三個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及教學(xué)

摘 要： 分析學(xué)生可能暴露的錯(cuò)誤或不完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)、改進(jìn)氫氧燃料電池的制備、氯水成分的探究以及NOx的制備和性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)，較好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析和反思討論，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞： 氫氧燃料電池； 氯水成分； 氮氧化物； 教學(xué)案例； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）11-0071-05

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

由感性認(rèn)識(shí)得出的結(jié)論常常會(huì)偏離科學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)［1］。通過(guò)針對(duì)性地創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以有效輔助學(xué)生暴露錯(cuò)誤或者不完整的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，使學(xué)生感受到原有概念的局限［2］。本文以氫氧燃料電池的制備、氯水成分的探究、NOx制備和性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為案例，設(shè)計(jì)符合學(xué)情的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，有效指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析引導(dǎo)學(xué)生逐步上升到理性認(rèn)識(shí)，真正發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值。

1 氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.1 教材實(shí)驗(yàn)

2020年版的蘇教版化學(xué)必修二中的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

（1） 按下開(kāi)關(guān)S1，接通電源，電解溶液約半分鐘，碳棒上分別產(chǎn)生明顯的氣泡。

（2） 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，按下開(kāi)關(guān)S2，可以觀察到二極管的發(fā)光現(xiàn)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的動(dòng)機(jī)

2017年版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）將“制作簡(jiǎn)易的燃料電池”列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生對(duì)鋅銅-稀硫酸原電池的認(rèn)識(shí)是具體的：鋅失去電子，電子通過(guò)導(dǎo)線移動(dòng)到銅極，所以銅極產(chǎn)生氫氣；學(xué)生對(duì)燃料電池的認(rèn)識(shí)是抽象的：氣體不能做電極，外電路如何產(chǎn)生電子的定向移動(dòng)形成電流，是學(xué)生對(duì)燃料電池的最大困頓。針對(duì)性地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比使學(xué)生主動(dòng)意識(shí)到外部電流的產(chǎn)生主要有兩種方式：一是電極本身可以失去電子；二是電極本身作為催化劑，使覆在活性位點(diǎn)上的氣體失去電子［3］。常見(jiàn)的燃料電池就是利用了第二種方式。

1.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

器材：9V方塊電池、3mm LED發(fā)光二極管、兩個(gè)碳棒、兩支8cm長(zhǎng)的中華牌2B鉛筆芯、鎳泡電極、硬紙板

藥品：10%硫酸溶液和飽和Na2SO4的混合溶液

1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

（1） 選擇與9V方塊電池電極直徑相當(dāng)?shù)奶及簟?/p>

（2） 以9V電池的正負(fù)極之間的寬度作為標(biāo)準(zhǔn)把兩支碳棒固定在硬紙板上。

（3） 在燒杯中注入10%的硫酸和飽和Na2SO4的混合溶液為電解質(zhì)溶液。

（4） 將9V的方塊電池的正負(fù)極充分接觸兩支碳棒。兩支碳棒都產(chǎn)生大量的氣泡，與電源負(fù)極相連的一端產(chǎn)生的氣體比另一端產(chǎn)生的氣體更多。

（5） 當(dāng)氣體非常多的時(shí)候，取下方塊電池。

（6） 迅速將3mm LED發(fā)光二極管連接到電路中，3mm LED發(fā)光二極管亮了。

1.3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 如果碳棒太粗，可以用小刀將碳棒的頭部削一下，確保碳棒與電池的正負(fù)極充分接觸。

（2） 可以彎曲3mm LED的電極，固定3mm LED和碳棒，保證碳棒與之充分接觸。

（3） 電解的時(shí)間以90秒為宜。

（4） 移走電池后，要迅速連接好3mm LED和碳棒。

1.3.5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

（1） 更換電極，采用兩支8cm長(zhǎng)的2B鉛筆芯為電極，如圖3所示。操作同上，小燈泡不亮。

（2） 更換電極，采用鎳泡電極與電池的負(fù)極相連，如圖4所示。操作同上，小燈泡亮的時(shí)間明顯比碳棒長(zhǎng)。

1.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

“講”燃料電池是中學(xué)最普遍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)象。化學(xué)家傅鷹說(shuō)過(guò)：“提出一個(gè)機(jī)理來(lái)解釋一種現(xiàn)象并不困難，困難的是如何以實(shí)驗(yàn)證明這是正確的，而且是唯一正確的機(jī)理。在未達(dá)到這個(gè)地步之時(shí)，我們對(duì)于任何理論都應(yīng)該持保留態(tài)度。只有如此，才是實(shí)事求是的科學(xué)精神。”

