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二、從題例看實驗綜合探究題的設計與評價
1.實驗方案的設計內容與類型
(1)實驗方案設計內容
從題例中的五個小問可以看出,實驗綜合探究題方案的設計內容包含了實驗目的與原理、用品與步驟,方法與現象、結果與討論等.就實驗方案設計的內容來說,雖然看上去較多,但高考題很少出現讓考生設計一個完整的較為復雜的實驗方案.如題例中的第 (5)小問,僅要求考生以簡答的形式補充其中的兩個實驗步驟節點.這是由于考慮到中學生能力發展和認知水平.新課程強調,科學探究的學習方式不等于科學家的科學探究,它是在某種程度上學習科學家研究和解決問題的思路來進行學習.所以,一般情況下,實驗綜合探究題實驗方案設計與題例相似,原理與問題大多是現成的.如題例中,由綠礬制備檸檬酸亞鐵的反應原理、相關金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH等都作為信息直接呈現,讓考生去識別與加工.實驗具體操作方法的設計,有的是現成的,有的是開放的,如題例中的第(1)(2)(3)三個小問,讓考生去整合與聯想.實驗探究過程的設計,絕大多數是開放的,有彈性的,如題例中的第(5)小問,雖然是補充其中的兩個實驗步驟節點,但這種補充簡答的設計,是開放的、富有彈性的.要求考生在平時的實驗探究學習過程中,注重實踐、注重操作、注重交流與體驗,才能用扎實的化學基礎知識和基本實驗技能,對綜合實驗方案作出正確的判斷.
(2)實驗方案設計類型
題例從綠礬制備檸檬酸亞鐵的綜合實驗中給出五個小問題,基本涵蓋了目前中學化學綜合探究實驗設計的主要類型,即:物質的組成與性質,物質的制取與性質、分離與提純.就此實驗方案設計的類型來講,題例是物質的制取、分離與提純的探究設計.然而,命題專家考慮到中學生的認識水平和能力,在題例第(3)、(5)這兩小個小問中分別設計了臺階,讓考生的思維既聚焦在設定的問題中,又具有一定的發散性,可能有一個或多個解答途徑;既降低了難度,又使考生的思維得到充分的發展.
2.實驗方案的評價
(1)實驗方案評價原則
對實驗方案的評價,無論是對哪一方面的探究內容進行評價,都應根據探究實驗設計的原則來進行,即從科學性、安全性、可行性和簡約性等方面進行分析,評價正確與錯誤、嚴密與疏漏、規范與隨意等.要分析是否合理、是否經濟高效、是否有干擾因素、是否符合安全環保化學的思想.
像題例中第(1)小問,制備FeCO3時,選用的加料方式及其原因,應從反應物的性質即科學性的角度進行評價.題意中表格所列出的相關金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH已提示,因Na2CO3溶液堿性較強,為了避免生成Fe(OH)2沉淀生成,所以應將Na2CO3溶液緩慢加入到盛有FeSO4溶液的反應容器中.
對于第(3)小問,將制得的FeCO3加入到足量的檸檬酸溶液中,再加入少量的鐵粉,80℃下攪拌反應.對于加入鐵粉的作用,應從生成的產物亞鐵鹽溶液的性質來評價,因為溶液中的Fe2+易被氧化,加入鐵粉可以防止+2價的Fe元素被氧化;對于除去過量鐵粉的方法,不少同學用加入稀硫酸的方法除去鐵粉,這是不對的.只要我們分析一下,此時反應的進程已陳述為“反應結束后”,不是反應開始或反應過程中,反應物檸檬酸溶液呈酸性,目標產物是得到檸檬酸亞鐵.從這幾個節點上來看,既反映了科學性的評價原則,又反映了可行性、簡約性的評價原則,過量的鐵粉無需過濾而除去的方法,很容易聯想到檸檬酸呈酸性,應加入適量的檸檬酸達到除去過量的鐵粉的目的.
在第(4)小問中,反應后溶液經濃縮、加入適量的無水乙醇、靜置、過濾、洗滌、干燥,獲得檸檬酸亞鐵晶體.這時加入無水乙醇的目的,只有從無水乙醇對檸檬酸亞鐵溶解性的影響這個角度來評價.因隨著無水乙醇的加入,水的濃度降低,檸檬酸亞鐵在水中的溶解量減小,有利于檸檬酸亞鐵晶體的析出,這也是實驗評價簡約性原則的具體體現.所以,綜合探究實驗的評價,要分析每一步實驗方案的目的,抓住探究實驗方案設計的評價原則,一定能得到有針對性的評價結果.
