“大象牙膏”趣味實驗對于教學(xué)的妙用

柏楊 文麗

摘要：通過對“大象牙膏”趣味實驗的重新設(shè)計，用不同條件的實驗對比，探究“大象牙膏”實驗運用于“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”實驗教學(xué)的最佳條件，并以此重新演繹濃度和溫度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實驗探究，讓學(xué)生更好地理解該部分知識。

關(guān)鍵詞：大象牙膏;化學(xué)反應(yīng)速率;過氧化氫;酵母

文章編號：1008-0546（2020）01-0091-02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.026

在人教版必修2的“化學(xué)反應(yīng)的速率和限度”這一節(jié)中，有哪些條件能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率，書中用了兩組實驗進(jìn)行探究。

首先，用2支相同的試管裝入2-3mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的過氧化氫溶液和1-2滴濃度為1mol·L^-1氯化鐵溶液。反應(yīng)開始后，將兩支試管分別放進(jìn)盛有5°C左右的冷水和盛有40℃左右的熱水的燒杯中，對比觀察現(xiàn)象。

其次，在3支相同的試管中各裝入2-3mL約5%的H2O2溶液，向其中兩支試管中分別加入1～2滴lmol·L^-1FeCl3溶液和MnO2粉末，對比觀察現(xiàn)象。

上述實驗的目的非常明確，從第一組實驗中可以得出，升高反應(yīng)溫度，反應(yīng)速率加快，而降低反應(yīng)溫度，反應(yīng)速率減小。從第二組實驗中得到，加入Fe-cl3、MnO2等催化劑，反應(yīng)速率加快。

但是在實際教學(xué)中，兩組實驗雖然設(shè)計縝密，可是作為課堂實驗進(jìn)行講解是不太被重視的。分析原因，第一，H2O2的分解實驗在初中就作為一個重點實驗出現(xiàn)過，學(xué)生本身就有一定的基礎(chǔ)，再在課上拿這個實驗做，因為實驗中沒有新知識出現(xiàn)，大多數(shù)教師選擇忽略不講;第二，筆者按照課本的要求，分別在多個班級演示了這兩組實驗，對于近距離觀察的學(xué)生，可明顯觀察到氣泡生成速率確實不同，但試管中產(chǎn)生的現(xiàn)象對于遠(yuǎn)距離觀察的學(xué)生而言，基本看不到實驗現(xiàn)象，就算坐在前排的學(xué)生可及時看到，但對其并無視覺沖擊力，做完實驗對學(xué)生來說和沒做是一樣的。第三，大多數(shù)教師認(rèn)為這個知識本不屬于難點，不用實驗，用語言描述就可以讓學(xué)生很好地理解。

基于以上原因，筆者考慮對課本中的這組實驗進(jìn)行改進(jìn)，延續(xù)原實驗設(shè)計簡單、易操作的特點，通過改進(jìn)實驗，使實驗現(xiàn)象對學(xué)生有視覺沖擊力，在實際教學(xué)中，既節(jié)約時間，又比語言描述更具說服力。

“大象牙膏”實驗是十分常見的一個趣味實驗，以實驗方法簡單、實驗效果明顯而經(jīng)常被人提及。其實驗方法是將過氧化氫與發(fā)泡劑混合起來，加入少許催化劑，即可觀察到一股充滿氧氣的泡沫狀物質(zhì)像噴泉一樣從容器中噴涌而出（體積很大，故得名于“大象牙膏”）。但是這個實驗中反應(yīng)速率很快，怎樣將“大象牙膏”實驗設(shè)計成可以適用于探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的教學(xué)？為此，筆者做了不同條件的實驗對比，以探究將“大象牙膏”運用于該實驗教學(xué)的最佳條件。

一、不同濃度過氧化氫在無催化劑作用時的分解情況

取四個100mL的燒杯，加入10mL約5%、10%、15%、30%的過氧化氫溶液和5滴洗潔精（起泡劑），其實驗結(jié)果如表1所示。

從實驗現(xiàn)象來看，過氧化氫在常溫、無催化劑的作用下，其性質(zhì)相對穩(wěn)定，分解現(xiàn)象不明顯。

二、不同催化劑作用下過氧化氫的分解情況

“大象牙膏”實驗現(xiàn)象瞬問發(fā)生，對于需要有過程觀察的課堂實驗教學(xué)而言，反應(yīng)速率過快，不便于學(xué)生觀察，需要把反應(yīng)速率適當(dāng)?shù)卣{(diào)小。