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察到采用鉛筆芯電極有氣泡產(chǎn)生，氣泡少，小燈泡不亮；采用石墨電極，有大量的氣泡產(chǎn)生，小燈泡可以亮2～4秒；采用鎳泡電極［4］，同樣有大量的氣泡產(chǎn)生，小燈泡可以亮5～6秒。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生不但可以得出燃料電池的電極材料扮演兩個(gè)角色，一是催化劑，氫氣覆蓋在電極材料的活性位點(diǎn)上，就可以失去電子；二是充當(dāng)導(dǎo)線，傳輸電子，還可以得出不同的電極催化效果是不同的，氫氧燃料電池中鎳泡電極優(yōu)于石墨電極［5，6］。

2 氯水成分探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 教材實(shí)驗(yàn)

2020年版的蘇教版化學(xué)必修一中，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)裝置圖，通過(guò)三個(gè)小實(shí)驗(yàn)探究氯水的成分［7］。

（1） 實(shí)驗(yàn)1：將干燥的有色布條和濕潤(rùn)的有色布條分別放入兩瓶干燥的氯氣中，觀察并比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)2：分別用玻璃棒蘸取新制氯水和稀鹽酸，滴在pH試紙上，觀察并比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（3） 實(shí)驗(yàn)3：在潔凈的試管中加入1mL新制氯氣，再向試管中加入幾滴硝酸銀溶液和稀硝酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的動(dòng)機(jī)

氯氣有毒，課堂演示該實(shí)驗(yàn)的教師少之又少。教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)想達(dá)成三個(gè)教學(xué)目標(biāo)：一是通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生意識(shí)到氯水中真正具有漂白作用的是次氯酸，氯氣不具有漂白性；二是氯水呈酸性，可以用pH計(jì)測(cè)定，但不宜用pH試紙測(cè)量；三是氯氣與水會(huì)發(fā)生反應(yīng)，且反應(yīng)是可逆的。氯水的漂白性、氯水的酸性測(cè)量是近幾年高考考查的熱點(diǎn)，也是學(xué)生最普遍的失分項(xiàng)。轉(zhuǎn)變思維，氯氣雖然有毒卻是增強(qiáng)學(xué)生“綠色化學(xué)”觀念的契機(jī)。作為一名化學(xué)教師有責(zé)任教會(huì)學(xué)生正確處理有毒氣體，降低有毒氣體的危害且利用它的性質(zhì)造福人類(lèi)社會(huì)。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

器材：2個(gè)50mL的注射器、10個(gè)紅色的采血管、干燥的有色布條、濕潤(rùn)的有色布條

藥品：濃鹽酸、高錳酸鉀、飽和食鹽水、濃硫酸、稀硝酸、稀硝酸銀溶液、紫色石蕊溶液

2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 推動(dòng)注射器活塞，少量多次地推入濃鹽酸。

（2） 可以觀察到有黃綠色氣體產(chǎn)生、干燥的有色布條不變色、濕潤(rùn)的有色布條退色，紫色石蕊先變紅、然后退色，硝酸銀溶液中出現(xiàn)白色沉淀。

（3） 更換注射器，將飽和Na2CO3溶液推入濃鹽酸與高錳酸鉀反應(yīng)后的體系中，利用HCl與Na2CO3反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，從而將裝置中的氯氣趕入氫氧化鈉溶液中，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

（4） 由現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

① Cl2+H2OHCl+HClO

② Cl-+Ag+AgCl↓

③ 干燥的氯氣沒(méi)有漂白性，濕潤(rùn)的氯氣具有漂白性

尾氣處理：Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

2.3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 高錳酸鉀需少量，確保全部反應(yīng)掉。

（2） 濃鹽酸要少量多次地加入，防止反應(yīng)太劇烈。

（3） 反應(yīng)后的裝置中有氯氣，反應(yīng)最后要將飽和Na2CO3溶液推入發(fā)生裝置中，排出裝置中的氣體，對(duì)尾氣進(jìn)行處理。

2.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

掌握概念須理解其內(nèi)涵，明其外延。紫色石蕊變紅，氯水中有H+，符合學(xué)生的常規(guī)認(rèn)知。后來(lái)退色，這一反常現(xiàn)象與學(xué)生的認(rèn)知是相悖的。這種碰撞可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到任何一個(gè)概念都是內(nèi)涵與外延的統(tǒng)一。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，自然得出氯氣不具有漂白性的結(jié)論。教師要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、去偽存真的科學(xué)態(tài)度，這與“新課標(biāo)”提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)也是一致的。封閉式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究氯水成分可以提高實(shí)驗(yàn)的安全性和教學(xué)效果。

3 NOx制備和性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 教材實(shí)驗(yàn)

2020年版的蘇教版化學(xué)必修二中的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

（1） 實(shí)驗(yàn)1：將銅片置于具支試管的底部，通過(guò)分液漏斗加入2mL濃硝酸，將產(chǎn)生的氣體通入倒置于水槽充滿水的集氣瓶中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)2：向分液漏斗內(nèi)加入5mL水，稀釋硝酸，繼續(xù)收集產(chǎn)生的氣體，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象［8］。

