基于證據(jù)推理進行演示實驗改進

羅敏

摘 要 過氧化鈉制備實驗存在產物少、雜質多、現(xiàn)象不明顯等不足，且存在鈉在坩堝中燃燒時坩堝易裂等問題。通過實驗探索與嘗試，使用一種“特種陶瓷”蒸發(fā)皿，能夠觀察到明顯實驗現(xiàn)象，獲得理想的過氧化鈉固體。改進后的實驗在引導學生觀察現(xiàn)象、獲取證據(jù)、分析推理等方面具有重要意義，進而發(fā)展學生證據(jù)推理素養(yǎng)。

關鍵詞 證據(jù)推理 實驗改進 鈉燃燒 過氧化鈉性質探究

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出，“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。基于此條核心素養(yǎng)設立的高中化學課程目標為“初步學會收集各種證據(jù)，對物質的性質及其變化提出可能的假設；基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設；能解釋證據(jù)與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”[1]。推理是一種思維，建立在科學證據(jù)基礎之上。在實際的課堂教學中，證據(jù)推理核心素養(yǎng)落地要關切各個方面。其中，實驗證據(jù)作為科學證據(jù)之一，是學生在特定的實驗情境下可以獲得的重要證據(jù)，進而完成推理這一認知過程。教師要盡可能地開展教學實驗、演示好實驗，為學生觀察現(xiàn)象、獲得科學的實驗證據(jù)、進行分析推理提供條件。

一、問題提出

鈉是活潑金屬的代表，鈉在空氣中燃燒是高中化學重要的演示實驗。在實際教學中，鈉燃燒實驗存在如下不足：無論將鈉置于石棉網(wǎng)上，還是坩堝中燃燒，都存在著生成物少、坩堝炸裂、實驗現(xiàn)象不明顯等不足，這影響學生觀察實驗現(xiàn)象、收集證據(jù)等，進而影響教學效果。同時，在后續(xù)課程中，在做驗證過氧化鈉性質實驗時，由于過氧化鈉性質活潑、極易變質，導致藥品的浪費。

設想：能否通過改進實驗將鈉在空氣中燃燒快速制備過氧化鈉？并完成過氧化鈉性質驗證實驗？鈉燃燒實驗的改進主要在灼燒容器和方式上推陳出新，為此，筆者進行了相關的實踐探索。

二、演示實驗的探究與改進

（一）過氧化鈉性質驗證實驗分析與改進

待鈉燃燒實驗完成，坩堝稍冷卻后，用膠頭滴管往產物上滴水，并立刻用帶火星的木條靠近。

1.實驗現(xiàn)象：帶火星的木條沒有明顯變化。

2.原因分析：可燃物燃燒需滿足兩個條件——著火點、助燃劑。帶火星的木條沒有復燃，可能是過氧化鈉與水反應生成的氧氣釋放到空氣中被稀釋了，導致氧氣濃度低。

3.改進辦法：通過增加一個裝置富集反應過程中產生的氧氣，提升氧氣濃度。

（二）氧氣富集實驗改進

如圖1所示實驗裝置，用膠頭滴管往生成了過氧化鈉的坩堝中滴加水后，迅速將普通漏斗倒扣在坩堝上，再將帶火星的木條快速伸入漏斗尖嘴處。

1.實驗現(xiàn)象：火星變亮，但是木條沒有復燃。

2.原因分析：火星變亮說明通過增加氧氣濃度的方法是正確的。但是木條沒有復燃，說明氧氣的濃度還不夠大。通過查閱文獻資料，發(fā)現(xiàn)氧氣體積分數(shù)達到36.0%以上時，帶火星的木條才可能復燃[2]。可能原因是過氧化鈉與水反應是放熱反應，導致滴加的水快速蒸發(fā)稀釋了氧氣濃度。

3.改進辦法：減少滴水量，同時通過增加鈉的質量提升氧氣的量，以此達到提升氧氣體積分數(shù)的目的。①為減少水蒸氣量，借鑒“滴水生火”“吹氣生火”等實驗中的經(jīng)驗，上述實驗均用到了棉花，考慮用噴霧瓶噴濕棉花代替膠頭滴管直接加水。②為提升氧氣的量，考慮增加鈉的用量。

