书城科普读物动手做实验丛书--化学实验操作方法运用
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第5章 化学实验设计的一般方法(5)

部分教材在演示H2与O2混合点火爆炸的实验时,始终担心纸筒内的H2太少了,或是纸筒上的小孔孔径太大了,把不成功的原因都归结在这两条上。于是延长收集H2的时间,又是千方百计减小小孔的孔径。但很少有人想到其错误正是在于这两条。因为H2过多会超出爆炸极限,小孔孔径太小又难以使H2的含量“进入”爆炸极限,如果缩短收集H2的时间,同时又增大小孔孔径,其成功率反而会大大提高。

铜丝在空气中加热会变成黑色的氧化铜,而又是在加热的条件下,氧化铜能被还原剂还原为金属铜。根据这一点,有人设计了实验:将铜丝放在酒精灯火焰上灼烧,铜丝变黑,表面变黑的铜丝放在酒精灯火焰中,又能被酒精还原成光亮的铜丝。然而有相当部分的人对该实验持否定态度。

讨论这个实验到底能否成功之前,首先要搞清酒精灯火焰各部分之间的差别;酒精灯火焰的焰芯是液态酒精燃烧形成的,其中酒精“浓度”大,而火焰温度低;内焰是液态酒精和气态酒精的“混和物”共同燃烧形成的,温度略高于焰芯;而外焰则完全是酒精蒸气在燃烧,酒精“浓度”最小而温度最高。在外焰中酒精只是可燃物,而在焰芯中,酒精不但是可燃物,而且还是还原剂,弄清这一点,做该实验就变得比较容易。

①将光亮的铜丝放在酒精灯火焰外焰外灼烧片刻,看到铜丝通红后,立即将其浸入冷水中,马上就可看到光亮的铜丝已经变成黑色。

②将表面已氧化的铜丝,先放在外焰处灼烧片刻,待铜丝变通红后,慢慢将其向焰芯移动,直到铜丝表面变成砖红色时,将铜丝立即插入冷水中冷却,这时表面黑色的铜丝已完全被酒精还原为光亮的铜。

实验教学的分类改进

加强实验教学,不仅能培养学生的实际操作、观察、推理能力,而且是巩固学生旧知、增进新知,全面提高化学教学质量的重要措施。因此,山东省蓬莱市教育局于文忠老师首先从分类改进化学实验入手,切实加强化学实验教学,取得了显着的成效。

分类安排实验

根据课本中每个实验的目的要求,在认真分析之后,将实验分四类安排。

(1)凡是学生凭借自己所学知识能判断出实验现象和结果的,采取先分析后实验的办法。如讲高一浓硫酸的特性时,先引导学生回忆初中学过的浓硫酸具有吸水性和脱水性后,再演示浓硫酸使蔗糖碳化。当学生闻到SO2的刺激性气味时,便知浓硫酸也参加了反应,通过对硫元素化合价变化的分析,学生明白了硫元素被还原,浓硫酸起氧化作用。然后提问:“什么物质被氧化?”“用什么方法确定氧化产物是CO还是CO2?”按讨论的结论,再将炽热的木炭投入浓硫酸中,将产生的气体依次通过品红溶液(褪色)和澄清的石灰水(变浑浊),说明反应中生成了SO2和CO2。后又演示铜与浓硫酸的反应。以上两实验结论:浓硫酸具有强氧化性,它既可氧化金属,又能氧化非金属,其本身被还原为SO2。

(2)对一些抽象而学生又缺乏相关知识的实验,采取先实验后分析再得结论的办法。如讲“萃取”概念时,先讲学生做苯萃取碘水中碘的实验,再让学生回答:为什么碘水变无色,苯层变成紫色?从溶解角度看,苯与水各扮演什么角色?这两种溶剂各有什么特点?通过实验分析,利用碘易溶于苯而微溶于水,而苯与水互不相溶,用苯将碘水中的碘提取出来,学生自然会描述和理解萃取概念。

(3)对一些易混淆的现象,采取边讲边实验边分析,最后得取结论的办法。

如讲卤离子的检验时,在含Cl-与SO2-4,Br-与CO2-3,Cl-与PO3-4的三组溶液中分别加入AgNO3溶液,观察现象后再各加入稀HNO3,所发生的现象使学生明白了用AgNO3溶液检验卤离子时必须加入稀HNO3的道理。

(4)为提高学生的动手能力和分析问题的能力引导学生设计实验。如高一讲次氯酸的漂白性时,结合课本实验图问:想使实验成功,对通入的Cl2有什么要求:若想得到干燥并不含HCl的Cl2,需增加什么装置?怎样连接?让学生思考后,指名学生上台操作,并纠正不当之处。

