李德前+朱曉偉

定量型實驗是化學(xué)實驗課程教育體系中的重要組成部分，它能有效地引導(dǎo)學(xué)生從量的角度認(rèn)識物質(zhì)的組成、性質(zhì)及其變化規(guī)律;但現(xiàn)行九年級化學(xué)課本中的實驗大多是定性實驗[1]，定量型實驗很少（如測量空氣中氧氣體積含量、配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液、驗證質(zhì)量守恒定律等）。近年來，筆者利用一些常規(guī)儀器（如電子天平、量筒等）、替代品（如注射器、塑料瓶等）和傳感器，從定量的角度對一些初中化學(xué)定性實驗進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。創(chuàng)新后的實驗既能用于課堂演示，又能作為課外探究活動素材，而且教學(xué)效果顯著。

一、“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的實驗

各種版本的九年級化學(xué)教科書都是直接告訴學(xué)生“二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大”，并在“二氧化碳?xì)怏w熄滅蠟燭火焰”的實驗中順便進(jìn)行驗證。筆者巧妙利用電子天平設(shè)計出了驗證“二氧化碳?xì)怏w密度比空氣大”的實驗。

（一）實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置見圖1[2]，其中電子天平的量程為100g、精確度為10mg。

（二）實驗操作

（1）在500 mL的塑料瓶里，用向上排空氣法收集一瓶二氧化碳?xì)怏w，再將瓶蓋旋緊。

（2）把盛滿二氧化碳?xì)怏w的塑料瓶放到電子天平上稱量，顯示的測量值約是25.31 g。

（3）取下塑料瓶，打開瓶蓋，倒立塑料瓶一會兒，以倒出其中的二氧化碳?xì)怏w（同時空氣進(jìn)入瓶中）;估計塑料瓶內(nèi)二氧化碳?xì)怏w已全部倒出，再把盛滿空氣的塑料瓶放回電子天平上進(jìn)行第二次稱量，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)減小了，約為25.10g。

（三）實驗結(jié)論

盛滿二氧化碳?xì)怏w的塑料瓶在倒出二氧化碳?xì)怏w后質(zhì)量明顯減少，說明二氧化碳?xì)怏w比同體積的空氣質(zhì)量大，即二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大。另外，也說明二氧化碳?xì)怏w可以像液體那樣傾倒。

（四）幾點(diǎn)說明

（1）二氧化碳?xì)怏w不能用排水法收集，因為潮濕的二氧化碳?xì)怏w中含有的水分會嚴(yán)重干擾實驗結(jié)果。

（2）塑料瓶盡量使用廣口的，這樣有利于二氧化碳?xì)怏w快速、徹底地倒出。

（3）本實驗兩次稱量的質(zhì)量差（0.21g）小于理論值（0.34g），是因為向上排空氣法收集的二氧化碳?xì)怏w中含有較多的空氣，但這并不影響實驗結(jié)果。

二、“二氧化碳?xì)怏w溶于水”的實驗

九年級化學(xué)教科書上多用塑料瓶做“二氧化碳溶于水”的實驗，這樣設(shè)計需要的二氧化碳?xì)怏w多，而且實驗過程中學(xué)生看到的是塑料瓶略有變癟，不能顯示二氧化碳?xì)怏w在一定量水里溶解的多少[3]。其實，只要把塑料瓶換成可計量儀器“注射器”，不僅能避開課本實驗的不足，還能直觀地顯示二氧化碳?xì)怏w在一定量水里溶解的多少。

（一）實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置見圖2，其中注射器為30mL的玻璃材質(zhì)注射器。