（三）氧氣體積分數(shù)提升實驗改進

切取兩塊體積均約為黃豆粒大小的金屬鈉并將其置于坩堝中燃燒。燃燒完畢后，將噴濕的棉簽伸入坩堝中摩擦固體產物。

1.實驗現(xiàn)象：棉簽燒紅后變黑，但沒有產生火焰。由于使用的鈉量更大，在受熱熔化后幾乎將坩堝底部鋪滿，而產生的淡黃色物質的比例也在減少。燃燒更多的鈉并沒有生成相應比例的過氧化鈉。

2.原因分析：無論在石棉網(wǎng)上還是坩堝中鈉燃燒總會有黑色物質產生。因此在鈉燃燒制過氧化鈉實驗中，想要獲得更多的過氧化鈉來產生更多的氧氣，就要減少黑色物質生成。

通過查閱文獻資料，對于產生黑色物質的可能原因主要有以下幾種猜想：①石棉網(wǎng)中的石棉成分的影響；②煤油燃燒產生的二氧化碳被鈉還原；③空氣中的二氧化碳被鈉還原。

石棉網(wǎng)中石棉成分的影響通過使用坩堝做實驗已經(jīng)被排除了，因為鈉在坩堝中燃燒也有黑色物質生成。對于煤油燃燒產生二氧化碳的影響，將鈉塊的表面切去薄薄一層后進行實驗，發(fā)現(xiàn)黑色物質有所減少但并未消除。對于空氣中二氧化碳的影響，夏建華[3]等將除去表層的鈉置于除去二氧化碳的空氣（將空氣通過堿石灰）中燃燒，實驗發(fā)現(xiàn)黑色物質比在空氣對照組中有所減少；江智永等[4]用六角螺帽固定鈉塊在鐵板上加熱，待鈉熔化后用鑷子取走螺帽，由于這個實驗中鐵板和螺帽組合為反應提供了更高的溫度，內部的鈉沖破表面氧化膜與空氣接觸，生成大量淡黃色固體。猜測鈉燃燒時表面氧化膜的存在會導致燃燒后黑色物質比例增多。鈉塊內部在高溫下沖破表面氧化膜后燃燒產生大量淡黃色固體的實驗以及鈉在坩堝中燃燒可以說明一些問題。在之前的嘗試中，為了生成更多的過氧化鈉以增大氧氣量，而正是因為坩堝底部面積較小，較多的鈉燃燒時內部的鈉無法“突圍”表面的氧化物薄膜。

3.改進辦法：通過上述原因分析，將改進重心放在灼燒容器上，目的是使熔化后的金屬鈉能夠攤開充分燃燒。考慮用蒸發(fā)皿代替坩堝進行實驗。

（四）鈉充分燃燒實驗改進

切取黃豆粒大小的鈉置于蒸發(fā)皿中燃燒。

1.實驗現(xiàn)象：鈉燃燒時產生的黑色物質集中在最初放入鈉塊的位置（圖2中箭頭所指位置），而熔化后從鈉球中“突圍”出來的“新”鈉燃燒則開出艷麗的“黃色之花”，如圖2所示。

新問題也隨之產生，蒸發(fā)皿直接炸裂或隱裂，觸碰后即發(fā)生散落（圖2是坩堝鉗取下蒸發(fā)皿前拍的圖片）。這樣不符合演示實驗安全環(huán)保、儀器可以重復使用原則。

2.原因分析：蒸發(fā)皿炸裂可能與蒸發(fā)皿材質有關。

3.改進辦法：通過查閱文獻資料，并結合實際，分別用鋁板（厚3 mm）和鑄鐵坩堝進行了試驗。發(fā)現(xiàn)鋁板的導熱效果欠佳，用酒精燈加熱鋁板許久只觀察到鈉塊變軟，并未熔化；用鑄鐵坩堝進行實驗雖然不裂，但是也出現(xiàn)了鈉無法攤開燃燒的問題，且實驗完畢后，發(fā)現(xiàn)鐵坩堝被嚴重腐蝕。儀器改進再次關注到傳統(tǒng)硅酸鹽材料的蒸發(fā)皿。