(2)實驗方案評價內容
實驗方案評價要從實驗原理、實驗方法、操作步驟、實驗現象、實驗誤差、環境保護等方面來進行分析.但由于受考試時間的限制,高考題很少出現讓考生評價一個完整的較為復雜的實驗方案.像題例是從綠礬制備檸檬酸亞鐵的綜合實驗這一較為復雜的實驗,只提取部分實驗內容讓考生進行評價,體現了新課程“從學生實驗和探究課題的復雜性出發,設計探究的基本要素,確定探究活動的重點環節” 的基本要求.從題例可以看出,盡管檸檬酸亞鐵晶體制備的探究實驗比較復雜,命題專家仍根據實驗探究的基本要素,確定1-2個重點環節讓考生評價.如題例第(5)個小問.以硫鐵礦燒渣(主要成分Fe2O3、SiO2、Al2O3、)出發,結合的綠礬的溶解度曲線,只要求考生補充完整由硫鐵礦燒渣制備FeSO4?7H2O晶體的兩個重要實驗步驟,一是物質的提純與操作方法.既要除去不溶的SiO2,又要除去Fe3+、Al3+,涉及到不止一次的過濾技巧,雖然加入試劑的順序不同,都能達到實驗目的,具有一定的開放性.二是控制實驗條件的方法.從溶解度曲線圖可知,首先要加熱濃縮到60℃并形成飽和溶液,然后冷卻至0℃結晶,過濾后用冰水洗滌,減少FeSO4?7H2O晶體的溶解,低溫干燥減少FeSO4?7H2O晶體失水分解.當然,如果命題專家能在簡答評價節點上讓考生再少寫一些文字,探究實驗的評價效果會更加顯現.
文章編號:1005–6629(2012)7–0064–04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B
考試說明要求:能用正確的化學用語及文字、圖表、模型、圖形等表達化學問題解決的過程和結果,并作出解釋的能力。2011年江蘇化學高考試卷用事實詮釋了上述要求,僅有標號的圖形就有14幅之多,主要是工藝流程圖、曲線坐標圖、實驗裝置圖、模型示意圖等。
如何解讀圖形?筆者認為:首先是識圖,即看懂圖形,了解其意義,搞清其原理,解決“做什么”的問題;其次是研圖,即運用有關知識研究圖形具有的性質,揭示的規律,解決“為什么”的問題;最后是用圖,即利用化學原理和圖形解決“怎么做”的問題。
1 工藝流程圖
工藝流程圖是表示工業生產過程中各個環節進行順序的簡圖,是將生產過程中的主要階段(即流程)用框圖形式表示的圖形。它描述的優點在于能從整體的角度,直觀反映化工生產的過程,有利于過程的分析、評價。
如第16題,以硫鐵礦(主要成分為FeS2)為原料制備氯化鐵晶體(FeCl3·6H2O)的工藝流程(圖1)如下:
解讀:
(1)做什么?對比分析生產流程中的第一種物質(原材料)與最后一種物質(產品),從中找出原料與產品之間的關系,弄清生產流程中原料轉化為產品的過程中依次進行的反應。
明確生產目的:以硫鐵礦(主要成分為FeS2)、空氣、30 %鹽酸、氯氣為原料制備氯化鐵晶體(FeCl3·6H2O)。
弄清反應原理:先將硫鐵礦焙燒:
4FeS2+11O2 2Fe203+8SO2,再將得到的氧化鐵酸溶:Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O,過濾除去不溶性雜質后,通入氯氣氧化后制備氯化鐵晶體。
(2)為什么?每一步除目標物質外還產生了什么雜質或副產物?雜質是否要除去,采用什么方法除去?研圖時要明白:一切反應或操作都是為了獲得產品而服務
本題中,將硫鐵礦焙燒轉化為氧化鐵時產生的SO2,是大氣污染物,必須處理,過濾程序是為了除去不溶性殘渣。本題的主要疑點是:氯氣氧化是為了什么?在此流程中還有什么物質可能被氧化?(只有可能是:Cl2+Fe2+=2Cl-+Fe3+)。至于怎么制備粗品晶體,本題用了省略號,不需深入探究。
