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二、從題例看實(shí)驗(yàn)綜合探究題的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)
1.實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容與類(lèi)型
(1)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
從題例中的五個(gè)小問(wèn)可以看出,實(shí)驗(yàn)綜合探究題方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容包含了實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理、用品與步驟,方法與現(xiàn)象、結(jié)果與討論等.就實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容來(lái)說(shuō),雖然看上去較多,但高考題很少出現(xiàn)讓考生設(shè)計(jì)一個(gè)完整的較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案.如題例中的第 (5)小問(wèn),僅要求考生以簡(jiǎn)答的形式補(bǔ)充其中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟節(jié)點(diǎn).這是由于考慮到中學(xué)生能力發(fā)展和認(rèn)知水平.新課程強(qiáng)調(diào),科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式不等于科學(xué)家的科學(xué)探究,它是在某種程度上學(xué)習(xí)科學(xué)家研究和解決問(wèn)題的思路來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí).所以,一般情況下,實(shí)驗(yàn)綜合探究題實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與題例相似,原理與問(wèn)題大多是現(xiàn)成的.如題例中,由綠礬制備檸檬酸亞鐵的反應(yīng)原理、相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH等都作為信息直接呈現(xiàn),讓考生去識(shí)別與加工.實(shí)驗(yàn)具體操作方法的設(shè)計(jì),有的是現(xiàn)成的,有的是開(kāi)放的,如題例中的第(1)(2)(3)三個(gè)小問(wèn),讓考生去整合與聯(lián)想.實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程的設(shè)計(jì),絕大多數(shù)是開(kāi)放的,有彈性的,如題例中的第(5)小問(wèn),雖然是補(bǔ)充其中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟節(jié)點(diǎn),但這種補(bǔ)充簡(jiǎn)答的設(shè)計(jì),是開(kāi)放的、富有彈性的.要求考生在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)過(guò)程中,注重實(shí)踐、注重操作、注重交流與體驗(yàn),才能用扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能,對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)方案作出正確的判斷.
(2)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)類(lèi)型
題例從綠礬制備檸檬酸亞鐵的綜合實(shí)驗(yàn)中給出五個(gè)小問(wèn)題,基本涵蓋了目前中學(xué)化學(xué)綜合探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要類(lèi)型,即:物質(zhì)的組成與性質(zhì),物質(zhì)的制取與性質(zhì)、分離與提純.就此實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的類(lèi)型來(lái)講,題例是物質(zhì)的制取、分離與提純的探究設(shè)計(jì).然而,命題專(zhuān)家考慮到中學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平和能力,在題例第(3)、(5)這兩小個(gè)小問(wèn)中分別設(shè)計(jì)了臺(tái)階,讓考生的思維既聚焦在設(shè)定的問(wèn)題中,又具有一定的發(fā)散性,可能有一個(gè)或多個(gè)解答途徑;既降低了難度,又使考生的思維得到充分的發(fā)展.
2.實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)
(1)實(shí)驗(yàn)方案評(píng)價(jià)原則
對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià),無(wú)論是對(duì)哪一方面的探究?jī)?nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià),都應(yīng)根據(jù)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則來(lái)進(jìn)行,即從科學(xué)性、安全性、可行性和簡(jiǎn)約性等方面進(jìn)行分析,評(píng)價(jià)正確與錯(cuò)誤、嚴(yán)密與疏漏、規(guī)范與隨意等.要分析是否合理、是否經(jīng)濟(jì)高效、是否有干擾因素、是否符合安全環(huán)保化學(xué)的思想.
像題例中第(1)小問(wèn),制備FeCO3時(shí),選用的加料方式及其原因,應(yīng)從反應(yīng)物的性質(zhì)即科學(xué)性的角度進(jìn)行評(píng)價(jià).題意中表格所列出的相關(guān)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(qiáng),為了避免生成Fe(OH)2沉淀生成,所以應(yīng)將Na2CO3溶液緩慢加入到盛有FeSO4溶液的反應(yīng)容器中.