（二）實驗操作

（1）取規(guī)格是30 mL的玻璃注射器，緩緩吸入10mL的二氧化碳?xì)怏w，再緩緩吸入10mL剛冷卻的涼開水（此時注射器活塞處于20mL刻度處）。

（2）將注射器針頭扎入橡皮塞（封閉注射器針管），稍稍用力振蕩針筒里的氣、水混合物十來次;停止振蕩后，注射器活塞會緩緩向前移動，最終停留在大約12mL刻度處。

（三）實驗結(jié)論

上述實驗現(xiàn)象說明，10mL的水約能溶解8 mL的二氧化碳?xì)怏w，即1體積水約能溶解0.8體積的二氧化碳?xì)怏w。

（四）兩點(diǎn)說明

（1）所用二氧化碳?xì)怏w盡量使用排水法收集，從而提高其純度，減小實驗誤差。

（2）要確?；钊麧櫥粤己谩?/p>

三、“二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”的實驗

目前的“二氧化碳?xì)怏w與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”的實驗，大多通過“驗證碳酸鹽存在”“對比實驗”等方法排除氫氧化鈉溶液中水的干擾，這不失為實驗良策。筆者從定量的視角，對該實驗進(jìn)行了創(chuàng)新。

（一）實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置見圖3[4]，其中的集氣瓶是60mL（實際容積約是78mL）。

（二）實驗操作

（1）按圖3裝好藥品、連好儀器，并確保裝置氣密性良好。

（2）先將2mL的濃氫氧化鈉溶液一次性擠入集氣瓶，然后輕輕振蕩集氣瓶，50 mL酒精很快就能全部噴入集氣瓶里。

（三）現(xiàn)象分析

2mL氫氧化鈉溶液中約含有2mL的水，這些水通常能吸收2mL的二氧化碳?xì)怏w，那么另外減少的48mL二氧化碳?xì)怏w無疑是與氫氧化鈉反應(yīng)了。

（四）兩點(diǎn)說明

（1）實驗中的酒精也能換用飽和碳酸氫鈉溶液（不能用水，因為水能溶解二氧化碳?xì)怏w）。

（2）本實驗中只要噴入集氣瓶里的酒精體積明顯多于氫氧化鈉溶液中水的體積，就能說明氫氧化鈉溶液與二氧化碳?xì)怏w發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

四、“一氧化碳的還原性”實驗

按照九年級化學(xué)教科書上的方法做“一氧化碳還原性”實驗，困擾教師的最大問題是，不能及時知道玻璃管內(nèi)的空氣何時排完。為了保證實驗安全，實驗者大都較長時間地通入過量的一氧化碳?xì)怏w，這樣既浪費(fèi)藥品，也影響課堂教學(xué)效率。筆者對該實驗的“排空氣操作”進(jìn)行定量化設(shè)計后，圓滿地解決了這個疑難問題。

（一）實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置見圖4，其中的長柄V形玻璃管是用外徑10mm的硬質(zhì)玻璃管加工而成的微型儀器[5]，其容積約是20mL。

（二）實驗操作

（1）按圖4裝好藥品、連好儀器，確保裝置的氣密性良好。

（2）輕輕推動注射器活塞，向長柄V形玻璃管里緩緩?fù)ㄈ胍谎趸細(xì)怏w（由于玻璃管較細(xì)，一氧化碳?xì)怏w能充滿整個玻璃管，從而有利于空氣的排出）;當(dāng)通入20mL一氧化碳?xì)怏w時（這部分一氧化碳?xì)怏w穿過石灰水后進(jìn)入小氣球中儲存起來），說明長柄V形玻璃管內(nèi)的空氣已經(jīng)排完。endprint

（3）點(diǎn)燃酒精燈加熱氧化銅，繼續(xù)緩緩?fù)迫胍谎趸細(xì)怏w;約1分鐘后澄清的石灰水變渾濁，約3分鐘后氧化銅全部變紅。

（4）此時熄滅酒精燈，停止通入一氧化碳?xì)怏w;讓紅色粉末在充滿一氧化碳?xì)怏w的玻璃管中逐漸冷卻（石灰水不會倒流）;等到玻璃管冷卻至室溫，拆開實驗裝置，處理尾氣（直接點(diǎn)火燒掉）。

