基于學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的幾則化學(xué)實驗設(shè)計

唐勁軍 黎瓊

摘? 要 從生活化、綠色化、簡易化角度出發(fā)，對蔗糖與濃硫酸反應(yīng)、二氧化碳與水反應(yīng)、金屬在氯氣中燃燒等實驗進行創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)儀器裝置生活化、實驗過程綠色化、操作便捷化，解決化學(xué)探究性實驗中操作復(fù)雜、藥品耗量大、尾氣污染等問題，增強探究性，激活學(xué)生創(chuàng)新思維，為發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提供實驗素材。

關(guān)鍵詞 學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)實驗;自制儀器;綠色實驗

中圖分類號：G652? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）03-0114-03

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》凝練了學(xué)科核心素養(yǎng)，明確提出“提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)”[1]的培養(yǎng)目標。“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”作為化學(xué)核心素養(yǎng)，需要在實驗教學(xué)和探究活動中落實。但由于部分中學(xué)化學(xué)實驗裝置復(fù)雜，操作不夠便捷，廢液、廢氣污染較大，制約了實驗探究活動的開展，進而影響學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。筆者針對幾則實驗中存在的問題，進行創(chuàng)新設(shè)計，使其更加有利于實驗教學(xué)和學(xué)生探究活動，通過實驗創(chuàng)新發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)于蔗糖與濃硫酸反應(yīng)，二氧化碳與水反應(yīng)，以及鈉、銅在氯氣中燃燒等反應(yīng)，已有實驗改進研究。

1）蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)。已有研究[2-3]主要設(shè)計成密閉容器中反應(yīng)，并在容器中檢驗產(chǎn)物，較好地解決尾氣污染、藥品耗量大的問題;但裝置比較復(fù)雜，操作不夠簡便。

2）二氧化碳與水的反應(yīng)。已有研究[4-6]將濕潤石蕊試紙置于二氧化碳中，利用試紙變色證明反應(yīng)發(fā)生，便于現(xiàn)象對比;但仍存在實驗成功率不高的問題，如設(shè)計用注射器的活塞移動來觀測二氧化碳與水的反應(yīng)，經(jīng)常出現(xiàn)注射器活塞不靈活，導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯。

3）鈉和銅在氯氣中燃燒實驗。已有研究[7-9]設(shè)計了在同一密閉體系中進行氯氣發(fā)生和氯氣與鈉燃燒反應(yīng)，避免了氯氣泄露;但整體裝置較復(fù)雜，前期準備工作較長，部分自制儀器（如無底玻璃瓶）制作難度大。關(guān)于銅在氯氣中燃燒實驗，研究者[10-12]通過外加熱源對銅絲進行加熱，解決了裝置中尾氣泄露問題;但裝置和操作比較復(fù)雜，耗時較多。

基于此，筆者對上述幾個實驗進行創(chuàng)新設(shè)計，通過選用生活器材、自制儀器、對實驗進行改進，設(shè)計成趣味性綠色實驗，以便更有利于學(xué)生開展探究活動，為落實“探究意識、創(chuàng)新精神、社會責(zé)任感”等學(xué)科核心素養(yǎng)提供參考。

2 實驗設(shè)計

蔗糖與濃硫酸的反應(yīng)

1）實驗改進裝置如圖1所示。

2）實驗藥品及儀器：蔗糖、濃硫酸、NaOH溶液、品紅溶液、蒸餾水、500 mL“東方樹葉”綠茶塑料瓶、10 mL注射器、青霉素瓶、白紙、研缽、膠頭滴管和雙面泡棉膠帶等。