(3)怎么做?看清問題,準確規范作答是目的。答題時要看清問題,不能答非所問,要注意語言表達的科學性,要分清實驗操作名稱和具體操作步驟。例如針對第(2)問:酸溶及后續過程中均需保持鹽酸過量,其目的是 、 。
這里的關鍵詞是:酸溶、后續、鹽酸過量。
酸溶的目的是將氧化鐵溶解,而鹽酸要過量,只可能是想使鐵的氧化物盡可能多的轉化,即提高鐵元素的浸出率;后續、酸過量,也就是要保證后續溶液是酸性的,肯定是為了抑制三氯化鐵溶液的水解(抑制Fe3+水解),減少損失,水到渠成。
啟示: 這類題目命題的意圖是,為了拉開差距,考查學生對整道題的理解分析。解題時,要對比分析生產流程中的原料與產品,認清流程圖中每一步的目的,從對比分析中找出原料與產品之間的關系以及前后每一步間的聯系,弄清生產流程過程中原料轉化為產品的基本原理和除雜分離提純產品的操作方法,然后再結合題設的問題,逐一推敲解答。把元素化合物知識與生產工藝、化學平衡原理結合起來,引導中學化學教學關注化學學科的應用性和實踐性,這是新課標倡導的趨勢。
2 坐標曲線圖
坐標曲線圖是借助簡單的線條走向,巧妙表達變化的復雜過程,從而揭示出化學原理本質特征的圖形。因其直觀形象,信息量大,在高考試題中所占比例越來越大。此類試題的特點:(1)化學提供的信息暗示于“標”(縱、橫坐標)、“點”(起點、終點、拐點、極點等)、“線”(曲線變化趨勢及線段比例)之中;(2)圖像中隱含的信息量大,對學生讀圖獲取信息能力的要求較高;(3)由于多變量的存在,要求學生會多角度、多層面去思考和探究問題。
如第19題(部分):高氯酸銨(NH4ClO4)是復合火箭推進劑的重要成分,實驗室可通過下列反應制取:NaClO4(aq)+NH4Cl(aq) NH4ClO4 (aq)+NaCl(aq)。反應得到的混合溶液中,NH4ClO4和NaCl的質量分數分別為0.30和0.l5(相關物質的溶解度曲線見圖2)。從混合溶液中獲得較多NH4ClO4晶體的實驗操作依次為(填操作名稱): 干燥。
解讀:
(1)做什么?實驗操作的目的是通過反應獲取較多NH4ClO4晶體。所依據的是物質的溶解度曲線。這是一個雙縱坐標圖,橫坐標為溫度,左縱坐標表示的是NH4Cl、NaCl和NH4ClO4的溶解度,右縱坐標表示的是NaClO4的溶解度,從數據來看,NaClO4的溶解度遠大于前三者的。
(2)為什么?低溫時高氯酸銨的溶解度最小而從溶液中析出,使反應能向生成高氯酸銨的方向進行。排除圖中NaClO4 和NH4Cl的干擾曲線,可以看出:高氯酸銨的溶解度受溫度變化影響較大,而NaCl的溶解度受溫度變化影響不大,故可用降溫(冷卻)結晶的方法。本題值得研究的是:把反應得到的混合溶液中NH4ClO4和NaCl的質量分數分別為0.30和0.l5作為已知條件的目的是什么?要想通過降溫結晶得到NH4ClO4晶體,NaCl晶體不能析出,從圖中可知,20 ℃左右飽和氯化鈉溶液的質量分數約為26.5 %,遠大于15 %,為了降溫過程中析出更多的高氯酸銨晶體,必須先將溶液蒸發濃縮。
(3)怎么做?本題的關鍵是“獲得較多”晶體。因為高氯酸銨的溶解度隨著溫度降低而降低,所以洗滌用水的溫度越低,損失越少。綜合可知本題答案為:蒸發濃縮,冷卻結晶,過濾,冰水洗滌。
再如第 20題(部分):氫氣是一種清潔能源,氫氣的制取與儲存是氫能源利用領域的研究熱點。H2O的熱分解也可得到H2,如圖3所示。圖中A、B表示的物質依次是 。
