一）“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的異常及應(yīng)對(duì)

1.教學(xué)片段

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，標(biāo)注為0.1mol/L鹽酸與Zn片反應(yīng)的速率竟然比1mol/L鹽酸與同樣大小同樣形狀的Zn片反應(yīng)速率快。這一異?，F(xiàn)象讓筆者也緊張了起來，用“實(shí)驗(yàn)員可能將標(biāo)簽貼反了，可能是藥品配制過程中出了差錯(cuò)，也可能是其他什么原因，老師下課了解一下”搪塞過去了，但是學(xué)生在下課聊天的時(shí)候樂此不疲地與同伴分享著這一趣事。筆者意識(shí)到這一“烏龍事件”可能會(huì)產(chǎn)生無法估量的蝴蝶效應(yīng)，必須揭示背后成因，在課堂上與同學(xué)共同分析討論。

2.揭示原因

實(shí)驗(yàn)小組所用的0.1mol/L鹽酸是從藥品柜中拿出來的，且從初次配制至此次使用已相隔幾年時(shí)間。因滴瓶的橡膠塞全部老化開裂，故在使用前全部替換成新橡膠塞。筆者用5-8小組使用的鹽酸和藥品柜中保存的0.1mol/L的鹽酸分別再次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，與學(xué)生所得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同;而用準(zhǔn)備室中臺(tái)面上放置的相應(yīng)濃度的鹽酸做實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象卻是與預(yù)期相同的。因此，實(shí)驗(yàn)員貼錯(cuò)標(biāo)簽的可能性為零，造成實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象異常的原因與鹽酸在保存過程中發(fā)生的變化有關(guān)。濃鹽酸具有揮發(fā)性，會(huì)使其濃度變小，按照思維定勢(shì)，實(shí)驗(yàn)室保存的0.1mol/L的鹽酸亦會(huì)變稀，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果應(yīng)該不會(huì)逆轉(zhuǎn)，但是實(shí)驗(yàn)事實(shí)確是如此，通過查閱大學(xué)《物理化學(xué)》課本找到了原因。

對(duì)于同一系統(tǒng)，其所含物質(zhì)數(shù)量的多少隨人們研究問題的出發(fā)點(diǎn)不同而不同，但是平衡系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)卻始終保持一定值，所以，組分?jǐn)?shù)是表征系統(tǒng)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。組分?jǐn)?shù)不僅與物質(zhì)種數(shù)有關(guān)，還與化學(xué)反應(yīng)條件、濃度限制條件等有關(guān)。組分?jǐn)?shù)等于系統(tǒng)中的物種數(shù)減去獨(dú)立的化學(xué)平衡數(shù)，再減去同一相的獨(dú)立濃度限制條件數(shù)。對(duì)于HCl和H2O組成的溶液而言，若不考慮它們的電離，其平衡系統(tǒng)中所含的組分?jǐn)?shù)是2。若要考慮，則根據(jù)反應(yīng)：2H2O? ? H3O++OH-，HCl=H++Cl-，可知組分?jǐn)?shù)=6-2-2=2，仍然不變。

對(duì)于二組分系統(tǒng)而言，影響其狀態(tài)的因素有溫度、壓力和組成。試劑是在常壓下保存的，所以可以固定壓力，繪制沸點(diǎn)（T）-組成（x）圖（見圖1）。由于HCl溶于水后完全電離，使得揮發(fā)性發(fā)生改變，在T-x圖上出現(xiàn)最高點(diǎn)，即最高恒沸點(diǎn)383K，該點(diǎn)上氣、液兩相組成相同，HCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.24%。373K、187.9K分別為水和氯化氫的沸點(diǎn)。根據(jù)柯諾華諾夫第一規(guī)則，較易揮發(fā)組分在氣相中的成分大于在液相中的成分，即溶液中沸點(diǎn)低的組分在氣相中的成分總比在液相中的大，所以T-x圖的氣相線總是在液相線上方。

