基于微型實(shí)驗(yàn)失敗案例的擬題與反思

1 前言

氯氣與氫氣在光照條件下混合爆炸可以作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)。由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置需分別制取氯氣和氫氣后再收集至小塑料瓶中光照爆炸，實(shí)驗(yàn)過程過于繁瑣，也不易操作，因此筆者希望設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方便、快捷的操作。理想與現(xiàn)實(shí)總是存在差距，自認(rèn)為很精妙的設(shè)計(jì)經(jīng)反復(fù)改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)終告失敗。失敗并不否定研究的價(jià)值，通過分析實(shí)驗(yàn)失敗的原因，挖掘出影響實(shí)驗(yàn)的多種因素，由此創(chuàng)設(shè)出一道實(shí)驗(yàn)題，希望對(duì)中學(xué)師生正確處理實(shí)驗(yàn)操作與習(xí)題的關(guān)系提供一些啟示。

2 實(shí)驗(yàn)思考與擬題

題氯氣與氫氣以一定比例混合時(shí)在光照條件下會(huì)發(fā)生爆炸。A同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)氯氣與氫氣在光照條件下混合爆炸的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。他的想法是電解開始后在陰極和陽極端同時(shí)產(chǎn)生氫氣和氯氣，氣體將飽和食鹽水從多用滴管中排出(電解過程避光進(jìn)行)。當(dāng)電解尚未結(jié)束時(shí)停止電解，采用液封法，避免氯氣和氫氣的損失。接著點(diǎn)燃鎂條，用鎂光照射多用滴管，希望出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。他將想法與B同學(xué)交流之后，B同學(xué)提出電解液應(yīng)改為飽和NaCl的稀鹽酸溶液，這樣更有利于實(shí)驗(yàn)的成功。A同學(xué)對(duì)此建議表示贊同。

1)B同學(xué)認(rèn)為新方法利于成功的關(guān)鍵在于發(fā)生電極反應(yīng)(總反應(yīng)方程式) 。

2)請分析電解液更換的益處。

3)電解過程避光進(jìn)行的原因是什么?

4)采取B同學(xué)的建議后，A同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)并不成功。并且發(fā)現(xiàn)排出的溶液顏色泛微黃，聞到一股刺激性氣味。A同學(xué)決定向老師請教，老師從實(shí)驗(yàn)裝置角度、溶解度角度作出解釋。你能從這2個(gè)角度進(jìn)行分析嗎?

以上題干反映了筆者實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的全過程。

對(duì)于初始實(shí)驗(yàn)的失敗，筆者在操作中發(fā)現(xiàn)排出的飽和食鹽水顏色泛微黃，并能聞到刺激性氣味的氯氣氣體，由此認(rèn)為失敗的原因是由于混合氣體中氯氣的量偏少。雖然電解時(shí)在陰、陽兩端產(chǎn)生相同物質(zhì)量的氫氣與氯氣，但由于氯氣密度偏大而更易與液面接觸，而電解食鹽水時(shí)在溶液中生成NaOH，在多用滴管這個(gè)狹小的空間內(nèi)會(huì)再次與氯氣反應(yīng)消耗氯氣;再者，電解開始之后由于NaCl逐漸消耗，飽和程度大為降低，氯氣會(huì)少量地溶于食鹽水中。基于上述2點(diǎn)原因，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

在初步分析實(shí)驗(yàn)失敗原因之后，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。將電解液改為飽和NaCl的稀鹽酸溶液，實(shí)質(zhì)電解的物質(zhì)變?yōu)镠Cl。這樣電解過程中既不會(huì)生成NaOH，NaCl也始終會(huì)處于飽和狀態(tài)，理論上幾乎不會(huì)溶解氯氣。但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果與初始實(shí)驗(yàn)完全一致，依然失敗。在改進(jìn)之后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果都沒有改善，說明初始實(shí)驗(yàn)中分析的2個(gè)原因不是實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因。從化學(xué)角度無法解釋之后，筆者想到利用物理原理進(jìn)行分析。由于多用滴管的容積較小，當(dāng)氣體生成之后，整個(gè)橢圓形容器內(nèi)壓強(qiáng)過大，加之氯氣的密度較大，此時(shí)氯氣在飽和食鹽水中的溶解度不能以敞開體系的條件考慮，會(huì)有較多的氯氣溶解在飽和食鹽水中，隨飽和食鹽水從多用滴管中流出，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

