化学教材中的探究实验

课题：探究混合物金属粉末中铁、铜元素的存在.已知某混合金属粉末，除铝处还含有铁、铜中的一种或两种，所含金属的量都在5%以上。请设计合理实验探究该混合物金属粉末中铁、铜元素的存在。实验目的:探究混合物金属粉末中铁、铜元素的存在.实验仪器试剂:烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、药匙；1mol/L硫酸、2mol/L硝酸、2mol/LNaOH溶液、20%KSCN溶液。实验步骤、预期现象和结论步骤1:用药匙取少许样品，加入试管A中，再用滴管取过量NaOH溶液并滴加到试管A中，充分反应后，静置，弃去上层清液，剩余固体a备用.现象1:样品部分溶解，并有气体放出.结论：1.有铝存在步骤2:取少许实验操作1所得固体a于试管B中，加过量稀硫酸，充分反应后，静置。剩余固体b备用.预现象2：若固体a全部溶解，并有气体放出.所得溶液b呈浅绿色。往溶液b中加入少许稀硝酸，溶液先变黄色，再滴加KSCN溶液.显血红色探结论2:样品中含有金属铝、铁，不含铜。现象3：固体a不溶解。往溶液b中加入少许稀硝酸，再滴加KSCN溶液.不显血红色.再往上述固体b中加入稀硝酸，再滴加NaOH溶液。若固体b溶解，有无色气体产生并很快变成红棕色，所得溶液显蓝色，再加入NaOH溶液后有蓝色沉淀产生。结论3:样品中含有Cu不含Fe现象4：固体a部分溶解，并有气体放出.所得溶液b呈浅绿色。往溶液b中加入少许稀硝酸，溶液先变黄色，再滴加KSCN溶液.显血红色。再往实验操作2剩余固体b中加入稀硝酸，再滴加NaOH溶液。若固体b溶解，有无色刺激性气体产生并很快变成红棕色，所得溶液显蓝色，再加入NaOH溶液后有蓝色沉淀产生。结论4:样品中含有铝还含有Fe和Cu概述本节课要讲解以下二个问题：一、实验装置及仪器的探究设计常用的方法二、教学中探究实验仪器、装置个案介绍实验仪器的选择和装置设计的不同，往往不同程度地影响到实验的效果。例如木材干馏实验，如按照教材的装置进行演示，往往需要很长的加热时间，如室温较低还可能观察不到某些主要的实验现象。但如反应管选用小号试管反应管后面的导管用T形管来替代，将整个装置安排得紧凑而简单一些（见右图）。则进行演示时，整个操作过程在三分钟之内即可以完成，实验现象比较明显。究其原因，是因为较小的试管来作反应管，这样加热时间不长即可使反应正常进行。另外用T形管替代原导管后，产生的混合物不会过早冷凝，其结果是点燃的火焰大而不易熄灭，收集木焦油速度快而现象明显。再如金属钠与水的反应，教材安排有为演示实验，选择在烧杯中进行。由于钠在水面上的游动路线与学生的视线接近平行，故学生看不清楚钠在水面上的运动，且该方法也无法观察和验证有氢气产生。为此有教师改用培养皿进行该实验的演示，操作时把培养皿置于投影仪上作放大投影，大大改善了实验的可见度。另外还可选用其他一些方法，例如下述两个钠与水反应的实验装置，操作方便、装置简单、现象明显，并且还可以检验产物----氢气。下图的装置还会引发爆鸣。一、实验装置及仪器的探究设计常用的方法（一）组合法（二）微缩法（三）扩充法（四）变形法（五）替代法（六）逆向法（二）微缩法新实验方法中的“微缩法”主要是针对某些实验药品用量较多，或反应容器较大，不利于观察现象，并常常由此造成在实验过程中，有害气体向空气中大量逸散，造成环境污染等情况，本着节约、环保、有效的宗旨而将实验仪器缩小、药品剂量减少的一种实验创新的方法。值得注意的是运用此法应该“减量不减效”，常见的微型化实验就是微缩法创新实验方法中具代表性的一种。比如将一些变色实验如氯气漂白、置换实验等在滤纸上发生反应，滴在滤纸上的试剂只要1-2滴，既节约、环保，又不影响可见度。四）变形法变形法是常用的一种创新方法。