3.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的動(dòng)機(jī)

銅與硝酸的反應(yīng)是高中化學(xué)教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是有優(yōu)勢(shì)的，體現(xiàn)硝酸濃度不同的反應(yīng)產(chǎn)物也隨之不同。因?yàn)闆](méi)有排除空氣的干擾，銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生的是NO2還是NO具有爭(zhēng)議性；學(xué)生易混淆NO2和NO；銅與硝酸的反應(yīng)產(chǎn)物取決于硝酸的濃度，這種由反應(yīng)物濃度不同導(dǎo)致產(chǎn)物不同也增加了學(xué)生理解和記憶的難度。

3.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：10mL螺口注射器5個(gè)、50mL的螺口注射器1個(gè)、20mL注射器2個(gè)、6個(gè)三通閥、雙目魯爾管

藥品：銅片、濃硝酸、稀硝酸、蒸餾水、氫氧化鈉的酚酞溶液、氧氣

3.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 旋轉(zhuǎn)三通閥閥門(mén)，將8號(hào)注射器中稀硝酸推入7號(hào)注射器中，關(guān)閉7號(hào)注射器閥門(mén)。

（2） 旋轉(zhuǎn)三通閥閥門(mén)，將1號(hào)注射器中濃硝酸推入2號(hào)注射器中，關(guān)閉2號(hào)注射器閥門(mén)。

（3） 2號(hào)注射器里溶液變藍(lán)綠色，有紅棕色氣體產(chǎn)生，推動(dòng)2號(hào)注射器的活塞緩緩向上移動(dòng)，直至銅片消失，活塞停止上升。

（4） 反應(yīng)停止后，旋轉(zhuǎn)活塞，將2號(hào)注射器中的溶液推入1號(hào)注射器，關(guān)閉1號(hào)的注射器閥門(mén)。

（5） 7號(hào)注射器中，產(chǎn)生氣泡，溶液變?yōu)闇\藍(lán)色。

（6） 旋轉(zhuǎn)閥門(mén)，將2號(hào)中紅棕色氣體緩慢推入3號(hào)注射器中，紅棕色氣體消失，產(chǎn)生無(wú)色氣體，體積大約為紅棕色氣體的13。

（7） 待3號(hào)注射器中反應(yīng)完全，旋轉(zhuǎn)閥門(mén)，將4號(hào)注射器中O2通入3號(hào)注射器中，無(wú)色的氣體快速變?yōu)榧t棕色，時(shí)間久了紅棕色又變?yōu)闊o(wú)色氣體。

（8） 7號(hào)注射器中銅片消失，溶液變成藍(lán)綠色，產(chǎn)生無(wú)色的氣體，旋轉(zhuǎn)閥門(mén)，將7號(hào)注射器中溶液擠入8號(hào)注射器中，關(guān)閉8號(hào)注射器的閥門(mén)。

（9） 旋轉(zhuǎn)活塞，將6號(hào)中O2緩慢推入7號(hào)注射器中，7號(hào)注射器中無(wú)色氣體迅速變?yōu)榧t棕色。

（10） 調(diào)節(jié)閥門(mén)，將3號(hào)注射器中液體和氣體擠入5號(hào)注射器中，將7號(hào)注射器中的氣體擠入5號(hào)注射器，5號(hào)注射器中紅色消失。

（11） 由現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論（略）。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 3號(hào)、7號(hào)采用20mL的注射器，5號(hào)采用50mL的注射器，其他為10mL的注射器。

（2） 因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)速率較慢，旋轉(zhuǎn)閥門(mén)先將稀硝酸擠入銅片中。

（3） 銅片需少量，確保全部反應(yīng)掉。

（4） 緩慢充入氣體，防止氣體的總體積超過(guò)注射器的總體積。

3.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的意義

第一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，銅與濃硝酸反應(yīng)產(chǎn)生紅棕色的氣體，銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)生無(wú)色氣體，得出反應(yīng)物濃度的不同，產(chǎn)物也不同的結(jié)論；第二個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，2號(hào)注射器中的紅棕色氣體遇到水會(huì)變成無(wú)色氣體，無(wú)色氣體遇到氧氣又變成紅棕色氣體。7號(hào)注射器中的無(wú)色氣體遇到氧氣變成紅棕色氣體。得出紅棕色氣體和無(wú)色氣體可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論。最后把氣體都充入加有酚酞的氫氧化鈉溶液中，紅色溶液的顏色變淺直至消失，得出氫氧化鈉溶液可以對(duì)NOx進(jìn)行尾氣處理的結(jié)論。針對(duì)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果優(yōu)于“講”實(shí)驗(yàn)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生正確認(rèn)知的建立、提高教學(xué)質(zhì)量具有重要價(jià)值。

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