化學實驗教學改革建議之三

　　摘要：深入剖析了作為初等化學教學中的一個重要知識點“溶液”所包含的極為豐富的學科內涵和科學教育的價值。詳細分析了“一定溶質質量分數的氯化鈉溶液的配制”實驗體系的特點，并對該實驗教學的實施提出了建議。
　　關鍵字：化學實驗教學；溶液；溶液配制
　　文章編號： 1005–6629(2012)7–0003–02 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B
　　1 為什么溶液成為初等化學中的一個重要知識點？
　　在初等化學中，“溶液”這一知識點涵蓋了溶液的形成、溶液的濃度、一定濃度溶液的配制方法（包括配料計算和配制，容量瓶和天平的使用），并延伸到溶解度和飽和溶液（包括溶解度和溫度的關系——溶解度―溫度曲線的應用）、溶解過程和結晶過程等一系列知識點和實驗，形成了一個知識結構完整，邏輯關系明晰的“知識板塊”。只有明確了這個知識板塊內知識點之間的邏輯關系，同時充分認識到有關溶液的知識在化學學科的學習和應用中的重要性，才能真正地組織好教學過程，并且其中有很多認知過程必須配合實驗或實際生活中的體驗才能真正地完成。
　　我們都知道，就一般化學反應而言，在選定反應物之后，常用以調控反應進程，包括速率和產物的手段，不外乎溫度、濃度和催化劑。由于催化劑具有很高選擇性和專一性，需要通過繁復的篩選過程才能確定，并非唾手可得，而且目前還沒有發現對全部或大部分化學反應過程都有效的催化劑，因此催化劑不能歸入初學者經常使用的調控手段。于是，在初等化學中，只有溫度和濃度才是最常用到，也是最容易實現的調控手段。依靠酒精燈或其他方法加熱時，對溫度的調控一般不要求精確，也不容易做到精確，所以在實驗方案中往往用加熱方式和體系中發生的現象等來表述。唯有濃度，特別是溶液的濃度，才是比較容易把握并能較精確地對反應進程進行調控的因素。
　　把體積龐大、容易因擴散而泄漏的氣態反應物，和因接觸面積小、密度差別大、需要不斷地進行強力攪拌的固態反應物，用適當的溶劑把它們轉化為溶液后，既具有流動性，又可以使得反應物以分子（或離子）狀態，均勻地分散在溶劑之中，這時溶液內任何一處發生的反應，都可以代表整個體系在給定濃度下的反應，與所取溶液體積無關（這就是在實驗時，更應當關注反應物的大致比例，而不是所取試劑溶液體積的原因。實驗講義上建議的用量，除考慮到反應物的計量關系外，還要求初學者逐步養成用盡可能少的試劑來完成實驗的習慣，做到物盡其用）。因為溶液中的化學反應是反應物以分子或離子狀態參加的反應，所以只有溶液的濃度才能最直接地反映出它們在發生反應時的有效濃度。以溶液狀態進行反應時，反應體系的體積不是由所在容器決定，而是由溶液的體積確定。在反應的整個過程中，雖然反應物和生成物的濃度一直在改變，但是每個瞬間的平均濃度都有“確定值”。在研究反應的動態過程時，這是一個非常重要的特點，它意味著在所涉及的瞬間，濃度不僅可知，而且可以視為“不變”。變量的減少，有助于提高實驗結論的確定性。
　　由溶液濃度延伸出來的溶解過程的自發性和溶解度概念，是化學中極為重要的概念。前者屬于自然界的一個普遍存在的現象，它不僅是水源組成和所處地理環境密切相關的必然結果，也是半導體摻雜、金屬熱處理等工藝的理論依據。表現為溶質溶解和通過擴散在溶劑內達到均勻分布過程的自發性（在高中化學選修模塊《化學反應原理》中會把這個現象的本質理論化）。
　　在實驗中，一定要提醒學生仔細觀察和思考固體溶質（或液體溶質）在溶劑中的自動溶解、混合、擴散和均一化現象。這是溶液、氣體分散系和其他分散系（如懸濁液、乳濁液、膠體溶液、陰霾、霧氣等）的基本區別。后者在形成時往往要借助外力，故而屬于熱力學不穩定體系，在放置過程中，分散的均勻程度會自動下降（所以沙塵暴或飄塵可以成為某個局部地域的環境問題，卻不會視為全球性的污染源）。增加有關實驗或要求學生列舉日常生活中經常見到的各類分散系，并對其形成過程和分散體系的穩定性進行比較，都可以加深對溶液的認識和提高學習的興趣。