硅酸鹽材質蒸發(fā)皿有普通陶瓷和特種陶瓷兩種不同材質。關于“特種陶瓷”蒸發(fā)皿，商品詳情頁的介紹是“加厚特種陶瓷”“耐高溫1200 ℃”“加厚釉”。與普通陶瓷蒸發(fā)皿相比更重、更厚，75 mL規(guī)格的重量約為62克，厚度為3.018 mm；而同等規(guī)格普通蒸發(fā)皿約為54克，厚度為1.814 mm（見圖3）。適當增加釉層厚度可以降低熱膨脹系數(shù)[5]。

使用特種陶瓷蒸發(fā)皿進行三次鈉燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)都沒有出現(xiàn)裂痕。實驗結束后，由于受釉層的保護，蒸發(fā)皿并沒有被腐蝕得太嚴重，可浸泡洗凈后繼續(xù)使用，實驗效果較為理想。

將實驗改進最佳方案整理如下。

（五）實驗改進最佳方案

1.實驗用品

儀器：鑷子，小刀，玻璃片，濾紙，小燒杯，大棉簽（長20 cm），噴霧瓶，酒精燈，特種陶瓷蒸發(fā)皿，坩堝鉗，三腳架，泥三角，石棉網(wǎng)，火柴。

藥品：鈉，酚酞溶液。

2.實驗步驟

①將鈉塊從煤油中取出，切取兩塊黃豆粒大小的鈉，用濾紙吸干鈉表面煤油，再將其表面切去薄薄一層，切下的薄層放回原瓶。

②將鈉塊放到特種陶瓷蒸發(fā)皿中，點燃酒精燈。鈉燃燒完后撤去酒精燈，冷卻蒸發(fā)皿。

③用鑷子從蒸發(fā)皿底部輕輕刮下一小塊黃色產物放入裝有少量水的小燒杯中，并滴加1～2滴酚酞溶液。

④用坩堝鉗取下蒸發(fā)皿放在石棉網(wǎng)上。用手將棉簽頭部適當撕蓬松，再用噴霧瓶噴濕（潮濕即可，不可噴太多水），接著一手用坩堝鉗夾持蒸發(fā)皿，另一只手握棉簽用棉花部分接觸淡黃色固體，并稍稍用力摩擦。

3.實驗現(xiàn)象

①25秒左右鈉熔成小球，鈉球表面有銀白色薄膜，繼續(xù)加熱，鈉球表面出現(xiàn)黑色物質，表層的黑色物質翻涌著，被推到鈉球邊沿。

②鈉球邊沿首先出現(xiàn)黃色物質。鈉球邊沿開始出現(xiàn)火焰，從周邊開始燃燒，產生大量的煙。內部熔化的鈉沖破表面的膜后攤開燃燒，最終生成珊瑚狀的淡黃色固體。

③將黃色產物溶解于水后，往其中滴加酚酞溶液，溶液變紅。

④用噴濕后的棉簽摩擦淡黃色固體，棉簽迅速冒煙，燒紅，滾動棉簽接觸新的淡黃色固體，聽到“噗”的一聲后，棉簽燃燒起來。

化學實驗探究是推進證據(jù)推理深度的重要途徑。實驗改進是一個循環(huán)迭代過程，需基于實驗現(xiàn)象，分析推理→改進實驗方案→再實驗、再思考→得出結論。實驗現(xiàn)象是科學證據(jù)，也是思考的開始[6]。高中教師要把握好課堂演示實驗的契機，將教學目標從初中的“實驗與探究”逐步走向“證據(jù)推理”。

[參 考 文 獻]

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孫曉春，李莉，雷錦波，等.用傳感器測定使帶火星木條復燃的氧氣濃度極限[J].中學化學教學參考，2016（1）：64-65.

[3]夏建華，宮朋飛.基于翻轉課堂的科學探究典型案例研究：以“探究鈉燃燒實驗中黑色產物的成因”為例[J].化學教學，2015（2）：36-39.

[4]江智永，汪斌權.鈉在空氣中燃燒實驗的再探究[J].化學教學，2016（2）：48-50.

[5]徐澤躍，董國強，吳和平.陶瓷耐熱餐具的研制[J].江蘇陶瓷，2004（9）：29-32.

[6]陳嫦.基于證據(jù)推理素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學課堂研究[J].中小學教學研究，2022（3）：83-88.

（責任編輯：姜顯光）