據(jù)圖可知，當(dāng)組分處于左半部時(shí)，則分餾結(jié)果得到純水和HCl-H2O恒沸混合物。當(dāng)組分利于右半部分時(shí)，則分餾結(jié)果得到HCl和和HCl-H2O恒沸混合物。藥品柜中保存的鹽酸初始濃度是0.1mol/L，恒沸混合物的濃度約為6mol/L，故保存于藥品柜中的稀鹽酸在存放過程中，因滴瓶膠塞老化、密封性較差等原因，氣相物質(zhì)會(huì)不斷揮發(fā)，且揮發(fā)出來的是較多的H2O和較少的HCl，液相組成逐漸向中間恒沸混合物移動(dòng)，濃度逐漸增大。由此可知，稀鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%）在長(zhǎng)期存放過程中，因較多的H2O和較少的HCl揮發(fā)，導(dǎo)致濃度升高，故出現(xiàn)異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（二）“乙醇的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的異常及應(yīng)對(duì)

1.教學(xué)片段

“乙醇的性質(zhì)”教學(xué)中，通過復(fù)習(xí)鞏固乙烯的性質(zhì)，引出乙醇的工業(yè)制法——乙烯直接水化法，即在加熱、加壓和有催化劑存在的條件下，乙烯與水發(fā)生加成反應(yīng)得到乙醇，繼而進(jìn)行乙醇的性質(zhì)探究部分。為了驗(yàn)證乙醇與Na的反應(yīng)，教師提出思考問題：實(shí)驗(yàn)所需試劑有何要求？乙烯水化法所得乙醇能否直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？如若不行，如何使其滿足實(shí)驗(yàn)要求。因水可以與Na反應(yīng)，學(xué)生多認(rèn)為需要用純乙醇來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。乙烯水化法所得乙醇中混有水，可利用蒸餾的方法得到純乙醇。教師給出事實(shí)證據(jù)——蒸餾法得到的乙醇濃度最高為95.6%。這一事實(shí)與學(xué)生的原有認(rèn)知產(chǎn)生沖突，據(jù)此介紹無水乙醇的制備方法之一——將新煅燒的CaO置于95%的乙醇中，先冷凝回流一段時(shí)間后，再蒸餾，可得無水乙醇。

教學(xué)中對(duì)無水乙醇的制備進(jìn)行了重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，但是在后期作業(yè)評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的掌握得并不是很好，多停留在原有認(rèn)知的水平上。故需要在形成認(rèn)知沖突處再下一劑猛藥，讓學(xué)生知其然，亦知所以然。

2.揭示原因

乙醇與水組成的溶液是二組分系統(tǒng)，繪制沸點(diǎn)（T）-組成（x）圖（見圖2）。由于乙醇溶于水后與水分子間形成氫鍵，使得揮發(fā)性發(fā)生改變，在T-x圖上出現(xiàn)最低點(diǎn)，即最低恒沸點(diǎn)351.1K。該點(diǎn)上氣、液兩相組成相同，乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.6%，改變溫度時(shí)，氣相和液相的組成均保持恒定。373K、351.2K分別為水和乙醇的沸點(diǎn)，氣相線在液相線上方。

乙烯水化法所制得的乙醇，其組分處于圖像左半部，故在蒸餾過程中，揮發(fā)出來的是較多的乙醇和較少的水，氣相取出后再部分冷凝，經(jīng)過多次反復(fù)降溫、冷凝，氣相組成將逐漸往右下端移，直至恒沸混合物。在進(jìn)一步的蒸餾過程中，組成保持不變，得到的始終是乙醇-水恒沸混合物，得不到純乙醇。所以為了得到純乙醇，需要在高濃度乙醇的基礎(chǔ)上，利用CaO與水的反應(yīng)將微量的水除去。

（三）“乙烯的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的異常及應(yīng)對(duì)

1.教學(xué)片段

濃硫酸分子內(nèi)脫水是實(shí)驗(yàn)室制備乙烯的常用方法，但是筆者親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)效率低且副反應(yīng)明顯，故放棄了利用此法制備乙烯。有一線教師利用乙烯利來快速制備乙烯，筆者自己在花卉市場(chǎng)也買了一瓶乙烯利，以便進(jìn)行乙烯與溴的四氯化碳反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)猜想：根據(jù)乙烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，類比甲烷的性質(zhì)，乙烯和溴的四氯化碳能反應(yīng)嗎？若反應(yīng)，可以觀察到什么現(xiàn)象？若反應(yīng)，屬于什么反應(yīng)類型，是取代反應(yīng)嗎？如何用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證？實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，將乙烯利與NaOH混合，現(xiàn)場(chǎng)制乙烯，并將其通入到溴的四氯化碳溶液中，溶液褪色;再向溶液中滴加幾滴HNO3酸化的AgNO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀。