　　溶解雖然具有自發性，但是不同的物質在同一種溶劑中的“最大”溶解量，并不相同，即存在飽和現象（能夠像水和乙醇、乙二醇、丙三醇、乙酸等這樣無限混溶的體系不是很多，可暫不考慮）。于是根據溶液達到飽和時溶劑和溶質的數量（體積、質量，或物質的量）比率關系，形成了溶解度的概念，并進一步得出溶解度與體系溫度間的依變關系。有趣的是，從溫度溶解度曲線可以看到不同物質在水中的溶解度和溫度之間的關系及變化趨勢并不完全相同，因而這種差別可用于物質的分離和提純，并成為一種普遍實用的方法。從溶解到結晶成為一種應用廣泛的分離提純方法，其間的邏輯關系和認知發展途徑的脈絡，十分清晰。這種思維訓練，在初等化學教學中，溶液是非常難得的學科載體之一。如果只關注溶液濃度換算、溶解度計算和容量瓶配制一定質量濃度的溶液實驗中的基本操作，學生不可能真正領會這個知識板塊所包含的極為豐富的學科內容和科學教育的內涵。
　　2 “一定溶質質量分數的氯化鈉溶液的配制”實驗體系的特點
　　這是一個以訓練使用定量類型的化學常用儀器為主的實驗，重在基本操作的規范性，和培養嚴謹細致的科學精神與習慣。此外，這是8個必做實驗中唯一的一個使用多種定量儀器的實驗。配制一定溶質質量分數的溶液，既要求溶質的質量確定（精度由稱量手段決定），也要求溶液的體積確定（由容量瓶的精度決定）。其次，原則上實驗用的溶質和溶劑都應當是純凈物，溶劑為水時，要用蒸餾水（這個條件是否太苛刻了？因為配制后的溶液沒有實際用途）。所以有條件的實驗室，可以考慮把溶質換成其他實驗可用的試劑。如果并不要求精確，也可以不用容量瓶。改用量筒與有刻度的燒杯（和日常生活中的配料方式相似，差別僅在于濃度值的精度）也未嘗不可，但是配制溶液時所需計算和基本步驟仍然應該有要求。
　　3 關于“一定溶質質量分數的氯化鈉溶液的配制”實驗實施方案的建議
　　農村可以把溶質改成某種化肥或專用藥液（如種子浸泡液等），最好不要配制農藥。 如果配制的是某種功能溶液，建議進行和功能效果相結合的探究活動。即有計劃地配制不同濃度的溶液，以備實驗之用。探究主題可以包括污水處理、金屬腐蝕或防腐措施、植物培育、菌株培育或殺滅等等。
　　如有可能，可以把粗鹽提純實驗安排在此實驗后進行，和課堂教學起到互補的作用，探究性學習的全過程都可以體現。其中以形成溶液時溶解的自發性和用結晶法提純時結晶條件的控制最為有趣。
　　4 其他探究活動的建議
　　（1）建議部分學生探索配制溶液（包括稀釋、不同濃度溶液相混）時可行的速算法（如十字交叉法、繪制速算表等）。
　　（2）如果進行探究性實驗，溶液濃度影響應納入實驗總結，并鼓勵用圖形表述。這類實驗可用以驗證濃度的影響。例如農藥濃度對蟲害的抑制作用——有效濃度的范圍，化肥溶液濃度在使用對象不同時的合理范圍等均可成為與本實驗相關的探究性活動內容。
　　（3）至于常見酸堿溶液濃度對某些化學物質作用（如反應速率、反應產物、過程與現象等）的影響，建議放在酸堿性質的實驗中進行。
　　5 幾點補充
　　（1）溶液濃度對化學體系變化過程影響的認識，可以擴展為濃度對某個特定效應影響的認識。這種擴展之所以重要，因為目前能夠觀察到的化學現象，實際上是由大量微粒的變化共同提供的，當微粒（包括反應物和產物）數量達不到現有儀器設備檢出極限（或極限濃度）時，實驗值只能定為零，亦即認為無效應或其效應可以忽略不計。應當認為，這種處理方式意味著化學實驗結論必然存在著不確定性。這類事例在科學史上并不罕見。所以也可以認為，化學的進步和觀測極限的逐步推進密切相關，體現了科學和技術之間的相互促進的關系。
　　（2）建立“有效濃度”的概念，是初等化學的基本任務之一，而且只有建立了物質的微粒觀之后才能實現。所以，物質的量單位的學習和運用、溶液配制的實驗，都應當著眼于微粒觀和有效濃度概念的形成。
　　（3）“有效”濃度（或組成比率）通常以某個確定的范圍表示，如可燃氣與空氣混合物的爆炸極限、食品醫藥中化學成分含量標準等，并非僅指范圍的下限。所以平常所說的“有效”同時包括濃度的上限和下限。例如藥物用于治療時，如果劑量介乎有效范圍之內，均可視為有效，高于上限時將產生毒性效應；低于下限時，則認為無益于治療。這是正確認識和處理環境保護、食品醫藥衛生安全等問題的基礎。
　　參考文獻：
　　[1]宋心琦.關于中學化學教學實驗改革問題的思考.[J].化學教學，2008，（4）：