取三個100mL的小燒杯，分別加入10mL約10%的過氧化氫溶液和5滴洗潔精（起泡劑），再向其中分別加入4mL 10%的KI、KMnO4、酵母，其實驗結(jié)果如表2所示。

從實驗現(xiàn)象來分析，碘化鉀加入過氧化氫的分解反應(yīng)中，生成黃色溶液和淡黃色氣泡都表明可能有碘單質(zhì)生成，筆者在反應(yīng)后的溶液中加入淀粉溶液，其顏色變藍(lán)，在筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，也確認(rèn)碘化鉀對于過氧化氫的分解反應(yīng)，既部分參與反應(yīng)，同時也是催化劑。

高錳酸鉀對于過氧化氫的分解反應(yīng)，催化效率極佳，反應(yīng)速率很快，導(dǎo)致一部分高錳酸鉀還未與過氧化氫接觸，就被帶出。

酵母含有豐富的酶系統(tǒng)（如蔗糖酶、麥芽糖酶、乳糖酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、己糖磷酸化酶、脫羧酶、脫氫酶等）和生理活性物質(zhì)（如輔酶A、谷胱甘肽、細(xì)胞色素c、卵磷脂、核糖核酶等），所以酵母作為生活中常見的生物催化劑，其在過氧化氫的分解反應(yīng)中使反應(yīng)速率加快明顯，也可持續(xù)催化至反應(yīng)結(jié)束。

以上三種催化劑比較來看，若將其運用于教學(xué)實驗，高錳酸鉀做催化劑，反應(yīng)速率過陜，不利于學(xué)生觀察過程，只會讓他們的認(rèn)識停留在實驗現(xiàn)象上;碘化鉀既參與反應(yīng)，又做催化劑，反應(yīng)體系太復(fù)雜，催化作用在其中的作用有多大，還值得商榷，所以，筆者認(rèn)為催化劑最好選用酵母。酵母是生活中常見的物質(zhì)，對學(xué)生來說不陌生，但將其運用在過氧化氫的催化分解實驗中，學(xué)生會覺得很新奇，這就加大了學(xué)生對本節(jié)課的探究興趣，有利于學(xué)生對本節(jié)知識的學(xué)習(xí)。

三、不同濃度酵母溶液對過氧化氫催化分解情況

取五個100mL的燒杯，分別加入10mL約10%的過氧化氫溶液和5滴洗潔精（起泡劑），再向其中分別加入4mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2%、5%、10%、15%的酵母，其實驗結(jié)果如表3所示。

從上述實驗結(jié)果來看，酵母的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%到10%，反應(yīng)速率明顯加快，但隨著酵母質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%到15%，反應(yīng)速率加快不明顯。所以，10%的酵母溶液可作為過氧化氫分解的催化劑最佳規(guī)格。

四、不同濃度過氧化氫的分解情況（相同催化劑）

取三個100mL的燒杯，向其中分別加入10mL約5%、10%、15%的過氧化氫溶液和5滴洗潔精（起泡劑），再向其中分別加入4mL 10%的酵母，其實驗結(jié)果如表4所示。

從實驗現(xiàn)象可以明顯發(fā)現(xiàn)，過氧化氫濃度增大，反應(yīng)速率加快;反之，濃度減小，反應(yīng)速率減慢。

五、不同溫度過氧化氫的分解情況（相同催化劑）

取三個100mL的小燒杯，分別加入10mL約10%的過氧化氫溶液和5滴洗潔精（起泡劑），將其中一個燒杯放人盛有5°C左右冷水大燒杯中，另一個燒杯放入盛有40°C左右熱水的大燒杯中，再向其中分別加入4mL 10%的酵母，其實驗結(jié)果如表5所示。

從實驗現(xiàn)象可以明顯發(fā)現(xiàn)，升溫則反應(yīng)速率加快，降溫則反應(yīng)速率減慢。

從上述一系列的探究實驗中，可以看出“大象牙膏”實驗適用于“影響化學(xué)反應(yīng)速率”課堂演示實驗的最佳條件是10%的過氧化氫和10%的酵母溶液混合，讓這個反應(yīng)現(xiàn)象保持視覺沖擊力的同時，有了一定的過程性，更適合課堂教學(xué)。“大象牙膏”趣味實驗用簡單的儀器和簡單實驗藥品經(jīng)過設(shè)計讓過氧化氫分解實驗的觀賞性與化學(xué)原理聯(lián)系起來，教師在進(jìn)行演示實驗時，學(xué)生感受到視覺沖擊力的同時接受新知識，也讓趣味實驗不僅僅停留在有趣的范疇中，而是讓其發(fā)揮更多的教育意義。