常规的实验仪器，形状规则、单一，导致了很多创新实验受其形状的限制而无法进行。如果我们能合理地变换仪器的形状，改变实验的受热方式或实验的外部环境等，就可能使实验产生“奇迹”。变形法有利于仪器的新品种的开发，有利于实验操作的新举措的开创，有利于实验设计的思路更加开阔。如上海市中学化学教材引入了“Y形管”、“J形管”(见图)。（五）替代法创新实验方法中的替代法就是对一些传统实验进行替代的一种创新方法。它可以是对效果欠佳的实验进行反应原料的替代，也可以是仪器装置的替代或实验用品的替代。如用注射器来替代制气装置，制备氯气、二氧化氮气体等，可做到密封好，不漏液不漏气，它还可用于气体平衡实验，可以加压或减压；再比如，用眼药水瓶代替胶头滴管、用矿泉水瓶来代替洗瓶……这些替代物品在现今的教材中也已处处可见。（六）逆向法创新实验方法中的逆向法就是对实验药品的加入顺序、仪器前后联接方式，或实验操作的先后次序等进行调换的一种创新实验方法，这是逆向思维在化学实验设计中的一种应用，这种“反其道而行之”的方法，也许会有“柳暗花明又一村”的效果。二、教学中探究实验仪器、装置个案介绍（1/12）现行的几套教材中，都明显增加了实验的比例。这些实验大都具有操作简单、耗时较少、趣味性强的特点。但也有一些实验效果不理想。对此，我们教师可因势利导引导学生多角度、多方位地对实验装置进行探究、改进、或重新设计。在教学中探究实验仪器、装置的个案相对是较多的，对实验仪器、装置进行分析、应用或重设置等在近年的中考、高考题中也较为常见。下面以几个相关教学案例来说明：案例6-1[1]水沸点测定的实验装置的探究问题发现：在一次使用温度计的学生实验中，学生用实验室所提供的装置（称装置1，如下图，50ml小烧杯，用石棉网，自来水）测量水的沸点时，有不止一位学生提出疑问：“老师，我的实验测得水的沸点怎么不是100℃？”。教师收集了全班实验结果：共28个实验小组，竟然没有一组实验测得数据为100℃。其中有18个组测得沸点为94℃，3个组测得92℃，2个组测得97℃，1个组因中途仪器损坏没有完成实验。平均沸点：93.85℃。为了鼓励和帮助孩子们寻找问题的答案，教师发动全班同学共同寻找能影响水的沸点的因素。（见表一）[1]吴慧.水沸点测定的实验装置的探究.化学教学.2002（11）案例6-1水沸点测定的实验装置的探究提出猜想和假设：影响因素提出人次1大气压强低172温度计坏了1测温物质（酒精/水银）2测量时没有浸没53风84烧杯材料（玻璃太厚）1形状1大小15酒精灯加热部位（内焰/外焰/焰芯）46水的纯度（自来水/蒸馏水/纯水）6案例6-1水沸点测定的实验装置的探究根据提出影响因素，教师选出了十位同学分成5个研究小组。首先，根据表一，排除个别因素后大胆提出如下假设：是否这批温度计都坏了？是否是大气压强影响？水的纯度有没有很大影响？把自来水换成蒸馏水或纯水会怎样呢？针对假设，学生们设计出了一一对应的实验,来验证假设。假设1：这批温度计是否都坏了？原来的这批温度计是江苏海门产品，现改用上海长城仪表厂的玻璃酒精温度计作比较，仍用上述装置测沸点。测得沸点的平均值为94.02℃（5支温度计的平均值）。经数据分析给出结论1：两厂家温度计的质量上差异不明显。故推翻了假设1。假设2：压强的异常影响了这次沸点测定假设3：水的纯度影响了这次沸点测定假设2提出的同学最多，因而要求同学们进行相关资料的查阅。经过近一周后的反馈，各实验小组进行资料汇总后给出如下结论：大气压强影响液体沸点主要有两点：一是高度的改变。二是气候的变化。结合假设2和3，设计了表2并分组实验。数据如下：平均沸点高度气候（十月）1楼24楼阴雨天晴天自来水93.85℃93.80℃93.60℃94.20℃蒸馏水93.20℃据上表的数据分析，推翻假设2、假设3。如果水的沸点确实是100℃，那是否是实验装置有问题？再次假设、验证。