對(duì)于第(3)小問(wèn),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(yīng).對(duì)于加入鐵粉的作用,應(yīng)從生成的產(chǎn)物亞鐵鹽溶液的性質(zhì)來(lái)評(píng)價(jià),因?yàn)槿芤褐械腇e2+易被氧化,加入鐵粉可以防止+2價(jià)的Fe元素被氧化;對(duì)于除去過(guò)量鐵粉的方法,不少同學(xué)用加入稀硫酸的方法除去鐵粉,這是不對(duì)的.只要我們分析一下,此時(shí)反應(yīng)的進(jìn)程已陳述為“反應(yīng)結(jié)束后”,不是反應(yīng)開(kāi)始或反應(yīng)過(guò)程中,反應(yīng)物檸檬酸溶液呈酸性,目標(biāo)產(chǎn)物是得到檸檬酸亞鐵.從這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上來(lái)看,既反映了科學(xué)性的評(píng)價(jià)原則,又反映了可行性、簡(jiǎn)約性的評(píng)價(jià)原則,過(guò)量的鐵粉無(wú)需過(guò)濾而除去的方法,很容易聯(lián)想到檸檬酸呈酸性,應(yīng)加入適量的檸檬酸達(dá)到除去過(guò)量的鐵粉的目的.
在第(4)小問(wèn)中,反應(yīng)后溶液經(jīng)濃縮、加入適量的無(wú)水乙醇、靜置、過(guò)濾、洗滌、干燥,獲得檸檬酸亞鐵晶體.這時(shí)加入無(wú)水乙醇的目的,只有從無(wú)水乙醇對(duì)檸檬酸亞鐵溶解性的影響這個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià).因隨著無(wú)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(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)約性原則的具體體現(xiàn).所以,綜合探究實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià),要分析每一步實(shí)驗(yàn)方案的目的,抓住探究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)原則,一定能得到有針對(duì)性的評(píng)價(jià)結(jié)果.
(2)實(shí)驗(yàn)方案評(píng)價(jià)內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)方案評(píng)價(jià)要從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、操作步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)誤差、環(huán)境保護(hù)等方面來(lái)進(jìn)行分析.但由于受考試時(shí)間的限制,高考題很少出現(xiàn)讓考生評(píng)價(jià)一個(gè)完整的較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案.像題例是從綠礬制備檸檬酸亞鐵的綜合實(shí)驗(yàn)這一較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),只提取部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓考生進(jìn)行評(píng)價(jià),體現(xiàn)了新課程“從學(xué)生實(shí)驗(yàn)和探究課題的復(fù)雜性出發(fā),設(shè)計(jì)探究的基本要素,確定探究活動(dòng)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)” 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(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜,命題專(zhuān)家仍根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的基本要素,確定1-2個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)讓考生評(píng)價(jià).如題例第(5)個(gè)小問(wèn).以硫鐵礦燒渣(主要成分Fe2O3、SiO2、Al2O3、)出發(fā),結(jié)合的綠礬的溶解度曲線,只要求考生補(bǔ)充完整由硫鐵礦燒渣制備FeSO4?7H2O晶體的兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)步驟,一是物質(zhì)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(guò)濾技巧,雖然加入試劑的順序不同,都能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哂幸欢ǖ拈_(kāi)放性.二是控制實(shí)驗(yàn)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(jié)晶,過(guò)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(dāng)然,如果命題專(zhuān)家能在簡(jiǎn)答評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)上讓考生再少寫(xiě)一些文字,探究實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)效果會(huì)更加顯現(xiàn).
