優化化學實驗提高課堂效率

陳佳

摘要：目前初中化學課本中的實驗，大多都已給出較詳盡的實驗步驟，教師在課堂上能快速演示，學生在教師的指導下也能自主完成。但仍有小部分實驗受實驗條件及上課時長的限制，無法實現課堂上的演示及學生探究活動。文章以課本探究活動“探究過氧化氫分解的催化劑”為例，提供了幾種改進課本該實驗的方法，以實現該實驗在課堂演示及學生分組實驗探究的可行性和高效性。

關鍵詞：催化劑;實驗改進;高效;節約

文章編號：1008-0546（2019）02-0080-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、問題的提出

2017年11月，筆者有幸參加了桂林市教科所組織的初中化學優質課比賽，賽題為“制取氧氣”。在備課過程中，筆者發現，課本在設計“探究二氧化錳為過氧化氫分解的催化劑”的實驗步驟上，存在著一些不足。

本市所使用的科粵版教材中，“探究二氧化錳為過氧化氫分解的催化劑”的實驗步驟原文如下：

用約10%的過氧化氫溶液和二氧化錳做下列實驗：

（1）用量筒量取4mL過氧化氫溶液加入試管中，將帶火星的木條伸入試管的上部，結果怎樣？

（2）另取少量二氧化錳裝入試管中，又將帶火星的木條伸入試管內，結果怎樣？

（3）再量取4mL過氧化氫溶液加入另一支試管，用藥匙加入少量二氧化錳，將帶火星的木條伸進試管口，有什么現象發生？

（4）待實驗（3）的試管內的液體不再放出氣泡時，重新加入4mL過氧化氫溶液，再用帶火星的木條伸進試管口，又有什么現象發生？

從催化劑的定義可知，要得出“二氧化錳為過氧化氫分解的催化劑”的結論，需要驗證三個方面：①二氧化錳能改變過氧化氫分解的速率;②在化學反應前后，二氧化錳的化學性質不變;③在化學反應前后，二氧化錳的質量不變。如果按照上述觀察活動進行實驗，僅能得出“二氧化錳能改變過氧化氫分解的速率”及“在化學反應前后，二氧化錳的化學性質未變”的結論。而對于“反應前后二氧化錳的質量是否發生改變”，課本未給出詳細的實驗步驟，而是一筆帶過，以結論的形式，直接告訴學生“若在實驗前準確稱出二氧化錳的質量，實驗后將二氧化錳回收、干燥、再稱量，會發現它的質量沒有改變。”這樣簡略的設計，顯然大大削弱了學生對于催化劑這一探究過程的理解，不利于發展學生科學實驗探究的能力及嚴謹求實的科學品質。

二、問題的分析

《義務教育化學課程標準》川中提到“書中所列舉的活動不要求全盤照搬，在教材編寫或教學時可依據實際情況選擇應用，也可以增補更合適的探究活動。”盡管如此，但大部分教師仍選擇讓學生通過閱讀課本的方法，直接得出“在化學反應前后，二氧化錳的質量不變”的結論，或直接播放視頻讓學生觀看。教師、學生都不親自動手完成本實驗，原因如下：

1.將二氧化錳與過氧化氫分離操作困難[2]且耗時較長

實驗室的二氧化錳均為粉末狀，將其加入過氧化氫溶液前的質量比較容易稱量。但將其加入過氧化氫溶液后，若要對其進行稱量，則需要先將其用濾紙過濾，然后干燥。在過濾過程中，由于二氧化錳粉末與濾紙孔徑相當，二氧化錳會將濾紙空隙堵住，而大大減慢過濾速度。

2.無法快速將二氧化錳進行干燥

要將二氧化錳進行干燥，就必須連同濾紙一起烘干，此操作需要低溫、恒溫進行，對干燥儀器的要求較高，不僅操作困難，而且耗時較長。

綜上所述，此實驗耗時長、操作繁，無論是教師演示還是學生實驗，都無法在一節課堂上快速完成。所以課本也并未給出具體的實驗方案，以期教學者和學生們設計出更優化、更高效的實驗方案。

