抓住實驗異常 挖掘背后成因

劉瑛

【摘? 要】實驗異常現象的出現，會使師生產生不同程度的認知沖突或出現情緒緊張的狀態。對異常現象的應對和處理，是體現教學機智和專業素養的重要時刻。本文分析了高中化學必修第二教學中出現的幾個實驗異常現象，并作出了科學合理的解釋，最后就合理規避或利用異常現象提出了思考與建議。

【關鍵詞】化學實驗;異常現象;認知沖突

一、問題的提出

化學是一門建立在實驗基礎上的學科，實驗在化學教學中有著不可替代的作用。凡事預則立，不預則廢，化學實驗亦然。明確實驗目的、分析實驗原理和預測實驗現象是進行化學實驗前所必須完成的步驟。實驗教學中的種種情況都在預設范圍內，教師在課堂上就會游刃有余，得心應手。

在上現場課和公開課時，異常現象的出現會加重緊張情緒，大多數教師都愿退避三舍，敬而遠之。在進行演示實驗或分組實驗時，執教者多期望看到預期的實驗現象，對異常現象存有畏懼之心。實驗異常的出現，會讓教師或學生的原有觀念與新經驗之間產生對立性矛盾，并對異常現象產生疑惑、出現情緒緊張或不適的狀態，即產生認知沖突。如何應對此種狀況，是值得我們思考的地方。

二、關注異常現象，挖掘背后成因

實驗教學中出現的異常現象，多與試劑來源、裝置設計、反應原理和實驗操作等有關，但是理論分析是一枝獨秀，實際情況卻是百花齊放。專業知識的大量儲備和實踐經驗的長期積累，是應對復雜多變的課堂教學的有效保障。筆者在進行高中化學必修二的教學時，實驗中出現了幾個異常現象，現分析如下。

（一）“探究影響化學反應速率的因素”實驗教學中的異常及應對

1.教學片段

學生在實驗中發現了異常現象，標注為0.1mol/L鹽酸與Zn片反應的速率竟然比1mol/L鹽酸與同樣大小同樣形狀的Zn片反應速率快。這一異常現象讓筆者也緊張了起來，用“實驗員可能將標簽貼反了，可能是藥品配制過程中出了差錯，也可能是其他什么原因，老師下課了解一下”搪塞過去了，但是學生在下課聊天的時候樂此不疲地與同伴分享著這一趣事。筆者意識到這一“烏龍事件”可能會產生無法估量的蝴蝶效應，必須揭示背后成因，在課堂上與同學共同分析討論。

2.揭示原因

實驗小組所用的0.1mol/L鹽酸是從藥品柜中拿出來的，且從初次配制至此次使用已相隔幾年時間。因滴瓶的橡膠塞全部老化開裂，故在使用前全部替換成新橡膠塞。筆者用5-8小組使用的鹽酸和藥品柜中保存的0.1mol/L的鹽酸分別再次進行了實驗，與學生所得實驗現象相同;而用準備室中臺面上放置的相應濃度的鹽酸做實驗，現象卻是與預期相同的。因此，實驗員貼錯標簽的可能性為零，造成實現現象異常的原因與鹽酸在保存過程中發生的變化有關。濃鹽酸具有揮發性，會使其濃度變小，按照思維定勢，實驗室保存的0.1mol/L的鹽酸亦會變稀，實驗對比結果應該不會逆轉，但是實驗事實確是如此，通過查閱大學《物理化學》課本找到了原因。

對于同一系統，其所含物質數量的多少隨人們研究問題的出發點不同而不同，但是平衡系統的組分數卻始終保持一定值，所以，組分數是表征系統性質的一個重要參數。組分數不僅與物質種數有關，還與化學反應條件、濃度限制條件等有關。組分數等于系統中的物種數減去獨立的化學平衡數，再減去同一相的獨立濃度限制條件數。對于HCl和H2O組成的溶液而言，若不考慮它們的電離，其平衡系統中所含的組分數是2。若要考慮，則根據反應：2H2O? ? H3O++OH-，HCl=H++Cl-，可知組分數=6-2-2=2，仍然不變。