（三）兩點(diǎn)說明

（1）長柄V形玻璃管盡量細(xì)一些（用外徑9 mm左右的玻璃管加工），這樣有利于空氣排出。

（2）也可以使用如圖5的實驗裝置，其中的排空氣操作是：

輕輕打開玻璃旋塞少許（注意控制氣流），氣球中的一氧化碳?xì)怏w能自動地緩緩進(jìn)入長柄V形玻璃管內(nèi)（這部分一氧化碳?xì)怏w穿過石灰水后進(jìn)入注射器針筒里儲存起來）;當(dāng)注射器活塞移至20mL刻度時，說明長柄V形玻璃管里的空氣已基本排完，此時可以對氧化銅進(jìn)行加熱了。

五、“探究分子運(yùn)動”的實驗

按照九年級化學(xué)教科書上設(shè)計的方法探究分子運(yùn)動時，雖然實驗現(xiàn)象明顯，但氨水的用量大、實驗不夠環(huán)保。筆者借助于氧氣傳感器去探究分子的運(yùn)動情況，不僅再現(xiàn)了分子運(yùn)動，還反映出影響分子運(yùn)動快慢的外界因素，從而幫助學(xué)生直觀認(rèn)識微粒的基本性質(zhì)。

（一）實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置見圖6，其中的氧氣傳感器是朗威牌、數(shù)據(jù)處理軟件是DISLab 6.9。

（二）實驗操作

（1）用向上排空氣法在500 mL塑料瓶里集滿氧氣，再旋緊瓶蓋;然后按照圖6所示，將實驗用品連接起來。

（2）打開瓶蓋，保持塑料瓶的瓶口向上，點(diǎn)擊氧氣傳感器“開始”按鈕，數(shù)據(jù)處理軟件能將氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況，通過計算機(jī)真實地記錄下來。

（3）約130s后，用雙手緊握塑料瓶外壁（仍保持瓶口向上），微熱瓶內(nèi)氧氣，通過數(shù)據(jù)處理軟件記錄氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

（4）約250s左右，松開雙手，把塑料瓶翻轉(zhuǎn)180°，繼續(xù)通過數(shù)據(jù)處理軟件記錄氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況。

（5）將采集的實驗數(shù)據(jù)繪成“氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時間變化”的曲線（見圖7）。AB段（常溫下瓶口向上）：氧氣的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，即氧氣不斷逸出塑料瓶。BC段（常溫下瓶口向上微熱氧氣）：氧氣逸出塑料瓶的速率明顯加快。CD段（常溫下瓶口向下）：氧氣逸出塑料瓶的速率進(jìn)一步加快。

（三）實驗結(jié)論

（1）上述實驗數(shù)據(jù)充分說明，分子在不斷運(yùn)動;溫度升高，分子運(yùn)動速率加快;密度比空氣大的氣體，其分子向下運(yùn)動的速率大于向上運(yùn)動的速率。

（2）延伸可知，密度比空氣大的氣體要用向上排空氣法收集，盛有密度比空氣大的氣體的集氣瓶必須正立。

（四）一點(diǎn)說明

本實驗中的氧氣也可以更換為二氧化碳?xì)怏w，利用二氧化碳傳感器也能完成實驗。

六、結(jié)束語

總之，把初中化學(xué)定性實驗定量化處理，設(shè)計成科學(xué)、新穎、有趣的定量型實驗，既能引導(dǎo)學(xué)生對化學(xué)概念和原理進(jìn)行精確化延伸，又能有效地啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法從定量的角度分析、解決有關(guān)的化學(xué)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳萍.初中化學(xué)實驗中學(xué)生定量思維培養(yǎng)策略的研究[D].北京：首都師范大學(xué)，2013.

[2] 李德前.二氧化碳性質(zhì)實驗的改進(jìn)二則[J].實驗教學(xué)與儀器，2004（12）：14-15.

[3] 李德前.“CO2溶于水”的實驗設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2003（6）：12.

[4] 陳立銘，李德前. 基于量的角度設(shè)計“氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)”的實驗[J].化學(xué)教育，2014（23）：50-51.

[5] 李德前，杜玉芬. 巧用長柄V形玻璃管改進(jìn)和設(shè)計化學(xué)實驗[J].化學(xué)教學(xué)，2013（8）：41-43.endprint