三、實驗的改進

為了能實現在課堂上快速探究“在化學反應前后，二氧化錳的質量不變”的實驗，針對上述在實踐過程中出現的問題，筆者查閱了大量書籍資料及文獻，發現了不少能“快速將二氧化錳與過氧化氫溶液分離并干燥”的方法，并一一嘗試，分析優缺點，整理總結如下：

改進方法一：（如圖所示）將二氧化錳用細孔材料包裹，并懸掛于反應容器上方，需要反應時將其推人過氧化氫溶液中，不需反應時則將其向上拉離液面，以此實現將二氧化錳與過氧化氫溶液快速分離。

根據此原理，筆者嘗試了以下幾種細孔材料：

1.紗布或茶葉包或制衣布料：筆者幾經尋找并嘗試實驗，發現找到的紗布、茶葉包、制衣布料的孔徑均大于二氧化錳孔徑。將二氧化錳包裹后放入過氧化氫溶液，均有大量二氧化錳從空隙中漏出。

2.濾紙或口紙：筆者嘗試將濾紙和口紙均剪成長條狀，并折疊成“紅包樣式”，并用訂書機封口（未用膠水是因為膠水遇水會失去粘性）。實驗過程中發現，雖然二氧化錳漏不出去，但雙氧水進入材料的速度很慢，進入后過氧化氫分解產生氧氣，氧氣將濾紙袋脹開，濾紙袋上浮至雙氧水液面，袋內的雙氧水被擠出袋外，導致反應逐漸停止;并且有較多二氧化錳粉末從訂書機洞口跑出，導致二氧化錳無法被完全收集。若將口紙和濾紙圍成兜狀，結果仍然相似。

【結果分析】上述方法中，紗布、茶葉包、制衣布料孔徑太大，無法將二氧化錳全部收集;濾紙、口紙口徑合適，但由于孔徑太小，使反應速率變得很慢，無法快速產生氧氣進行課堂實驗。

改進方法二：更換催化劑。將二氧化錳換成塊狀、易于過濾的催化劑。

（1）土豆塊或土豆片或紅磚塊：筆者嘗試取新鮮的土豆，分別將其切成塊狀、條狀、片狀三種形狀，各為1克，加入5%的過氧化氫溶液，觀察30秒，發現土豆表面均有氣泡產生，但是都非常少。同樣實驗，取紅磚塊1克加入5%的過氧化氫溶液中，幾乎看不到紅磚塊表面有氣泡產生。原因：能催化過氧化氫分解的是土豆中的過氧化氫酶、紅磚塊中的氧化鐵，而土豆中含有的過氧化氫酶含量較低，紅磚中氧化鐵的含量也較低，均不足以使過氧化氫迅速產生氧氣。

（2）豬肝[3]：筆者從菜市買來一塊100g的豬肝，切下一小塊，綁上細線，用精確度到0.01g的電子天平進行稱量。放入過氧化氫溶液中，看到有大量氣泡產生，30秒后取出，用清水洗凈，濾紙吸干，再稱量，質量與反應前一致。整個實驗過程不超過兩分鐘。

【結果分析】此方法具有以下優點：

1.豬肝為塊狀，反應前后的質量易于稱量，且無需進行過濾、烘干等繁瑣的操作，課堂教師演示或學生探究實驗都十分快捷、方便。

2.用豬肝探究過氧化氫分解所需的催化劑，需要的過氧化氫的濃度僅為3%，甚至更低，且現象非常明顯，大大節約了過氧化氫溶液的用量。

3.豬肝的催化能力很強，用其反復實驗多遍后，仍可使用，實驗完畢后，將其洗凈、擦干，重新置于冰箱內保存，數天后取出使用，催化效果仍然非常好。若置于冰凍層，保存使用時間可達到更久。

注意事項：1.用豬肝做催化劑時，宜選用濃度較稀的3%的過氧化氫溶液。豬肝內含有豐富的過氧化氫酶，能快速地催化過氧化氫的分解，若在小試管中進行此實驗，用5%的過氧化氫溶液，一加入豬肝，會看到有大量氧氣迅速產生，且產生很多白色小氣泡，氣泡10秒后便能涌出試管，可見反應速率相當快。此時需要改用較稀的過氧化氫溶液，以醫用3%的過氧化氫溶液的濃度為最佳，既能快速產生氧氣，供學生用帶火星的小木條進行檢驗，又不會出現氣泡快速逸出的現象。當然在試管液面上方仍浮有許多小氣泡，這些氣泡中包裹有氧氣，用帶火星的小木條接觸，也可看到木條復燃，學生們樂此不疲。

