化学实验研究与创新
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化学实验研究与创新. 高中新课程培训. 高一化学培训 :. 北京教育学院 何彩霞. 思 考. 为什么研究?( Why ) 研究什么?( What ) 如何研究?( How ). 为什么研究?.   课程改革的要求;  化学学科的特点;  新教材、新思路、新内容 ;. “ 改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状,倡导学生主动参与、乐于 探究、 勤于 动手, 培养学生 搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力 。” ——《 基础教育课程改革纲要(试行) 》.

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Presentation Transcript
化学实验研究与创新

高中新课程培训

高一化学培训:

北京教育学院 何彩霞


思 考

为什么研究?(Why)

研究什么?(What)

如何研究?(How)


为什么研究?

 课程改革的要求;

 化学学科的特点;

 新教材、新思路、新内容;

“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状,倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手,培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。”

——《基础教育课程改革纲要(试行)》


研究什么?

  • 新教材中增加或改进的内容;

  • 实施新教材中碰到的问题;


如何研究?

  • 多角度地进行;

  • 增加或改进的实验是研究的对象;

  • 实验也是研究的手段;


内容

一、新教材更加重视化学实验

二、树立新的实验教学理念

三、化学实验研究的基本思路

四、对部分实验的分析与研究


一、新教材更加重视化学实验

1、注意使实验贯穿于教学的各个环节;

2、吸收好的经验, 注意改进实验方法;

3、在学生实验内容方面,增加了学生动手

实验、实践和联系生活实际的机会;

4、在学生的课外活动方面,编排了学生的

家庭小实验;

5、教材注意实验中的环境保护问题;

6、在实验的表述方式方面,以图示的方法

简明直观地表述实验过程或实验步骤;


二、树立新的实验教学理念

  • 1 化学实验教学的价值取向

  • 提高21世纪公民的科学素养;

  •  实验内容的选择注重联系实际;

  •  实验基本操作训练突出培养科学方法、科学作风和科学习惯;


2、拓展实验的教学功能

 知识与技能

获取知识,形成观念,学习实验操作;

 过程与方法 学习科学方法,提高科学探究能力;

情感态度与价值观 激发学习兴趣,培养科学态度;


3 重视实验的探究过程

  • (1) 强调多动手实验

  • 例如:“金属钠很软,可以用刀切割。”

  • 但金属钠到底有多软,不亲手用小刀切割是无法体会到的。


2) 注重实验过程

例1:卤离子的检验

  • NaCl、NaBr、KI 溶液与AgNO3溶液反应一定会生成卤化银沉淀吗?怎样描述发生的现象?


  • 2:二氧化硫的漂白性

  • “向品红溶液中通入SO2气体后,品红溶液的颜色逐渐褪去。当给试管加热时,溶液又变成红色。”

  • “逐渐褪去”,褪去到什么程度?

  • “加热”到什么程度呢?

  • 品红溶液的质量分数0.01% -0.001%。


    3:溴置换碘

    旧教材:

    把少量溴水注入盛着碘化钾溶液的试管里,用力振荡,观察溶液颜色的变化。

    存在的问题:

    因溴水呈橙色,反应后溶液也近于橙色,反应前后溶液颜色深浅变化不大。

    现象不够明显,证据不够充分。


    • 4:[实验4-9]

    • “将少量新制的饱和氯水注入盛有KI溶液的试管中,用力振荡后,再注入少量四氯化碳,振荡。观察四氯化碳层和水层颜色的变化。”

    • “少量”是多少?

    • 如果氯水过量,生成的I2被进一步氧化生成HIO3,四氯化碳层呈无色而使实验失败。

    • I2 + 5Cl2 + 6H2O ═12H+ + 10Cl- + 2IO3-


    3)强调实验的探究性

    • 如何再提出问题:

    • 实验过程中发现的问题;

    • 分析实验结论的不确定性;

    • 对实验结论进行检验和改进。


    三、化学实验研究的基本思路

    实验研究的基本内容有两个方面 :

     关于化学实验教与学方法的研究;

     对化学实验的研究与改进。


    (一) 实验现象和本质的研究

    例1: [实验4-10] 溴置换碘

    “将少量溴水注入盛有KI溶液的试管中,用力振荡后,再注入少量四氯化碳。观察四氯化碳层和水层颜色的变化。”

    问题:

    碘在不同溶剂中为什么会呈现不同的颜色?