產(chǎn)生白色沉淀這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象屬異?，F(xiàn)象，與學(xué)生通過預(yù)習(xí)所得認(rèn)知相沖突，與教師預(yù)期現(xiàn)象亦有不同，屬于課堂生成問題。

2.揭示原因

出現(xiàn)的白色沉淀的成分必是AgCl，唯一引入Cl-的部分唯有乙烯利與NaOH的反應(yīng)。通過查閱資料，乙烯利制備乙烯的原理是：

+ 4NaOH → CH2=CH2↑+NaCl+

Na3PO4 +3H2O

該反應(yīng)中，NaOH溶于水大量放熱，且演示實(shí)驗(yàn)中所用分液漏斗管口處離底部較近，導(dǎo)致乙烯氣體快速生成時(shí)，溶液中的NaCl隨氣流一起進(jìn)入后續(xù)裝置，即HNO3酸化的AgNO3溶液中。故要排除NaCl等因素的影響，可將氣流進(jìn)行降溫處理，使得NaCl進(jìn)入液相，不隨氣相一起進(jìn)入后續(xù)裝置。為了避免干擾，筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，提前將乙烯制備好并收集在儲(chǔ)氣袋中，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，未觀察到沉淀生成。另外，考慮到HBr難溶于CCl4，易揮發(fā)，且溴可與水反應(yīng)生成HBr干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以向通入乙烯之后的溴的CCl4溶液中加入HNO3酸化的AgNO3溶液來檢驗(yàn)HBr的存在有不合理之處。在第二個(gè)教學(xué)班進(jìn)行教學(xué)時(shí)，做出了改進(jìn)，即將乙烯與溴的CCl4溶液反應(yīng)后的氣體先通入CCl4中除去可能揮發(fā)出來的溴蒸氣，再通入HNO3酸化的AgNO3溶液中。在出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的教學(xué)班中，對(duì)產(chǎn)生異常的原因做了詳盡的分析，并引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，并強(qiáng)化學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)。

3.點(diǎn)擊高考

對(duì)“乙烯的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中異?，F(xiàn)象的分析，并非閉門造車、自圓其說，實(shí)則有理可依、有跡可循。在2020年浙江卷中，濃硫酸與濃鹽酸混合制備HCl時(shí)，生成的氣體通入硝酸鋇溶液中產(chǎn)生白色沉淀。分析其原因，亦是因二者混合過程中放熱，HCl氣體將硫酸帶出，使其進(jìn)入硝酸鋇溶液中產(chǎn)生白色沉淀。

在2019年北京卷中，Cu與濃硫酸在加熱條件下反應(yīng)制備二氧化硫，生成的氣體通入硝酸銀溶液之前，用飽和亞硫酸氫鈉除去SO2中的雜質(zhì)，其作用亦是除去可能被氣流帶出的硫酸。

三、對(duì)“異?，F(xiàn)象”的教學(xué)思考

對(duì)實(shí)驗(yàn)異?，F(xiàn)象的應(yīng)對(duì)和處理，是體現(xiàn)教學(xué)機(jī)智和專業(yè)素養(yǎng)的重要時(shí)刻。當(dāng)學(xué)生因?qū)嶒?yàn)異?，F(xiàn)象產(chǎn)生認(rèn)知沖突時(shí)，多會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)探究的欲望。教師可因勢(shì)利導(dǎo)，順勢(shì)而為，在解決沖突的過程中提升學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)科能力，幫助學(xué)生形成敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新、崇尚真理和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。當(dāng)教師因?qū)嶒?yàn)異?，F(xiàn)象產(chǎn)生認(rèn)知沖突時(shí)，應(yīng)當(dāng)有自覺探究的意識(shí)。平時(shí)教學(xué)中的意外實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后都隱藏著必然，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度是教師需要教會(huì)學(xué)生的珍貴品質(zhì)。

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