缺點：能讓學生快速通過實驗得出催化劑的定義，但只能得出豬肝是過氧化氫分解的催化劑，二氧化錳在催化過氧化氫分解反應前后質量是否改變的問題仍未解決。

改進方法三：把粉末狀二氧化錳制成塊狀

能用作過氧化氫分解的催化劑的物質種類有很多[4]，如：金屬氧化物（二氧化錳、氧化鋅、氧化鐵、氧化銅、氧化鋁等），鹽類（氯化鐵、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硫酸銅、硫酸錳等），其中催化效果最好的仍是二氧化錳。由于大顆粒狀的二氧化錳很難采購到，筆者只能自己嘗試將二氧化錳制成塊狀了。

方法1：在二氧化錳粉末中加入水泥制成球狀：“將水泥和二氧化錳粉末按照質量為1：4”的比例混合均勻，加入適量水攪拌呈糊狀，然后用手（戴上一次性手套）捏成黃豆粒大小的顆粒，陰干24小時以上，用水沖掉表面的粉末，再晾干備用。

優缺點分析：（1）水泥的作用是將二氧化錳聚成塊狀，方便稱量反應前后催化劑的質量。但水泥本身對過氧化氫也具有催化作用，對探究二氧化錳是過氧化氫分解的催化劑實驗有干擾，所以不宜使用。（2）水泥材料主要用于建筑行業，較難尋找。

方法2：在二氧化錳粉末中加入“502”強力膠制成片狀：取一塊玻璃片，用藥匙取兩大勺二氧化錳于玻璃片上，堆成小山狀，在上面滴人“502”，并另取二氧化錳將其覆蓋，由于“502”遇到空氣中水蒸氣會迅速凝結，所以不到一分鐘，片狀的二氧化錳便制好了。為排除“502”對過氧化氫分解的干擾，筆者嘗試向過氧化氫溶液中加入一片制好的“502”，未看見有氣泡產生。

【結果分析】方法2的優點：

1.將二氧化錳在“502”的粘合下制成片狀，便于將二氧化錳與過氧化氫快速分離并干燥。整個探究過程操作簡單、快捷，適合在課堂上教師進行演示或學生進行分組探究實驗。

2.片狀二氧化錳的制作方法簡便，材料容易購買。“502”為強力膠，能牢牢將二氧化錳粘合在其表面。將片狀二氧化錳反復多次投入雙氧水中，均不會有二氧化錳粉末脫落，既節約了二氧化錳的用量，又便于將二氧化錳進行回收，與“綠色化學”的環保理念相符。

教學建議：

1.進行過濾操作時，可設計如下實驗：將課本實驗（4）反應后的溶液倒入廢棄的牙簽盒蓋中。由于牙簽盒蓋上的孔隙較大（片狀二氧化錳無法通過），有利于濾液流出，便能快速將二氧化錳與濾液分離（如圖2所示）。

2.干燥時，直接用干燥的濾紙吸干片狀二氧化錳表面的水分即可（如圖2所示）。

3.“502”不能催化過氧化氫的分解，不會對“探究二氧化錳是過氧化氫分解的催化劑”的實驗產生干擾。但在探究過程中，應引導學生設計實驗，排除“502”對該實驗的干擾，以培養學生嚴謹的科學精神和實事求是的態度。

四、實驗反思

培養學生的科學素養是化學課程改革的根本目標，積極主動地開展科學探究，是有效落實這一目標的關鍵。在化學教學中，教師應積極思考，勇于創新，多為學生創設動手探究的條件，讓學生親歷探究過程，體驗探究樂趣，培養學生的探究意識和探究能力，提高課堂效率。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部制訂.義務教育化學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012：1

[2]李焱.二氧化錳催化分解過氧化氫的探究性實驗設計[J].化學教與學，2013（9）：88，90

[3]劉靜.淺談化學探究實驗能力的高效培養——以“催化劑”為例[J].化學教與學，2015（4）：22-23

[4]宗雨琳，王宇飛.過氧化氫催化分解實驗催化劑種類的探究[J].北學教與學，2016（6）：96-97