文章編號(hào):1005–6629(2012)7–0064–04 中圖分類(lèi)號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
考試說(shuō)明要求:能用正確的化學(xué)用語(yǔ)及文字、圖表、模型、圖形等表達(dá)化學(xué)問(wèn)題解決的過(guò)程和結(jié)果,并作出解釋的能力。2011年江蘇化學(xué)高考試卷用事實(shí)詮釋了上述要求,僅有標(biāo)號(hào)的圖形就有14幅之多,主要是工藝流程圖、曲線坐標(biāo)圖、實(shí)驗(yàn)裝置圖、模型示意圖等。
如何解讀圖形?筆者認(rèn)為:首先是識(shí)圖,即看懂圖形,了解其意義,搞清其原理,解決“做什么”的問(wèn)題;其次是研圖,即運(yùn)用有關(guān)知識(shí)研究圖形具有的性質(zhì),揭示的規(guī)律,解決“為什么”的問(wèn)題;最后是用圖,即利用化學(xué)原理和圖形解決“怎么做”的問(wèn)題。
1 工藝流程圖
工藝流程圖是表示工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行順序的簡(jiǎn)圖,是將生產(chǎn)過(guò)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(yōu)點(diǎn)在于能從整體的角度,直觀反映化工生產(chǎn)的過(guò)程,有利于過(guò)程的分析、評(píng)價(jià)。
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(duì)比分析生產(chǎn)流程中的第一種物質(zhì)(原材料)與最后一種物質(zhì)(產(chǎn)品),從中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系,弄清生產(chǎn)流程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程中依次進(jìn)行的反應(yīng)。
明確生產(chǎn)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(yīng)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(guò)濾除去不溶性雜質(zhì)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(biāo)物質(zhì)外還產(chǎn)生了什么雜質(zhì)或副產(chǎn)物?雜質(zhì)是否要除去,采用什么方法除去?研圖時(shí)要明白:一切反應(yīng)或操作都是為了獲得產(chǎn)品而服務(wù)
本題中,將硫鐵礦焙燒轉(zhuǎn)化為氧化鐵時(shí)產(chǎn)生的SO2,是大氣污染物,必須處理,過(guò)濾程序是為了除去不溶性殘?jiān)?。本題的主要疑點(diǎn)是:氯氣氧化是為了什么?在此流程中還有什么物質(zhì)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(hào),不需深入探究。
(3)怎么做?看清問(wèn)題,準(zhǔn)確規(guī)范作答是目的。答題時(shí)要看清問(wèn)題,不能答非所問(wèn),要注意語(yǔ)言表達(dá)的科學(xué)性,要分清實(shí)驗(yàn)操作名稱(chēng)和具體操作步驟。例如針對(duì)第(2)問(wèn):酸溶及后續(xù)過(guò)程中均需保持鹽酸過(guò)量,其目的是 、 。
這里的關(guān)鍵詞是:酸溶、后續(xù)、鹽酸過(guò)量。
酸溶的目的是將氧化鐵溶解,而鹽酸要過(guò)量,只可能是想使鐵的氧化物盡可能多的轉(zhuǎn)化,即提高鐵元素的浸出率;后續(xù)、酸過(guò)量,也就是要保證后續(xù)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(lèi)題目命題的意圖是,為了拉開(kāi)差距,考查學(xué)生對(duì)整道題的理解分析。解題時(shí),要對(duì)比分析生產(chǎn)流程中的原料與產(chǎn)品,認(rèn)清流程圖中每一步的目的,從對(duì)比分析中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系以及前后每一步間的聯(lián)系,弄清生產(chǎn)流程過(guò)程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本原理和除雜分離提純產(chǎn)品的操作方法,然后再結(jié)合題設(shè)的問(wèn)題,逐一推敲解答。把元素化合物知識(shí)與生產(chǎn)工藝、化學(xué)平衡原理結(jié)合起來(lái),引導(dǎo)中學(xué)化學(xué)教學(xué)關(guān)注化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用性和實(shí)踐性,這是新課標(biāo)倡導(dǎo)的趨勢(shì)。
2 坐標(biāo)曲線圖
坐標(biāo)曲線圖是借助簡(jiǎn)單的線條走向,巧妙表達(dá)變化的復(fù)雜過(guò)程,從而揭示出化學(xué)原理本質(zhì)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(lái)越大。此類(lèi)試題的特點(diǎn):(1)化學(xué)提供的信息暗示于“標(biāo)”(縱、橫坐標(biāo))、“點(diǎn)”(起點(diǎn)、終點(diǎn)、拐點(diǎn)、極點(diǎn)等)、“線”(曲線變化趨勢(shì)及線段比例)之中;(2)圖像中隱含的信息量大,對(duì)學(xué)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(xué)生會(huì)多角度、多層面去思考和探究問(wèn)題。