解讀:本題是要求學生,從高溫下水分解體系中主要氣體的體積分數與溫度的關系圖中判斷A、B表示的物質分別是什么(做什么?)。由圖像知,隨著體系溫度的升高,水的含量逐漸減少,至5000 K是為0,水受熱分解為H2和O2是同學們熟知的反應,從圖中看出,從2000 K到5000 K,水受熱分解系中各物質量的變化情況。這就是我們要研究的(為什么?)。結合氣體的A、B的體積分數,可知在6000 K時,水完全轉變成了A、B,且A、B的體積分數約是2/3、1/3。答案就只有一個了:在很高溫度條件下,氫氣和氧氣受熱分裂成氫原子和氧原子(怎么做?)。
啟示:解坐標曲線圖,一要看清橫、縱坐標代表的含義,理解圖示化學曲線的意義;能否充分挖掘圖給信息和巧妙利用暗示條件對正確而迅速的解題起著關鍵作用;二要理清圖像變化的趨勢,重點把握起點、拐點、終點;突破口在于抓住圖像中關鍵點的含義,在此基礎上結合化學原理做出正確的判斷。
3 模型示意圖
模型示意圖是用簡明、形象、直觀的圖形說明知識結構和內涵,揭示化學變化規律的一種略圖。它能將復雜的事物形象直觀地表達出來,化抽象為具體、變復雜的文字敘述為簡捷的圖示,降低了人們認識客觀事物的難度,其價值在于“型簡意深”。模型示意圖對精度要求不高,著重在“意”字上下功夫。解讀時重在“以型通理”,就是指通過標題了解某圖所反映的化學事物的內容后,要深入分析其中蘊含的“理”。
如第20題(4):電解尿素[CO(NH2)2]的堿性溶液制氫的裝置示意圖見圖4(電解池中隔膜僅阻止氣體通過,陰、陽極均為惰性電極)。電解時,陽極的電極反應式為 。
解讀:
(1)做什么?該題要求考生從電解模型示意圖入手,寫出電解時陽極反應式。該圖與蘇教版《選修4:化學反應原理》(圖5)電解飽和食鹽水原理示意圖極為相似。
(2)為什么?如果同學能從以下幾個方面思考:
①陰、陽極的材料是什么?是活性電極還是惰性電極?
②陽極區、陰極區各有什么離子?
③在直流電的作用下,離子會怎樣的移動?
④隔膜的作用是什么?
⑤陽極區、陰極區產生的物質是什么?
⑥指出電極產物并寫出化學反應方程式。
至此,不僅能有效地解決離子移動方向的問題,同時也能明確在陰、陽極分別發生的得、失電子過程。這一分析思路還可幫助學生認識其他的電解裝置提出思維路徑。
(3)怎么做?由于陽極材料是惰性電極,而隔膜僅能阻隔氣體的通過,不影響溶液中離子和分子的通過,所以整個的電解質溶液應該是尿素KOH溶液,在直流電的作用下,OH-應該向陽極移動,溶液中的H+應該向陰極移動的,陽極區的的氣體N2,肯定是尿素失去電子被氧化的產物。另一種產物是什么?1 mol尿素[CO(NH2)2]能失去幾摩爾電子?學生就感覺到困難了,這就需要知道,尿素中的碳為+4價、氧為-2價、氫為+1價、氮為-3價,應該是-3價的氮失去電子。至此,不難寫出:CO(NH2)2+8OH--6e-=CO32-+N2+6H2O
啟示:高考題中的示意圖,往往是課本實驗示意圖的改進和優化。對教材上一些重要的示意圖要關注,加深理解。另外,要關注生活,適度加強綜合訓練與提升。
4 實驗裝置圖
實驗裝置圖能直觀地告訴學生,本實驗用的儀器,某些反應物的狀態和名稱,需要學生結合一定的化學知識去辨別實驗裝置圖中隱含的秘密。若學生用“死記硬背”的方法來解決考題中的實驗問題,結果肯定是低效的。因此,教師在化學教學中,應該重視感性與理性的結合 ,重視實物與裝置圖的對比。高考中實驗對裝置圖的考查一般是從兩個方面進行的:一是實驗裝置中儀器的選擇、搭配、使用是否合理;二是對實驗裝置使用的注意事項、各部分儀器的作用及評價進行考查。