3）實驗步驟及現(xiàn)象。按圖連接裝置，檢查氣密性;注射器吸取10 mL NaOH溶液，透過泡棉膠帶插入瓶蓋;將浸有品紅溶液的白紙片置于瓶底鋪開，壓扁，盡量排出空氣;往青霉素瓶中加6～8 g蔗糖，加幾滴蒸餾水，攪至糨糊狀后加入6 mL濃硫酸，攪拌，將青霉素瓶放進瓶中，旋緊瓶蓋;觀察到青霉素瓶中黑色物質(zhì)迅速膨脹，發(fā)出白煙，飲料瓶逐漸膨脹，有水霧（圖2、圖3）;紙片由紅色逐漸褪成無色（圖4、圖5）;反應(yīng)結(jié)束后，將NaOH溶液注入瓶中，振蕩，吸收尾氣。

4）改進優(yōu)點。

①采用常見的生活器材，裝置可循環(huán)使用。生活化、綠色化實驗設(shè)計能讓學(xué)生感知反應(yīng)過程，幫助學(xué)生克服對該實驗的畏懼，增強實驗探究的趣味性。

②實驗操作簡單，無尾氣排放，現(xiàn)象明顯，能用于學(xué)生探究活動和家庭小實驗。

③依據(jù)此實驗的啟示，學(xué)生可設(shè)計不同的替代用品，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和社會責(zé)任感。

二氧化碳與水的反應(yīng)

1）實驗藥品及儀器：紫色石蕊溶液、紅墨水、CO2氣體、蒸餾水、10 mL注射器、橡膠管、具支U形管、泡沫板、白紙、醫(yī)用輸液管、止水夾。

2）實驗改進裝置（圖6）。

3）實驗步驟及現(xiàn)象。

①制作U形管壓力計。利用泡沫和雙面膠制作白板;取一段醫(yī)用輸液管，注入紅墨水，置于具支U形管中，固定于白色硬紙板上，調(diào)整液柱高度，使兩邊高度持平（圖7）。

②CO2與水反應(yīng)。用注射器吸取5 mL紫色石蕊溶液，吸入半筒CO2，與醫(yī)用輸液管一端橡膠管連接，多次倒轉(zhuǎn)注射器，發(fā)現(xiàn)紫色石蕊溶液逐漸變紅，兩端紅墨水形成高度差（圖8）。

4）改進優(yōu)點。

①相比教材中用礦泉水瓶驗證CO2水溶性的實驗，自制U形管壓力計，液柱高度變化較大，便于觀察實驗現(xiàn)象，有利于感受探究的樂趣。

②使用泡沫板、醫(yī)用輸液管、注射器等材料，實驗器材靈活多變，體現(xiàn)實驗裝置的新穎性，促進學(xué)生發(fā)散實驗設(shè)計的思路。

鈉、銅在氯氣中的聯(lián)合反應(yīng)? 高中化學(xué)教材中關(guān)于“氯氣的性質(zhì)”的內(nèi)容，有氯氣分別和金屬鈉、銅反應(yīng)實驗，以此學(xué)習(xí)氯氣的氧化性。兩個實驗的原理相似，實驗分開做，加大了操作難度。將兩個反應(yīng)實驗設(shè)計為分步反應(yīng)的一體化實驗，簡化實驗操作，提高實驗的效率。

1）實驗原理。設(shè)計密閉裝置，將鈉與銅同時放入反應(yīng)容器，在鈉與銅之間放一薄層細沙，避免同時反應(yīng);利用鈉在氯氣中燃燒產(chǎn)生的熱量引燃銅，而使鈉、銅在氯氣中先后燃燒。

2）儀器及藥品：60 mL注射器、500 mL廣口瓶、燒杯、干燥管、鑷子、導(dǎo)管、KMnO4固體、濃鹽酸、NaOH溶液、玻璃纖維、銅片、鈉、蒸餾水和細沙。

3）實驗改進裝置如圖9所示。

4）實驗步驟及現(xiàn)象。

①按圖連接裝置，檢查氣密性（用止水夾夾住a處膠管，手或熱毛巾包裹瓶身，如導(dǎo)管口處有氣泡產(chǎn)生，下端形成一段水柱，則裝置氣密性良好）。