如第19題(部分):高氯酸銨(NH4ClO4)是復(fù)合火箭推進(jìn)劑的重要成分,實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)下列反應(yīng)制?。篘aClO4(aq)+NH4Cl(aq) NH4ClO4 (aq)+NaCl(aq)。反應(yīng)得到的混合溶液中,NH4ClO4和NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.30和0.l5(相關(guān)物質(zhì)的溶解度曲線見(jiàn)圖2)。從混合溶液中獲得較多NH4ClO4晶體的實(shí)驗(yàn)操作依次為(填操作名稱(chēng)): 干燥。
解讀:
(1)做什么?實(shí)驗(yàn)操作的目的是通過(guò)反應(yīng)獲取較多NH4ClO4晶體。所依據(jù)的是物質(zhì)的溶解度曲線。這是一個(gè)雙縱坐標(biāo)圖,橫坐標(biāo)為溫度,左縱坐標(biāo)表示的是NH4Cl、NaCl和NH4ClO4的溶解度,右縱坐標(biāo)表示的是NaClO4的溶解度,從數(shù)據(jù)來(lái)看,NaClO4的溶解度遠(yuǎn)大于前三者的。
(2)為什么?低溫時(shí)高氯酸銨的溶解度最小而從溶液中析出,使反應(yīng)能向生成高氯酸銨的方向進(jìn)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(jié)晶的方法。本題值得研究的是:把反應(yīng)得到的混合溶液中NH4ClO4和NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.30和0.l5作為已知條件的目的是什么?要想通過(guò)降溫結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)約為26.5 %,遠(yuǎn)大于15 %,為了降溫過(guò)程中析出更多的高氯酸銨晶體,必須先將溶液蒸發(fā)濃縮。
(3)怎么做?本題的關(guān)鍵是“獲得較多”晶體。因?yàn)楦呗人徜@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(fā)濃縮,冷卻結(jié)晶,過(guò)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(chǔ)存是氫能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。H2O的熱分解也可得到H2,如圖3所示。圖中A、B表示的物質(zhì)依次是 。
解讀:本題是要求學(xué)生,從高溫下水分解體系中主要?dú)怏w的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系圖中判斷A、B表示的物質(zhì)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(xué)們熟知的反應(yīng),從圖中看出,從2000 K到5000 K,水受熱分解系中各物質(zhì)量的變化情況。這就是我們要研究的(為什么?)。結(jié)合氣體的A、B的體積分?jǐn)?shù),可知在6000 K時(shí),水完全轉(zhuǎn)變成了A、B,且A、B的體積分?jǐn)?shù)約是2/3、1/3。答案就只有一個(gè)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(biāo)曲線圖,一要看清橫、縱坐標(biāo)代表的含義,理解圖示化學(xué)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(duì)正確而迅速的解題起著關(guān)鍵作用;二要理清圖像變化的趨勢(shì),重點(diǎn)把握起點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn);突破口在于抓住圖像中關(guān)鍵點(diǎn)的含義,在此基礎(chǔ)上結(jié)合化學(xué)原理做出正確的判斷。
3 模型示意圖
模型示意圖是用簡(jiǎn)明、形象、直觀的圖形說(shuō)明知識(shí)結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵,揭示化學(xué)變化規(guī)律的一種略圖。它能將復(fù)雜的事物形象直觀地表達(dá)出來(lái),化抽象為具體、變復(fù)雜的文字?jǐn)⑹鰹楹?jiǎn)捷的圖示,降低了人們認(rèn)識(shí)客觀事物的難度,其價(jià)值在于“型簡(jiǎn)意深”。模型示意圖對(duì)精度要求不高,著重在“意”字上下功夫。解讀時(shí)重在“以型通理”,就是指通過(guò)標(biāo)題了解某圖所反映的化學(xué)事物的內(nèi)容后,要深入分析其中蘊(yùn)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(jiàn)圖4(電解池中隔膜僅阻止氣體通過(guò),陰、陽(yáng)極均為惰性電極)。電解時(shí),陽(yáng)極的電極反應(yīng)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(xiě)出電解時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)式。該圖與蘇教版《選修4:化學(xué)反應(yīng)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(xué)能從以下幾個(gè)方面思考:
①陰、陽(yáng)極的材料是什么?是活性電極還是惰性電極?
②陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)各有什么離子?
③在直流電的作用下,離子會(huì)怎樣的移動(dòng)?
④隔膜的作用是什么?
⑤陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)產(chǎn)生的物質(zhì)是什么?
⑥指出電極產(chǎn)物并寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)方程式。
至此,不僅能有效地解決離子移動(dòng)方向的問(wèn)題,同時(shí)也能明確在陰、陽(yáng)極分別發(fā)生的得、失電子過(guò)程。這一分析思路還可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)其他的電解裝置提出思維路徑。
(3)怎么做?由于陽(yáng)極材料是惰性電極,而隔膜僅能阻隔氣體的通過(guò),不影響溶液中離子和分子的通過(guò),所以整個(gè)的電解質(zhì)溶液應(yīng)該是尿素KOH溶液,在直流電的作用下,OH-應(yīng)該向陽(yáng)極移動(dòng),溶液中的H+應(yīng)該向陰極移動(dòng)的,陽(yáng)極區(qū)的的氣體N2,肯定是尿素失去電子被氧化的產(chǎn)物。另一種產(chǎn)物是什么?1 mol尿素[CO(NH2)2]能失去幾摩爾電子?學(xué)生就感覺(jué)到困難了,這就需要知道,尿素中的碳為+4價(jià)、氧為-2價(jià)、氫為+1價(jià)、氮為-3價(jià),應(yīng)該是-3價(jià)的氮失去電子。至此,不難寫(xiě)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(shí)驗(yàn)示意圖的改進(jìn)和優(yōu)化。對(duì)教材上一些重要的示意圖要關(guān)注,加深理解。另外,要關(guān)注生活,適度加強(qiáng)綜合訓(xùn)練與提升。
4 實(shí)驗(yàn)裝置圖
實(shí)驗(yàn)裝置圖能直觀地告訴學(xué)生,本實(shí)驗(yàn)用的儀器,某些反應(yīng)物的狀態(tài)和名稱(chēng),需要學(xué)生結(jié)合一定的化學(xué)知識(shí)去辨別實(shí)驗(yàn)裝置圖中隱含的秘密。若學(xué)生用“死記硬背”的方法來(lái)解決考題中的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,結(jié)果肯定是低效的。因此,教師在化學(xué)教學(xué)中,應(yīng)該重視感性與理性的結(jié)合 ,重視實(shí)物與裝置圖的對(duì)比。高考中實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置圖的考查一般是從兩個(gè)方面進(jìn)行的:一是實(shí)驗(yàn)裝置中儀器的選擇、搭配、使用是否合理;二是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置使用的注意事項(xiàng)、各部分儀器的作用及評(píng)價(jià)進(jìn)行考查。
如第7題中,判斷實(shí)驗(yàn)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(yīng)物狀態(tài)(固體或液
體)和反應(yīng)條件(常溫或加熱)決定的,將濃氨水滴入氧化鈣固體中,會(huì)發(fā)生反應(yīng):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(méi)有問(wèn)題的,但收集的試管帶塞子將無(wú)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(jìn)行測(cè)定,蒸餾裝置如圖7所示(加熱和儀器固定裝置已略去)。
實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確稱(chēng)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(zhǔn)確量取40.00 mL約0.1 mol·L-1 H2SO4置于錐形瓶中。
步驟4:經(jīng)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn),消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液V1 mL。
步驟8:將實(shí)驗(yàn)步驟1-7重復(fù)2次。
①步驟3中,準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)是 (填寫(xiě)步驟號(hào))。
③為獲得樣品中NH4ClO4 的含量,還需補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)是 。
解讀:
(1)做什么?