重视设疑

有些学生认为多加药品,就能较快得出实验结果。如KI-淀粉溶液与氯水的反应,该实验要求在1-2毫升,KI-淀粉溶液中加1-2滴氯水,蓝色非常明显,但再加几滴氯水振荡后则看不到蓝色。此时,让一名实验失败的学生讲操作过程,然后让其他学生在蓝色溶液中再滴几滴氯水,结果蓝色都褪了。分析时,不少学生只说因氯水的漂白作用,通过辨析,学生才知道,被氯置换出的使淀粉变蓝的I2又被过量的氯水氧化成无色的IO3,从而使学生信服“实验时药品用量必须适量”。

补充辅助实验补充实验的选定主要从以下三个方面考虑:

(1)为增强教学效果

如讲原子结构知识时,学生常感到枯燥乏味,不可思议。我增做了“阴极射线”实验,学生确信电子的存在,激发学生学习并记住有关原子结构知识的兴趣和积极性。

(2)为更好揭示物质的重要性

如讲硫的物理性质时,补充了硫在不同温度下其颜色和流动性不同的实验,使学生明确这些不同是由于硫原子之间的结合变化引起的。

(3)为拓宽学生的知识面

有一些简便的实验,稍做变动,即变成了探索性实验。如为了说明H2S的还原性,增做了将H2S通入溴水(或碘水)和将氢硫酸暴露在空气中溶液变浑浊的实验。由此,学生不仅认识到氢硫酸具有还原性,还掌握了硫元素的非金属性比碘、溴、氯和氧弱。

中学化学实验改进方法

实验是化学的基石,是进入化学殿堂的钥匙。在实验过程中我们常需对化学实验加以改进,以使实验更好地为教学服务。嘉兴教育学院朱龙观老师总结介绍的方法是:

实验改进的可能性和必要性

由于中学课本中化学实验在仪器、药品、操作方法上均存在多种可选择的方案,因而实验形式的非单一性导致实验改进的可能。更由于课本中化学实验的不完美性,必然导致对实验一方面或多方面的修正。例如实验时间过长,实验装置过于复杂,现象不明显,成功率不高,不安全,不具有课本实验要求用试剂等。故此,化学实验有必要加以改进。

实验改进要求

要想对某个实验加以改进,就应该遍查同行对该实验的研究、改进资料,分析该实验存在的不足之处,探求其不足之处的原因,找出对症下药的方案。

实验的改进应围绕实验的目的、原理进行,努力使实验现象鲜明,因为表征实验意义的是实验现象。实验的现象是通过耳、鼻、眼、触觉等感知的,如鲜艳的颜色、沉淀、大量热量的放出和吸收,耀眼的亮光、爆鸣声、特殊气味等。对实验的改进应尽量使如上现象鲜明。

实验改进纲领

实验改进可以对实验一方面改进,也可从多方面或全面地对该实验加以改进,要达到对实验改进得心应手,费时少而收效大应遵循一定的思路和程序。

(1)实验装置改进

①简化。有些实验装置过于复杂,为使学生注意力集中于装置主要部位,同时使操作简便,应对实验装置加以简化。如CO燃烧演示,可预先制好一瓶500mlCO备用,减少了辅助设备。

②横口管、封管和曲管实验。为使实验操作简便、快速、用药量少,可用横口管进行实验。

磺的升华实验,敞口容器做,一是麻烦,二是浪费药品,三是污染环境,若用封管做则可多次使用、方便,也不污染环境,节约药品;NO2和N2O4之间的转化也可设计成封管实验。做气体物质性质实验时,用玻璃管弯成的一系列曲管做实验,可以连续实验,简便而节省时间。

③除了用横口管和曲管改进装置做实验外,还可设计一系列较为特殊的仪器做实验。如鉴别Na2CO3和NaHCO3,课本上用两套装置、两次实验,较麻烦,改用双叉试管做则一次完成。用一些诸如滤纸、石棉之类可以简化实验装置。例如用滤纸做卤素单质活动性比较实验,不仅简化了装置而且实验现象更为明显,石棉吸附某种液态反应物,置于试管中,受热气化后与另一种反应物或催化剂起反应,实验装置简单,效果显着。

(2)实验时间长短

①需时较长的实验应设法改进为现象显着、需时少的实验。一般一个演示实验以实验时间在5分钟以内为合适。霉夫曼电解器电解水,用1∶10H2SO4作电解液,直流电压6伏,时间长效果差,改进为18~24伏电压,1∶8~1∶9H2SO4作电解液,约4分钟完成实验。用传统方法演示胶体的电泳这一类实验,需要经过二、三十分钟,通过投影放大,在1~2分钟内就能看清液位移动。