對于二組分系統而言，影響其狀態的因素有溫度、壓力和組成。試劑是在常壓下保存的，所以可以固定壓力，繪制沸點（T）-組成（x）圖（見圖1）。由于HCl溶于水后完全電離，使得揮發性發生改變，在T-x圖上出現最高點，即最高恒沸點383K，該點上氣、液兩相組成相同，HCl的質量分數為20.24%。373K、187.9K分別為水和氯化氫的沸點。根據柯諾華諾夫第一規則，較易揮發組分在氣相中的成分大于在液相中的成分，即溶液中沸點低的組分在氣相中的成分總比在液相中的大，所以T-x圖的氣相線總是在液相線上方。

據圖可知，當組分處于左半部時，則分餾結果得到純水和HCl-H2O恒沸混合物。當組分利于右半部分時，則分餾結果得到HCl和和HCl-H2O恒沸混合物。藥品柜中保存的鹽酸初始濃度是0.1mol/L，恒沸混合物的濃度約為6mol/L，故保存于藥品柜中的稀鹽酸在存放過程中，因滴瓶膠塞老化、密封性較差等原因，氣相物質會不斷揮發，且揮發出來的是較多的H2O和較少的HCl，液相組成逐漸向中間恒沸混合物移動，濃度逐漸增大。由此可知，稀鹽酸（質量分數小于20%）在長期存放過程中，因較多的H2O和較少的HCl揮發，導致濃度升高，故出現異常實驗現象。

（二）“乙醇的性質”實驗教學中的異常及應對

1.教學片段

“乙醇的性質”教學中，通過復習鞏固乙烯的性質，引出乙醇的工業制法——乙烯直接水化法，即在加熱、加壓和有催化劑存在的條件下，乙烯與水發生加成反應得到乙醇，繼而進行乙醇的性質探究部分。為了驗證乙醇與Na的反應，教師提出思考問題：實驗所需試劑有何要求？乙烯水化法所得乙醇能否直接進行實驗？如若不行，如何使其滿足實驗要求。因水可以與Na反應，學生多認為需要用純乙醇來進行實驗。乙烯水化法所得乙醇中混有水，可利用蒸餾的方法得到純乙醇。教師給出事實證據——蒸餾法得到的乙醇濃度最高為95.6%。這一事實與學生的原有認知產生沖突，據此介紹無水乙醇的制備方法之一——將新煅燒的CaO置于95%的乙醇中，先冷凝回流一段時間后，再蒸餾，可得無水乙醇。

教學中對無水乙醇的制備進行了重點強調，但是在后期作業評價中發現，學生的掌握得并不是很好，多停留在原有認知的水平上。故需要在形成認知沖突處再下一劑猛藥，讓學生知其然，亦知所以然。

2.揭示原因

乙醇與水組成的溶液是二組分系統，繪制沸點（T）-組成（x）圖（見圖2）。由于乙醇溶于水后與水分子間形成氫鍵，使得揮發性發生改變，在T-x圖上出現最低點，即最低恒沸點351.1K。該點上氣、液兩相組成相同，乙醇的質量分數為95.6%，改變溫度時，氣相和液相的組成均保持恒定。373K、351.2K分別為水和乙醇的沸點，氣相線在液相線上方。

乙烯水化法所制得的乙醇，其組分處于圖像左半部，故在蒸餾過程中，揮發出來的是較多的乙醇和較少的水，氣相取出后再部分冷凝，經過多次反復降溫、冷凝，氣相組成將逐漸往右下端移，直至恒沸混合物。在進一步的蒸餾過程中，組成保持不變，得到的始終是乙醇-水恒沸混合物，得不到純乙醇。所以為了得到純乙醇，需要在高濃度乙醇的基礎上，利用CaO與水的反應將微量的水除去。