目的:用蒸餾法測(cè)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(lái)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(xué)階段,讀數(shù)能準(zhǔn)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(nèi)壁上等。選出步驟1、5、6也是可能的,如果思維不夠嚴(yán)密,可能會(huì)漏選。
(3)怎么做?對(duì)于問(wèn)題③,很多考生考后也不知道怎么回答,因?yàn)樵诟咧谢瘜W(xué)教學(xué)中空白試驗(yàn)和溶液的標(biāo)定是沒(méi)有出現(xiàn)的,而在該題中已經(jīng)做了樣品的平行測(cè)定。若想要同學(xué)們找出“約0.1 mol·L-1 H2SO4 硫酸溶液”而進(jìn)行標(biāo)定是很難的。加上答題時(shí)語(yǔ)言表達(dá)不夠嚴(yán)密,易導(dǎo)致失分嚴(yán)重。該題應(yīng)該是超出了中學(xué)化學(xué)教學(xué)要求的。
啟示:高考題中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)題所涉及的裝置圖的考查,往往是課本實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)和優(yōu)化,源于課本,但又高于課本。因此在平時(shí)的教學(xué)中,應(yīng)掌握好常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置,如制Cl2、制O2、制NH3、制乙酸乙酯等,并能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。高考考查的知識(shí)點(diǎn)和基本的思維點(diǎn)也來(lái)源于課。因此實(shí)驗(yàn)題的“根”在課本,可見(jiàn)我們應(yīng)該“把根留住”,透析課本每一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)。解答實(shí)驗(yàn)操作題不會(huì)時(shí)思考一下生活中有無(wú)類(lèi)似的問(wèn)題,是如何處理的。對(duì)比裝置圖的區(qū)別,評(píng)價(jià)優(yōu)缺點(diǎn)所在。
以圖形為載體的化學(xué)試題在各地高考化學(xué)試卷中出現(xiàn)的次數(shù)多,分布廣,在化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)基本原理、化學(xué)計(jì)算等方面都有體現(xiàn)。要順利地解決這類(lèi)試題,要有扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),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(wèn)題之間的內(nèi)在聯(lián)系,找到解決問(wèn)題的突破口,一定會(huì)收到事半功倍之效。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)改進(jìn);創(chuàng)新設(shè)計(jì);化學(xué)實(shí)驗(yàn)
中圖分類(lèi)號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1992-7711(2013)29-0073
中學(xué)化學(xué)教學(xué)的魅力在于化學(xué)實(shí)驗(yàn),以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)開(kāi)展化學(xué)教學(xué)已成為所有化學(xué)教師的共識(shí)。那么,怎樣才能有效地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的作用,以適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的需求呢?