高中化學定量綜合實驗的設計要素及其教學策略

徐小健

（江蘇省如皋中學 江蘇 如皋 226500）

化學綜合實驗有定性和定量兩大類，定性實驗通常包括：①物質的制備、分離和提純，②物質的檢驗，③性質探究等；而定量實驗通常包括：①物質組成的測定，②物質（一般為有機物）結構的測定，③重要物理量的測定（如摩爾質量、阿伏加德羅常數等），④性質比較等。顯然定量實驗是在定性實驗基礎上展開的，它是化學實驗的最高境界，因此能力要求將有所提升。要想很好地設計或解決定量實驗問題，首先必須了解定量綜合實驗的設計要素，并有針對性地采取相應的教學策略。

一、實驗目的——化學實驗的方向指南

每個化學實驗都有它的目的，所以在設計或解決定量實驗前必須首先把握實驗目的是什么，它是我們設計的方向指南，后面所有的設計都應當緊緊圍繞實驗目的展開進行。實驗目的一般可描述為：①制備（或分離、提純）×××②檢驗×××③探究×××④測定×××等。 當然，實驗目的是有層次的，我們可以將大目的分解為若干個小目的，小目的最終要服務于大目的。在設計實驗方案時我們還要知道每一步的操作意圖。

二、實驗原理——化學實驗的理論依據

在設計實驗時，我們要發散思維，充分利用物質的性質、化學反應速率與化學平衡、電化學等知識，為達到某個實驗目的而尋求最佳實驗原理。在定量綜合實驗原理的設計教學中，教師要引導學生掌握常用的三種思路方法：

1.沉淀法

顧名思義，沉淀法就是通過反應生成沉淀，然后測量沉淀的質量，進而求出最終所需物理量。在沉淀法中必然會涉及到 “生成沉淀→過濾→洗滌→干燥→稱量”等一系列操作。所以在教學中我們要引導學生學會解決下列一系列問題：①如何判斷沉淀是否完全②如何洗滌沉淀③如何判斷沉淀是否洗凈④如何判斷沉淀是否已完全干燥……顯然，在沉淀法中要采集的數據就是固體的質量，可用天平進行稱量。

2.氣體法

氣體法就是通過反應生成氣體，然后測量氣體的質量或體積，進而求出最終所需物理量。

（1）測氣體的質量

測定氣體質量的方法一般采用差量法。如果是非氣態的反應物發生反應只產生一種氣體時，可以通過測定反應體系反應前后質量的差異，確定氣體的質量（反應體系反應前的質量減去反應后的質量即為氣體質量）。其他情況一般采用合適的吸收劑（如濃硫酸、堿石灰）和實驗裝置（如洗氣瓶、干燥管）來吸收，通過測量吸收裝置吸收前后質量差得到氣體的質量（吸收后吸收裝置的質量減去吸收前吸收裝置的質量即為氣體質量）。此時要特別注意：必須用其他無關氣體將反應生成的氣體全部趕入吸收劑中被吸收，而且通常要防止空氣中的成分（如CO2、水蒸氣等）干擾實驗，所以一般要在尾部再接一個裝有堿石灰的干燥管。

（2）測氣體的體積

測量氣體體積的方法一般采用排水量氣法，要求氣體不溶于水，知道氣體體積后往往還要轉化為氣體的物質的量，故而還要知道當時的溫度和壓強。通常不會去測定所收集到氣體的溫度和壓強，容易測定的是實驗室的溫度（T）和壓強（p），所以在讀數前都要先將氣體恢復到當時實驗室的溫度和壓強。顯然用這種方法時需采集的數據有V（氣體）、T和p。常用于排水量氣的裝置有以下三種（如圖 1～圖 3）：

圖1

圖2

圖3

圖4

在運用這些裝置量氣時，當實驗結束時，要待恢復至室溫后，再移動相關儀器，使兩側（或內外）液面相平，使氣體的壓強等于外界大氣壓。這三種裝置中尤以圖3為最佳，在用圖2實驗時，要特別注意在恢復至室溫的過程中，一定要保證進入量筒的玻璃導管高于液面以防倒吸。如果在反應過程中需向反應容器內滴加溶液，最好采用恒壓滴液裝置（如圖4），既保證溶液能順利滴下，又不會因滴入溶液而影響到氣體的體積。

3.滴定法

滴定法的基礎是酸堿中和滴定，還可以遷移到氧化還原滴定等。運用這種方法時往往會涉及到溶液的配制、指示劑的選擇、滴定操作和終點判斷等問題。

三、實驗用品——化學實驗的基本保障

實驗原理確定后，化學試劑也就確定了，再結合實驗操作選擇所需實驗儀器。在教學時，教師要引導學生掌握實驗中的操作及其相應裝置，比如：（1）分離提純類：溶解、過濾、蒸發、蒸餾、萃取、分液、灼燒（酒精燈、三腳架、泥三角、坩堝、坩堝鉗、玻璃棒）等；（2）溶液配制類：配制一定質量分數的溶液、配制一定物質的量濃度的溶液；（3）滴定類：酸堿中和滴定、氧化還原滴定等。為減小定量實驗中的測量誤差，盡可能選擇精度比較高的計量儀器，如量體積選用滴定管，稱質量選擇電子天平或分析天平等。

四、實驗步驟——化學實驗的進行程序

實驗步驟是化學實驗得以順利進行的保障，所以在設計實驗步驟時要特別嚴密，要有身臨其境之感，假想當時自己在做這個實驗，想象它的過程。設計時要注意控制實驗條件，如濃度、溫度、壓強、催化劑、光、溶劑、固體顆粒大小、試劑、純度、狀態、用量、酸堿度（pH）、反應時間、環境氣氛、變量控制、儀器等。為保證定量實驗的準確性，要重視測量實驗中的“恒量”操作和重復測量，即在重復測量時，要確保兩次量之間的差異符合實驗要求。在教學時，教師可以精選幾個定量實驗，給出實驗原理和實驗用品，請學生設計實驗步驟，然后讓學生分組討論、完善方案，教師再結合學生暴露出的問題進行點評提升，經過幾次這樣的練習，學生的實驗設計能力就會明顯提高。

五、處理分析——定量實驗的最終歸宿

實驗過程中需及時記錄實驗現象和數據，最后要進行數據處理和問題討論分析。在處理數據時，首先要對幾次的平行實驗數據進行篩選，舍去有明顯偏差的，再將合理的數據求算平均值，計算出最終結果。在進行問題討論分析時，首先要對實驗過程中的意外情況進行分析，此外還要進行誤差分析，分析測量值出現誤差的可能原因或由于不規范操作將導致的實驗誤差。在教學時，教師要讓學生掌握誤差分析的一般思路：先根據實驗原理得出目標物理量的計算式，然后分析不規范的操作使得哪個物理量發生了變化，再分析這個變化導致目標物理量如何變化。

把握了定量綜合實驗的設計要素，并采取針對性訓練，一定可以更順利地解決定量實驗中的疑難問題。目前較為流行的是定性與定量相結合的實驗，制備實驗自然成為命題趨勢。它首先涉及到物質的制備、分離與提純，這可以用工藝流程圖表示，然后再進行組成的定量測定，這樣既要求學生要有解工藝流程的經驗方法，又要具備解決實驗題的知識、方法與能力，顯然是考查學生的一類好題。學生在解題過程中既擴大了知識視野、了解了化工生產，又提高了解決問題的能力。