中學化學性質實驗的一體化設計

龔康佳 楊發福

[摘? ?要]將一種自制簡易綜合反應器應用于鐵及其化合物的性質實驗，以Fe2+與Fe3+的性質為主干，設計對應的實驗流程，加強知識之間的聯結，實現了多個實驗的一體化設計。結果表明，這一性質實驗的一體化設計，具有節約、安全、高效、直觀等優點，適用于教師課堂演示和學生實驗探究。

[關鍵詞]鐵及其化合物;性質實驗;一體化設計

[中圖分類號]? ?G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2019）17-0071-03

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，化學實驗在高中化學學習中的地位舉足輕重。合理高效的化學實驗能體現化學學科特點，提升學生的知識技能，培養核心素養[1]。然而筆者發現，在各個版本的高中化學教材中，鐵及其化合物性質實驗的設置還存在一些問題。盡管教材給出的實驗能加深學生對Fe2+和Fe3+性質的理解，以及讓學生認識到這是氧化還原反應的具體應用，但在實際教學中，若按教材的方法進行實驗，可能會遇到以下幾個方面的問題：（1）實驗操作次數過多且各個實驗相互獨立，如教材單獨列出氫氧化亞鐵和氫氧化鐵的生成實驗、Fe3+的檢驗實驗及Fe2+與Fe3+的轉換實驗，導致實驗藥品浪費過多，實驗占時偏長[2，3]; （2）在生成氫氧化亞鐵的實驗中，學生觀察不到白色沉淀，甚至形成“氫氧化亞鐵的顏色是灰綠色的”的誤解[4，5];（3）未讓學生通過實驗掌握硫酸亞鐵溶液的制備，學生因此難以知道該溶液需要現配現用;（4）教材中的實驗設計沒有加強知識點的相互聯結，不利于學生整體把握和綜合運用;（5）在Fe2+與Fe3+的轉換實驗中，教材采用氯水作為氧化劑，存在一定的安全隱患。

為了解決以上問題，本文在執行教學要求的前提下，從提高教學效率的角度出發，進行實驗綜合一體化設計 [6-9]，對現有的簡單化學儀器和常見物品進行組合，設計出了創新實驗裝置及實驗流程，取得了較好的教學效果。該一體化設計思路不僅體現了化學試劑用量少、污染小、實驗現象突出的特點，而且實驗裝置簡單，實驗操作簡易，適用于演示實驗和學生實驗，能較為有效地激發學生的學習熱情，為中學課堂實驗設計提供了較好的借鑒。

一、一體化設計思路

將多種實驗整合到一個裝置。傳統實驗將物質的制備與性質的檢驗分為兩類獨立的實驗，而一體化實驗對兩者進行整合，實現了合二為一。

通過連續的操作完成系列實驗。采用管路系統將多個實驗合理串聯，將獨立實驗設計成連鎖反應。

根據知識點的聯系巧設系統。利用知識之間的橫向、從屬、因果等內在聯系來設計裝置的反應系統、除雜系統、廢氣廢液處理系統及管路系統。

二、實驗過程

（一）實驗儀器及藥品

1.實驗儀器

集氣瓶，注射器，塑料滴管，止水夾，濾紙，橡膠管，橡膠塞，氣球，鐵架臺以及自制多支口玻璃管（如圖1所示）。

（二）實驗原理

反應方程式：Fe+ H2SO4= FeSO4 + H2↑

Fe粉與稀硫酸反應產生氫氣，利用氫氣在集氣瓶中產生的氣壓差把生成物硫酸亞鐵溶液沿著玻璃支管壓送到各個容器（塑料滴管的吸囊部分，以下簡稱“吸囊”）中進行相應的化學反應。本實驗涉及的鐵及其化合物的轉換關系如圖2所示。

（三）實驗操作

1.實驗儀器組裝

取一個干凈的集氣瓶，在瓶中放入用濾紙包裹的過量鐵粉。用打孔器在橡膠塞上打兩個約5 mm的小孔。在一個小孔中插入一根直角玻璃導氣管，一端伸至瓶口處，另一端連接一個止水夾;在另外一個小孔中插入自制多支口玻璃管的最長支口，將其伸到瓶底。在四個分支口處均連接一段內含玻璃珠的橡膠管，每段橡膠管下均連接吸囊。左起第一個吸囊內滴入3～5滴的KSCN溶液;第二段橡膠管下連接兩個相同的吸囊，兩個吸囊之間用注射器針頭連接（吸囊處要使用不小于20 mL注射器的針頭，否則液體無法沿著針頭流入），上下兩個吸囊內分別加入適量0.5 mol/L NaOH溶液和4 mol/L NaOH溶液（上層氫氧化鈉溶液要稀釋且量少，否則會完全中和硫酸亞鐵溶液中的氫離子，起不到緩沖作用）;第三和第四段橡膠管下連接吸囊的操作與第二段相同，在第三個支口處連接的上下兩個膠囊中，分別加入適量KMnO4溶液和適量KSCN溶液（上層吸囊中的高錳酸鉀一定要與藥品反應完全后，方可進行下一步操作，否則高錳酸鉀會干擾下層吸囊中的反應）;在第四個支口處連接的上下兩個吸囊中，分別加入適量KMnO4溶液和適量淀粉碘化鉀溶液;最后在末端支口處連接一個氣球。打開止水夾，塞緊橡膠塞，將含有適量稀硫酸的注射器插入橡膠塞。完成儀器組裝及藥品添加后，裝置如圖3和圖4所示。

2.實驗步驟及現象

完成實驗儀器組裝后，進行試漏檢驗及集氣瓶氣密性檢驗，緩慢推動注射器，可觀察到濾紙上慢慢產生氣泡。當反應液浸沒玻璃導管后，關閉止水夾，觀察到集氣瓶中反應溶液呈現淺綠色。繼續加入適量稀硫酸，反應一段時間后，可觀察到反應液體沿著玻璃管上升并流到各個支管口處。（若反應產生的氣體的壓強不足以把液體壓入各支管口，則輕輕推動注射器，增加集氣瓶中的壓強，這樣反應液便可沿著玻璃管流入各支管口）用左手的拇指和食指捏住玻璃珠靠上的部位，向手心方向捏擠橡膠管，使其與玻璃珠之間形成一條縫隙，溶液即可流出。當溶液流入上層吸囊3～4 mL時，停止操作。待反應完全后，輕輕移動注射器針頭使得針孔浸沒在反應液中，上層吸囊中的反應液會沿著針頭流到下層吸囊中去，至下層吸囊中的反應結束，針頭會高出上層吸囊中的溶液液面。從左到右，依次進行相同操作。用氣球收集多余的硫酸亞鐵溶液。最后打開止水夾，在止水夾處點燃集氣瓶內氣體，會聽見輕微爆鳴聲。實驗結束后，實驗現象如圖5所示。