隨著時(shí)代的進(jìn)步,課堂教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和教學(xué)目標(biāo)的改變,對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷改進(jìn)和創(chuàng)新,化學(xué)實(shí)驗(yàn)才能充滿(mǎn)生命和活力,保持其在化學(xué)教學(xué)中的獨(dú)特魅力。同時(shí),教師的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新意識(shí)也會(huì)給學(xué)生以潛移默化的影響,激活學(xué)生的創(chuàng)新思維。在教學(xué)中,我們教師就得考慮對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新,才能起到事半功倍的效果。
一、對(duì)既危險(xiǎn)又浪費(fèi)資源的實(shí)驗(yàn)的安全節(jié)約改進(jìn)設(shè)計(jì)
1. 金屬鈉的燃燒
在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中,按課本中介紹的方法,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能引起爆炸,十分危險(xiǎn),還會(huì)損壞很多玻璃管或蒸發(fā)皿。如選用石棉網(wǎng),實(shí)驗(yàn)后的石棉網(wǎng)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(fèi)。
為此,在實(shí)驗(yàn)中可以改用鋁片作實(shí)驗(yàn)儀器。具體操作方法:把鋁片剪成圓形,用手捏成蒸發(fā)皿狀,將一綠豆大小的鈉,吸干煤油后放在鋁蒸發(fā)皿中,將鋁蒸發(fā)皿置于三角架上,用酒精燈加熱,鈉很快便熔化、燃燒。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)很容易觀察燃燒的現(xiàn)象和產(chǎn)物的色態(tài),金屬鈉也不會(huì)爆炸和飛濺出來(lái),比較安全,冷卻后將鋁片清洗干凈還可再用,節(jié)約資源。
2. 氯氣還是次氯酸具有漂白性
課本在處理有關(guān)氯氣還是次氯酸具有漂白性的問(wèn)題時(shí),介紹通過(guò)讓氯氣通過(guò)干燥的有色布(紙)條不褪色,然后再通過(guò)濕潤(rùn)的有色布(紙)條褪色,以此來(lái)說(shuō)明使布(紙)條褪色的不是氯氣,而是氯氣與水反應(yīng)的產(chǎn)物次氯酸,由此說(shuō)明氯氣無(wú)漂白性而是次氯酸有漂白性。這樣做要帶氯氣的發(fā)生裝置上講堂,要用很多集氣瓶和導(dǎo)氣管,要用堿液吸收尾氣,很可能漏氣污染環(huán)境,十分危險(xiǎn)、麻煩、累人,并且浪費(fèi)很多氯氣等資源。
為此,在實(shí)驗(yàn)中筆者進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),改用在課前事先用5cm以上的高度無(wú)色透明的集氣瓶收集干燥的氯氣并用塞子塞緊,準(zhǔn)備長(zhǎng)5cm左右的有色布(紙)條。實(shí)驗(yàn)時(shí)取有色布(紙)條一端1cm左右先蘸點(diǎn)兒水濕潤(rùn)并甩干,要保證不蘸水的部分絕對(duì)干燥,然后打開(kāi)裝有氯氣的集氣瓶的塞子,將布(紙)條伸入集氣瓶?jī)?nèi),把塞子迅速蓋上(以防氯氣溢出污染環(huán)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(dāng)然要保證伸入集氣瓶中接觸氯氣的布(紙)條既有濕潤(rùn)部分也有干燥部分,就可觀察到布(紙)條濕潤(rùn)的部分立即褪色,干燥的部分不褪色,接下來(lái)還可拿著此集氣瓶巡堂讓學(xué)生近距離觀看。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,由此對(duì)比不是更能說(shuō)明氯氣無(wú)漂白性而是次氯酸有漂白性,而且用過(guò)的氯氣還可以用于下一個(gè)班的氯氣與銅的反應(yīng)實(shí)驗(yàn),真是既能節(jié)約資源又能夠達(dá)到演示實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。又何?lè)而不為呢?