如第7題中,判斷實驗室用圖6所示裝置制取少量氨氣是否正確。制氣裝置由反應物狀態(固體或液
體)和反應條件(常溫或加熱)決定的,將濃氨水滴入氧化鈣固體中,會發生反應:CaO+NH3·H2O=Ca(OH)2+ NH3,故制氣原理和裝置是正確的。收集氨氣用向下排空氣法也是沒有問題的,但收集的試管帶塞子將無法收集到氨氣。
又如第19題(3):樣品中NH4ClO4的含量可用蒸餾法進行測定,蒸餾裝置如圖7所示(加熱和儀器固定裝置已略去)。
實驗步驟如下:
步驟1:按圖7所示組裝儀器,檢查裝置氣密性。
步驟2:準確稱取樣品a g(約0.5 g)于蒸餾燒瓶中,加入約150 mL水溶解。
步驟3:準確量取40.00 mL約0.1 mol·L-1 H2SO4置于錐形瓶中。
步驟4:經分液漏斗向蒸餾瓶中加入20 mL 3 mol·L-1 NaOH 溶液。
步驟5:加熱蒸餾至蒸餾燒瓶中剩余約100 mL溶液。
步驟6:用新煮沸過的水沖洗冷凝裝置2~3次,洗滌液并入錐形瓶中。
步驟7:向錐形瓶中加入酸堿指示劑,用c mol·L-1 NaOH標準溶液滴定至終點,消耗NaOH標準溶液V1 mL。
步驟8:將實驗步驟1-7重復2次。
①步驟3中,準確量取40.00 mL H2SO4 溶液的玻璃儀器是 。
②步驟1~7中,確保生成的氨被稀硫酸完全吸收的實驗是 (填寫步驟號)。
③為獲得樣品中NH4ClO4 的含量,還需補充的實驗是 。
解讀:
(1)做什么?
目的:用蒸餾法測定樣品中NH4ClO4的含量。
原理:NH4ClO4+NaOH NaClO4+NH3+H2O,將生成的氨氣蒸餾出來用H2SO4溶液吸收,用NaOH溶液滴定剩余的H2SO4。
裝置:蒸餾裝置、滴定裝置,量取裝置:在中學階段,讀數能準確到0.01 mL的儀器只能是滴定管,而盛放硫酸溶液的,只能是酸式滴定管。
(2)為什么?要想確保生成的氨被稀硫酸完全吸收,就要做到裝置不能漏氣,要讓生成的氨氣盡可能全部逸出,不能讓生成的氨氣殘留在儀器的內壁上等。選出步驟1、5、6也是可能的,如果思維不夠嚴密,可能會漏選。
(3)怎么做?對于問題③,很多考生考后也不知道怎么回答,因為在高中化學教學中空白試驗和溶液的標定是沒有出現的,而在該題中已經做了樣品的平行測定。若想要同學們找出“約0.1 mol·L-1 H2SO4 硫酸溶液”而進行標定是很難的。加上答題時語言表達不夠嚴密,易導致失分嚴重。該題應該是超出了中學化學教學要求的。
啟示:高考題中的化學實驗題所涉及的裝置圖的考查,往往是課本實驗裝置的改進和優化,源于課本,但又高于課本。因此在平時的教學中,應掌握好常規實驗裝置,如制Cl2、制O2、制NH3、制乙酸乙酯等,并能評價實驗裝置的優缺點。高考考查的知識點和基本的思維點也來源于課。因此實驗題的“根”在課本,可見我們應該“把根留住”,透析課本每一個演示實驗和學生實驗。解答實驗操作題不會時思考一下生活中有無類似的問題,是如何處理的。對比裝置圖的區別,評價優缺點所在。
以圖形為載體的化學試題在各地高考化學試卷中出現的次數多,分布廣,在化學實驗、化學基本原理、化學計算等方面都有體現。要順利地解決這類試題,要有扎實的化學基礎知識,并充分挖掘圖形中隱含的條件,即注重圖中信息的獲取,找出圖中信息和要求解答的問題之間的內在聯系,找到解決問題的突破口,一定會收到事半功倍之效。
參考文獻:
關鍵詞:實驗改進;創新設計;化學實驗
中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:A 文章編號:1992-7711(2013)29-0073