②反应速度太快,反应时间过短,实验现象短时,就应设法延长实验现象时间。例如集气瓶中的燃烧实验改在反应管中进行,通过开关控制气体流量,达到控制实验目的,生成烟雾不断排出,实验现象显示时间延长,效果就显着。

(3)更新实验方法

从新的角度去构思和设计实验常能收到好的效果。某老师针对乙酸乙酯水解用嗅觉判定的方法进行改进,花四年时间找到了用红标铅笔作染色剂的方法使实验获圆满成功。或也可改进为加少量碘片,乙酸乙酯层将显紫红色,分层明显,再水解,观察紫红色层的消褪。NaOH放热实验,若用于触摸感知是否放热在课堂上演示,效果不好,可改进为近沸水中投入NaOH,水又沸腾。

(4)合适的实验条件

①最佳浓度。如做NaHCO3和Na2CO3反应速度比较实验,盐酸浓度在05摩/升为最佳〔16〕。又如,H2S演示实验,要求时间短(尽量减少污染)、现象明显,经试验最好用15∶1(237%)的稀盐酸制取效果最好。

②最佳药品配比,碳还原氧化铜实验,碳与氧化铜量配比不恰当,紫红色铜现象不明显,经反复试验,C∶CuO质量比为1∶5最理想。制取甲烷实验,对于无水CH3COONa、CaO和NaOH最佳配比的探索很说明问题,各人得出的结论往往不同,认为至今仍有必要探索。

③压力和温度。CuO与H2SO4反应,微热即可,加热温度过高,H2SO4沸腾就会得出不正确的实验结论。

④催化剂。合适的催化剂才能获得最佳效果。石腊裂化可用水泥、瓷土、粒状硅酸铝——氧化铝等作催化剂,但经反复试验,以无水氯化铝为最好。

(5)综合实验

对于物质性质的演示实验,为使学生对该物质性质有整体认识,同时又在课堂上节约演示时间,常设计成综合实验。如乙炔化学性质综合实验,H2S气体组合实验,“卤素活动性比较”一次性实验等等。

(6)仪器药品代用品

实验中较为贵重的药品、仪器有时因经费困难不能购置或有些仪器、药品不易购到,就地取材可设法用效果好的代用品。可用煤渣-Cr2O3进行氨催化氧化的实验。

用砂子作制O2的催化剂。乙烯制乙醛用易购到的氯化镍代替氯化铜和氯化钯中不易购到的氯化钯。用碳棒或铅笔芯或脱脂棉代替铂丝做焰色反应实验。钴玻璃片可用胶片代替。

(7)安全、环境污染和封闭实验

化学实验中常伴有有毒、有害气体产生,排放在空气中对环境造成污染。因此在实验中常设法改敞开实验为封闭实验。例如Cl2、NO2、HCl、H2S气体制取,改进为在气体导出管处依次安装①收集间隔时气体吸收装置②气体收集装置和③收集过程中气体吸收装置的封闭装置。

化学实验装置图的画法

学好化学一定要重视化学实验,特别要重视化学实验能力的培养。但不可忽视绘制化学实验装置图的能力。

怎样才能画好实验装置图呢?

要画好平面正视图

把仪器放在桌面上,用垂直于竖直平面的一束平行光线照射到仪器上所得的图形,即是该仪器的平面正视图。对中学生不要求画斜视图、仰视图或俯视图,更不要求画立体图。要学会仪器图的分步画法

对实验装置图的基本要求是“图形端正、比例适当、画法统一。”“图形端正”即要求线条横要平,竖要直,斜线要匀称,曲线要圆滑。“比例适当”即要求所画图形的比例与实际仪器各部分比例相吻合,如画烧瓶的上下两部分的比例是:“长脖子,大肚子,各占一半子”,即烧瓶瓶颈高度与球体容器的高度比例是1∶1。“画法统一”即要求在同一个实验装置图中,各图的大小比例要统一,在不同的实验装置图中,同一图形的画法也要统一,切忌采用两种画法。

要画好成套装置图

画成套实验装置图的顺序是“先主后配,先左后右”。例如:画实验室里制取和收集氧气的装置图,应首先画出连接着的试管,导管和集气瓶这三部分主体图,然后再按照图中的编号依次画出其他配件图。如发现“酒精灯悬了空”则用木块垫起,就会使图形完美无缺。

要巩固绘装置图的能力

只是照图画图,往往印象不深,容易画错,为了加强图形的真实感,还必须经常照实际仪器或装置画图,这相当于美术课上的静物写生。按照课本上的装置图或自己设计的装置图进行实物装配,不仅可以熟练操作技能,也可以培养绘图能力。识别图形,改正图形,也是不断提高绘图能力的重要措施。如有这样一个题:实验室里做NH4HCO3的分解实验,并检验分解产物,试指出错误之处,如何纠正。