參考答案

2)將電解液改為飽和NaCl的稀鹽酸溶液，實(shí)質(zhì)電解的物質(zhì)變?yōu)镠Cl。電解過程中既不會(huì)生成堿性物質(zhì)與Cl2反應(yīng)，同時(shí)能使NaCl始終處于飽和狀態(tài)，降低氯氣在電解過程中的損失，有利于最終的爆炸成功。

3)防止Cl2與H2在電解過程中即發(fā)生反應(yīng)。

4)多用滴管的容積較小，當(dāng)氣體生成之后，壓強(qiáng)過大，使得有較多的氯氣溶解在飽和食鹽水中，從多用滴管中排出，造成氯氣含量減少。

本試題涉及的主要知識(shí)點(diǎn)有:1)飽和食鹽水及鹽酸的電解;2)Cl2與NaOH的反應(yīng);3)Cl2與H2的光照反應(yīng);4)不同壓強(qiáng)下Cl2在飽和食鹽水中的溶解度。試題的1～3問為基礎(chǔ)題，化學(xué)基礎(chǔ)較好的學(xué)生都可解決。其中第1、3小問較為簡單，第2問難度中等，但第1問中要求書寫的電解方程式為第2問的解答給予重要提示。第4問偏難，需用物理知識(shí)解決化學(xué)問題，且需從實(shí)驗(yàn)裝置本身考慮，實(shí)踐性較強(qiáng)。

3 命題反思

以上例題以微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，有利于在中學(xué)普及微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想。對(duì)于應(yīng)試盛行的中學(xué)教育，試題中的信息可以在學(xué)生中快捷、廣泛地傳播;而從以微型實(shí)驗(yàn)為情境的化學(xué)習(xí)題入手，另辟蹊徑，可以展現(xiàn)微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的應(yīng)用，表達(dá)綠色化學(xué)的設(shè)計(jì)理念。

在市面盛行的教輔書中，相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)題是命題者憑空想象，或者根據(jù)偶爾成功、重現(xiàn)性差的實(shí)驗(yàn)案例編制而成。這樣的實(shí)驗(yàn)習(xí)題對(duì)學(xué)生認(rèn)知存在一定誤導(dǎo)，使他們認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)一定這么做、實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定是這樣，其實(shí)嚴(yán)重脫離實(shí)際，也不利于學(xué)生培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度。本題的特色在于以失敗的實(shí)驗(yàn)為情境，以反常的現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生思考，對(duì)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)問題的能力和探究精神有一定的促進(jìn)作用。“失敗也是一種資源”，對(duì)于化學(xué)這種以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)來說，失敗的實(shí)驗(yàn)案例蘊(yùn)藏著大量發(fā)人深省的問題素材、情景素材，值得化學(xué)教育者挖掘、發(fā)展。

正如所做的實(shí)驗(yàn)，在追求成功時(shí)要考慮到諸多不定因素。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同的人可能得到不同的結(jié)果，也可能無法達(dá)到預(yù)期計(jì)劃而看見異常的現(xiàn)象。所以通過空洞的習(xí)題訓(xùn)練，學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展受到局限。出于科學(xué)態(tài)度，筆者一直在有條件的情況下，提倡師生將習(xí)題和實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合起來，一方面親自動(dòng)手做一下習(xí)題所展示的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性，思考其創(chuàng)新性;另一方面再將自己所做的實(shí)驗(yàn)改編成習(xí)題，作為一種交流形式給學(xué)生訓(xùn)練。只有這樣，習(xí)題才會(huì)成為素質(zhì)教育的法寶。■

參考文獻(xiàn)

[1]陳凱，柳閩生，薛蒙偉.化學(xué)習(xí)題中的微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2007(12):53

[2]陳凱，周志華.基于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)論文的命題[J].化學(xué)教學(xué)，2009(8):91-94

(作者單位:南京市江寧區(qū)橫溪初級(jí)中學(xué))