中學化學教學的魅力在于化學實驗,以實驗為基礎開展化學教學已成為所有化學教師的共識。那么,怎樣才能有效地發揮實驗在化學教學中的作用,以適應培養學生創新能力的需求呢?隨著時代的進步,課堂教學內容的調整和教學目標的改變,對化學實驗進行不斷改進和創新,化學實驗才能充滿生命和活力,保持其在化學教學中的獨特魅力。同時,教師的改進實驗的創新意識也會給學生以潛移默化的影響,激活學生的創新思維。在教學中,我們教師就得考慮對實驗進行改進和創新,才能起到事半功倍的效果。
一、對既危險又浪費資源的實驗的安全節約改進設計
1. 金屬鈉的燃燒
在學生分組實驗中,按課本中介紹的方法,實驗過程中可能引起爆炸,十分危險,還會損壞很多玻璃管或蒸發皿。如選用石棉網,實驗后的石棉網肯定被燒壞,不能再次使用,造成很大的安全隱患和資源浪費。
為此,在實驗中可以改用鋁片作實驗儀器。具體操作方法:把鋁片剪成圓形,用手捏成蒸發皿狀,將一綠豆大小的鈉,吸干煤油后放在鋁蒸發皿中,將鋁蒸發皿置于三角架上,用酒精燈加熱,鈉很快便熔化、燃燒。改進后的實驗很容易觀察燃燒的現象和產物的色態,金屬鈉也不會爆炸和飛濺出來,比較安全,冷卻后將鋁片清洗干凈還可再用,節約資源。
2. 氯氣還是次氯酸具有漂白性
課本在處理有關氯氣還是次氯酸具有漂白性的問題時,介紹通過讓氯氣通過干燥的有色布(紙)條不褪色,然后再通過濕潤的有色布(紙)條褪色,以此來說明使布(紙)條褪色的不是氯氣,而是氯氣與水反應的產物次氯酸,由此說明氯氣無漂白性而是次氯酸有漂白性。這樣做要帶氯氣的發生裝置上講堂,要用很多集氣瓶和導氣管,要用堿液吸收尾氣,很可能漏氣污染環境,十分危險、麻煩、累人,并且浪費很多氯氣等資源。
為此,在實驗中筆者進行創新設計,改用在課前事先用5cm以上的高度無色透明的集氣瓶收集干燥的氯氣并用塞子塞緊,準備長5cm左右的有色布(紙)條。實驗時取有色布(紙)條一端1cm左右先蘸點兒水濕潤并甩干,要保證不蘸水的部分絕對干燥,然后打開裝有氯氣的集氣瓶的塞子,將布(紙)條伸入集氣瓶內,把塞子迅速蓋上(以防氯氣溢出污染環境),并讓塞子夾住布(紙)條干燥的上端,不讓布(紙)條落入集氣瓶中(以便于稍后觀察),當然要保證伸入集氣瓶中接觸氯氣的布(紙)條既有濕潤部分也有干燥部分,就可觀察到布(紙)條濕潤的部分立即褪色,干燥的部分不褪色,接下來還可拿著此集氣瓶巡堂讓學生近距離觀看。實驗現象明顯,由此對比不是更能說明氯氣無漂白性而是次氯酸有漂白性,而且用過的氯氣還可以用于下一個班的氯氣與銅的反應實驗,真是既能節約資源又能夠達到演示實驗目的。又何樂而不為呢?
當然很久以后伸入集氣瓶的布(紙)條干燥的部分也會完全褪色,因為布(紙)濕潤的部分的水會在集氣瓶內揮發或滲透使干燥的布(紙)條全部濕潤,所以演示完實驗后應該不讓學生再觀察此集氣瓶,宜收藏起來,以免引起不必要的誤解。
二、難于成功的實驗的成功簡便改進
1. 鋁與水的反應
鋁雖然是活潑金屬,但由于表面上覆蓋了一層致密的氧化膜,阻止氧氣和水繼續與其反應,因而鋁具有較強的抗腐蝕性,通常不與水反應。根據鋁的活潑性,除去氧化膜后的鋁與水反應的現象應該很明顯,但實驗發現,幾乎沒有什么現象,更談不上收集氫氣并進行檢驗,以至于學生懷疑鋁能否與水反應。