當(dāng)然很久以后伸入集氣瓶的布(紙)條干燥的部分也會(huì)完全褪色,因?yàn)椴迹垼駶?rùn)的部分的水會(huì)在集氣瓶?jī)?nèi)揮發(fā)或滲透使干燥的布(紙)條全部濕潤(rùn),所以演示完實(shí)驗(yàn)后應(yīng)該不讓學(xué)生再觀察此集氣瓶,宜收藏起來(lái),以免引起不必要的誤解。
二、難于成功的實(shí)驗(yàn)的成功簡(jiǎn)便改進(jìn)
1. 鋁與水的反應(yīng)
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(xù)與其反應(yīng),因而鋁具有較強(qiáng)的抗腐蝕性,通常不與水反應(yīng)。根據(jù)鋁的活潑性,除去氧化膜后的鋁與水反應(yīng)的現(xiàn)象應(yīng)該很明顯,但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),幾乎沒(méi)有什么現(xiàn)象,更談不上收集氫氣并進(jìn)行檢驗(yàn),以至于學(xué)生懷疑鋁能否與水反應(yīng)。
為此,筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探究和設(shè)計(jì),不僅能清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,還能收集并檢驗(yàn)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(yīng)后水溶液顯堿性可說(shuō)明鋁已經(jīng)和水反應(yīng)生成堿,因?yàn)槭卿X和水的反應(yīng),該堿應(yīng)該是氫氧化鋁,再根據(jù)原子守恒可推知反應(yīng)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(fā)生反應(yīng),有氣體放出,如果現(xiàn)象不明顯,可微微加熱,因?yàn)楣芘c鋁結(jié)合成鋁汞齊,擴(kuò)大鋁與水的接觸面積,使反應(yīng)加快,可以很快收集到氫氣,另外用試管收集氫氣即可點(diǎn)燃。
值得注意的是氫氧化鋁難溶于水,應(yīng)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(diǎn)燃?xì)錃庖惨硗庥迷嚬苁占冱c(diǎn)燃,以防爆炸和反應(yīng)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(wú)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(qiáng)的氧化性,反應(yīng)時(shí)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(shí)生成二氧化硫污染環(huán)境,并且溫度要求的范圍也比較窄,副反應(yīng)較多浪費(fèi)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(jué)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(diǎn)。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(duì)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(shí)驗(yàn)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(dāng)然甚至連溫度計(jì)也可以不要,因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)要求的溫度并不嚴(yán)格,略微加熱便可產(chǎn)生平穩(wěn)的乙烯氣流,滿(mǎn)足乙烯的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要,乙醇不會(huì)碳化變黑,也不生成二氧化硫污染環(huán)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(diǎn)燃產(chǎn)生的氣體,能平穩(wěn)燃燒,火焰大又高,能觀察到明顯的黑煙。
當(dāng)然了,此法只是作為一種方法而已,如果為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭耆梢允褂玫?,如果要以考試目的?lái)介紹乙烯的實(shí)驗(yàn)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(xué)生負(fù)擔(dān)為標(biāo)準(zhǔn)。
3. 乙炔的實(shí)驗(yàn)室制法與燃燒
乙炔的制備實(shí)驗(yàn),按現(xiàn)行教材的裝置和方法,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在以下幾點(diǎn)不足:電石和飽和的食鹽水的反應(yīng),速度仍然相當(dāng)快,難于控制。產(chǎn)生的乙炔氣體混有磷化氫、硫化氫等雜質(zhì)而有特殊難聞的臭味,直接排放到空氣中會(huì)污染環(huán)境,并且不能讓學(xué)生聞到純乙炔的無(wú)味。點(diǎn)燃乙炔這種可燃性氣體需要驗(yàn)純,否則容易引起爆炸的危險(xiǎn)。
為了消除磷化氫、硫化氫雜質(zhì)的干擾和污染,又由于磷化氫、硫化氫容易和銅離子反應(yīng)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(jīng)過(guò)嘗試發(fā)現(xiàn)這樣制得的乙炔基本無(wú)氣味,符合理論上乙炔的無(wú)氣味,而且通過(guò)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(yàn)乙炔純度時(shí),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(chǎn)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(diǎn)燃用試管收集到的乙炔,效果與點(diǎn)燃從發(fā)生裝置的導(dǎo)氣管出來(lái)的乙炔一樣,也能說(shuō)明乙炔燃燒很不充分,但是絕對(duì)不用擔(dān)心有爆炸的危險(xiǎn)。
化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新方法遠(yuǎn)不止上文提到的這些,在實(shí)際對(duì)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和改進(jìn)過(guò)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(yīng)用。化學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新永無(wú)止境,各種現(xiàn)代化媒體與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了廣闊的領(lǐng)域,只要我們勤于探索、勇于開(kāi)拓,一定會(huì)有更多更合理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生。
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