（三）“乙烯的性質”實驗教學中的異常及應對

1.教學片段

濃硫酸分子內脫水是實驗室制備乙烯的常用方法，但是筆者親自進行實驗后發現效率低且副反應明顯，故放棄了利用此法制備乙烯。有一線教師利用乙烯利來快速制備乙烯，筆者自己在花卉市場也買了一瓶乙烯利，以便進行乙烯與溴的四氯化碳反應的演示實驗。

實驗猜想：根據乙烯的結構特點，類比甲烷的性質，乙烯和溴的四氯化碳能反應嗎？若反應，可以觀察到什么現象？若反應，屬于什么反應類型，是取代反應嗎？如何用實驗進行驗證？實驗驗證：教師進行演示實驗，將乙烯利與NaOH混合，現場制乙烯，并將其通入到溴的四氯化碳溶液中，溶液褪色;再向溶液中滴加幾滴HNO3酸化的AgNO3溶液，產生白色沉淀。

產生白色沉淀這一實驗現象屬異常現象，與學生通過預習所得認知相沖突，與教師預期現象亦有不同，屬于課堂生成問題。

2.揭示原因

出現的白色沉淀的成分必是AgCl，唯一引入Cl-的部分唯有乙烯利與NaOH的反應。通過查閱資料，乙烯利制備乙烯的原理是：

+ 4NaOH → CH2=CH2↑+NaCl+

Na3PO4 +3H2O

該反應中，NaOH溶于水大量放熱，且演示實驗中所用分液漏斗管口處離底部較近，導致乙烯氣體快速生成時，溶液中的NaCl隨氣流一起進入后續裝置，即HNO3酸化的AgNO3溶液中。故要排除NaCl等因素的影響，可將氣流進行降溫處理，使得NaCl進入液相，不隨氣相一起進入后續裝置。為了避免干擾，筆者進行了實驗改進，提前將乙烯制備好并收集在儲氣袋中，再進行實驗，未觀察到沉淀生成。另外，考慮到HBr難溶于CCl4，易揮發，且溴可與水反應生成HBr干擾實驗結果，所以向通入乙烯之后的溴的CCl4溶液中加入HNO3酸化的AgNO3溶液來檢驗HBr的存在有不合理之處。在第二個教學班進行教學時，做出了改進，即將乙烯與溴的CCl4溶液反應后的氣體先通入CCl4中除去可能揮發出來的溴蒸氣，再通入HNO3酸化的AgNO3溶液中。在出現異常現象的教學班中，對產生異常的原因做了詳盡的分析，并引導學生改進了設計方案，以實現培養學生科學探究的能力，并強化學生的證據推理意識。

3.點擊高考

對“乙烯的性質”實驗教學中異常現象的分析，并非閉門造車、自圓其說，實則有理可依、有跡可循。在2020年浙江卷中，濃硫酸與濃鹽酸混合制備HCl時，生成的氣體通入硝酸鋇溶液中產生白色沉淀。分析其原因，亦是因二者混合過程中放熱，HCl氣體將硫酸帶出，使其進入硝酸鋇溶液中產生白色沉淀。

在2019年北京卷中，Cu與濃硫酸在加熱條件下反應制備二氧化硫，生成的氣體通入硝酸銀溶液之前，用飽和亞硫酸氫鈉除去SO2中的雜質，其作用亦是除去可能被氣流帶出的硫酸。

三、對“異常現象”的教學思考

對實驗異常現象的應對和處理，是體現教學機智和專業素養的重要時刻。當學生因實驗異常現象產生認知沖突時，多會產生主動探究的欲望。教師可因勢利導，順勢而為，在解決沖突的過程中提升學生的認知水平和學科能力，幫助學生形成敢于質疑、勇于創新、崇尚真理和嚴謹求實的科學態度。當教師因實驗異常現象產生認知沖突時，應當有自覺探究的意識。平時教學中的意外實驗現象背后都隱藏著必然，嚴謹的科學態度是教師需要教會學生的珍貴品質。

【參考文獻】

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