假设4：实验装置不合理影响了这次沸点测定提出解决方案：研究小组改用250ml的烧杯（装置2）和250ml圆底烧瓶（装置3）作对照。用自来水测得平均沸点数据如下：装置294.00℃；装置3100.00℃结论（1）250ml烧杯与50ml烧杯实验结果差异不明。（2）烧杯与烧瓶实验结果（沸点）差异明显。（3）烧瓶中水的沸点为100℃。故肯定了假设4。上根据上述探究，教师又指导询问同学：为什么这两种装置在实验结果上有如此明显的差异呢？同学们进行了观察、比较：从杯（瓶）口大小比较，水量比较，杯（瓶）口温度比较，明显看到烧杯易散热，烧瓶易保温。在烧杯中温度计有2/3玻璃杆暴露在周围冷空气中时，就会影响热的传递，因此装置1、2无法真实反应沸腾的水温，而装置3圆底烧瓶中温度计只有1/3玻璃杆暴露在周围冷空气中，对酒精热传递的影响较小，因此就能较真实反映沸腾的水温。找到了问题所在，可同时又发现圆底烧瓶加热时间长。那么如何扬长避短，再设计一个实验装置既能获得准确的实验结果，又省时、省能呢？同学们改用一支大试管。果然，加热仅4分钟，水就沸腾了，测得的自来水平均沸点为：100.80℃。总结论：（1）在标准大气压下水的沸点是100℃，而不是94℃。（2）装置最好用大试管，节时、节能、现象明显。此次的研究使学生们增长了知识，开拓了视野。评：上述探究实验个案从设计到实施，都是由学生自主参与，融合了学生个人的创造和集体的智慧，不仅提高了学生的实验设计和实验操作能力，更培养了学生的自主学习能力及相互间的团结合作精神。上述个案还说明每一种仪器或装置都有其鲜亮的特点、个性、作用及适用范围，在实验设计中不能过分随意地选用或替换，而应恰如其分地给予各仪器、装置应有的位置。案例6-2[1]氯水见光分解的实验装置的改进与应用推广问题的提出：该实验装置的不可操作性体现在：1．氯气对环境的污染无法避免；2．反应极慢，无法观察到如图所示气泡。改进后的装置（如右下图）：将装置中充满氯水，粗导管中也充满液体，置于较强阳光下照射一小时左右，即可在粗导管中收集到约10mL氧气，用带火星的木条检验，木条复燃。基于这个实验的改进成功，教师引发学生们思考：“这个装置能否适用于其它一些历时较长、反应会产生气体并需验证气体的实验呢？如可行，请提出你的方案并验证。”以此作为课题，学生们分组展开探究设计活动。方案一：用该装置收集并检验植物光合作用产生的氧气实验验证过程：(1)摘取新鲜绿叶，洗净后放入锥形瓶中，如下图，连接好装置；(2)配制3%的NaHCO3溶液加满整个容器，粗导管中也充满液体，然后塞上小橡皮塞；(3)将上述装置置于太阳光下照射（春秋季节强光下照射1.5小时即可）；(4)当粗导管中充满气体时，打开小橡皮塞，用带火星的木条检验生成的气体。实验结果：收集的气体使带火星的木条复燃，证实产生了（1）把剪碎的枯枝枯叶与淤泥或农家肥混合均匀，如图装入锥形瓶；（2）加入自来水至整个容器，然后塞上小橡皮塞，将上述装置置于实验室1-2天；（3）当粗导管中充满气体时，点燃生成的气体。实验结果：收集的气体可点燃，证实产生气体含有甲烷。点评：上述探究实验是探究和设计一种仪器、装置的多种用途。在上述探究实验的整个探究过程中，也是自始至终都贯穿以学生为主体，同学们进行了大胆的假设，认真的验证。方案由学生自己提出；规律、方法由学生自己去探索；最佳的方案、结论由学生自己寻找、归纳；评价也由学生自己给出。期间学生们充分享受了探索知识和主动学习的快乐，整个探究过程中有效地激发了学生的求异思维和创新意识。综上所述“化学教材中的探究实验设计”在我国当今中学化学教学中有着其极为重要的意义和作用，应引起我们广泛的关注和进一步深入的学习、研究。最后我们可以思考如下讨论题：1．举例说明装置及仪器对反应条件的影响2．还有哪些反应条件值得在我们在教学中进行探究？