為此,筆者對該實驗進行了探究和設計,不僅能清楚地觀察到實驗現象,還能收集并檢驗生成的氫氣。取3片0.5cm2寬的干凈鋁片放入小試管,加入3 cm蒸餾水,然后加3滴酚酞試液,加熱3min即可觀察到水溶液顯粉紅色。反應后水溶液顯堿性可說明鋁已經和水反應生成堿,因為是鋁和水的反應,該堿應該是氫氧化鋁,再根據原子守恒可推知反應還生成氫氣。若要收集得到較多的氫氣,可向該試管中加入0.5mL的氯化汞溶液放置片刻,傾去溶液后,用水洗滌鋁片2~3次,再加水2~3毫升,鋁能跟水發生反應,有氣體放出,如果現象不明顯,可微微加熱,因為汞能與鋁結合成鋁汞齊,擴大鋁與水的接觸面積,使反應加快,可以很快收集到氫氣,另外用試管收集氫氣即可點燃。
值得注意的是氫氧化鋁難溶于水,應該先加酚酞再加熱,以便氫氧化鋁一生成就與酚酞充分接觸使酚酞顯色,否則也很難觀察到酚酞變紅。最后如果點燃氫氣也要另外用試管收集再點燃,以防爆炸和反應試管中的重金屬鹽氯化汞濺出,傷及人員。
2. 制取乙烯的新法
課本介紹用濃硫酸與無水乙醇混合加熱制取乙烯,用此法制取乙烯,由于濃硫酸具有較強的氧化性,反應時濃硫酸不僅具有脫水和催化作用,而且也很容易使乙醇被碳化變黑,同時生成二氧化硫污染環境,并且溫度要求的范圍也比較窄,副反應較多浪費資源。
為了改變以上不足,如果在僅僅需要制取乙烯的條件下,那么筆者覺得完全可以用另一種藥品代替濃硫酸,完全可以起到催化和脫水的作用,又可以避免濃硫酸的缺點。這種藥品就是五氧化二磷(粉末或已吸水呈粘稠狀的都可以,絕對不能用磷酸的稀溶液),五氧化二磷吸水后,生成濃磷酸也可以作催化劑。
實驗改為可以將lg五氧化二磷與約5m1乙醇均勻混合代替濃硫酸與乙醇的混合物。其他依照課本,當然甚至連溫度計也可以不要,因為本實驗要求的溫度并不嚴格,略微加熱便可產生平穩的乙烯氣流,滿足乙烯的性質實驗需要,乙醇不會碳化變黑,也不生成二氧化硫污染環境。把氣體通入溴水,紅棕色溴水很快褪色,通入酸性高錳酸鉀溶液,紫色高錳酸鉀溶液褪色。點燃產生的氣體,能平穩燃燒,火焰大又高,能觀察到明顯的黑煙。
當然了,此法只是作為一種方法而已,如果為了達到實驗目的是完全可以使用的,如果要以考試目的來介紹乙烯的實驗室制法,此法并不在考試范圍,介紹此法還得斟酌再三而后行,所以用此法制取乙烯就一定要把握授課的尺度和技巧,以不增加學生負擔為標準。
3. 乙炔的實驗室制法與燃燒
乙炔的制備實驗,按現行教材的裝置和方法,實驗過程中存在以下幾點不足:電石和飽和的食鹽水的反應,速度仍然相當快,難于控制。產生的乙炔氣體混有磷化氫、硫化氫等雜質而有特殊難聞的臭味,直接排放到空氣中會污染環境,并且不能讓學生聞到純乙炔的無味。點燃乙炔這種可燃性氣體需要驗純,否則容易引起爆炸的危險。
為了消除磷化氫、硫化氫雜質的干擾和污染,又由于磷化氫、硫化氫容易和銅離子反應生成沉淀,所以改用飽和硫酸銅溶液代替飽和食鹽水制取乙炔。經過嘗試發現這樣制得的乙炔基本無氣味,符合理論上乙炔的無氣味,而且通過酸性高錳酸鉀溶液和溴水后的尾氣排至空氣中,污染肯定大大減少。
乙炔可以燃燒,可是乙炔并不像氫氣那樣瞬間即燃燒完畢,而是較緩慢地燃燒。檢驗乙炔純度時,乙炔靠近酒精燈火焰可以慢慢燃燒,并且可以觀察到乙炔燃燒產生大量的黑煙,試管口留下大量煙炱。所以乙炔燃燒可以改為直接點燃用試管收集到的乙炔,效果與點燃從發生裝置的導氣管出來的乙炔一樣,也能說明乙炔燃燒很不充分,但是絕對不用擔心有爆炸的危險。
化學實驗的改進和創新方法遠不止上文提到的這些,在實際對實驗的創新和改進過程中,所使用的方法并不是單一的,往往是多種方法交融并串的綜合應用。化學實驗的改進和創新永無止境,各種現代化媒體與化學實驗的結合為實驗創新提供了廣闊的領域,只要我們勤于探索、勇于開拓,一定會有更多更合理的創新實驗產生。
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