    1:探讨碘在不同溶剂中的颜色

    研究思路:

    (1)将碘分别溶于不同溶剂,颜色?

    (2)同一溶剂不同浓度,碘溶液的颜色?

    (3)有两种溶剂存在时,碘溶液颜色如

    何变化?

    (4)测不同溶剂的碘溶液的紫外光谱。


    实验结果:

     碘在不同溶剂中形成的溶液颜色

    正己烷、CCl4 ——紫色

    CH2Cl2、苯 ——紫红色

    乙醇、乙醚 ——棕色或棕红色

    乙酸乙酯、醋酸 ——棕色或棕红色

    丙酮 ——褐色


    I2—CH2Cl2

    I2—乙醇

    I2—丙酮

    I2—CCl4

    I2—乙醚

    I2—正己烷

    I2—乙酸乙酯

    I2—苯

    加乙醇

    加CCl4

    加乙醚

    加H2O

    两种溶剂存在时碘溶液颜色


    紫外光谱测定结果


    电荷迁移作用(Sov I2)

    当碘溶解在溶剂(Sov)中,溶剂可以看作是可以提供电子对的Lewis碱,即电子对的给予体,如苯,可给予π电子,醇类、醚类和胺类,是σ电子对给予体;而I2具有空的反键σ5p轨道,可以作为电子接受体。 这样I2与溶剂之间发生电荷迁移作用,可表示为:

    Sov I2

    碘在有机溶剂中所形成的溶液的颜色,随溶剂的不同有明显的差异,这主要与溶剂的性质及溶剂化作用有关。


    Sov  I2电荷迁移作用分析

    对于饱和碳氢化合物或它们的氯代衍生物,由于给电子对的能力较弱,致使Sov  I2 相互作用较弱,对碘的影响很小,因此碘分子保留了其蒸气的颜色,呈紫色。

    强溶剂分子与碘连接形成Sov  I2给予—接受配合物,I2的空的反键σ5p轨道作为电子接受体消弱了I—I键,结果轨道分裂能量增加,π5pσ5p跃迁能量升高,因此这些溶液在可见光区的吸收峰向短波移动。


    • 2:二氧化硫的漂白性

    • 问题:

    • 品红?

    • 为什么SO2能使品红溶液褪色?

    • 加热后为什么又能恢复原色?

    品红


    品红与二氧化硫的反应:

    品红的结构里有一个生色团,该生色团遇到亚硫酸后,生成不稳定的无色化合物,改变了生色团的结构。这种无色化合物不稳定,遇热时,又分解为生色团。所以SO2能使品红褪色,加热时又能恢复成原色。


    (二)实验条件的研究

     试剂的品种

     试剂的纯度、浓度与用量

     固体试剂的颗粒度

     其它条件(温度、压力、催化剂等)

     实验操作程序


    1 试剂的品种

    • 例1:实验室制取二氧化碳:

    •  用稀盐酸与大理石反应;

    •  不用稀硫酸;

    • 问题:

    • 因盐酸的挥发性,制得的CO2不够纯净。要制得较为纯净的CO2,怎么办?

    • 用稀硫酸与碳酸钙粉末反应,反应速度?


    • 2:Cl2的制取

  • MnO2 + 4HCl MnCl2 + 2H2O + Cl2↑

  •  用KClO3和浓HCl制Cl2

  • 当盐酸浓度过低或KClO3过量时,产生黄红色气体ClO2 ,沸点283K,极易爆炸,应注意安全。

  •  用固体食盐、高锰酸钾与浓硫酸共热Cl2

  • 会产生氧化性很强的Mn2O7,发生爆炸。


  • 2 试剂的纯度

    有些试剂暴露在空气中容易变质,使用变质的试剂会影响实验结果,导致实验失败。

    如:过氧化钠


    例:锌与稀硫酸的反应

    用稀硫酸与化学纯的锌粒反应,结果氢气难以从锌粒表面逸出,反应缓慢。

    选用纯度低的粗锌粒,或在稀硫酸中加入几滴硫酸铜溶液,反应速率加快。

    问题:

    在相同浓度的稀硫酸溶液中,含杂质的锌一定比纯锌反应快吗?


    实验内容:

    取两支试管,分别加入5mL浓度为4mol/L的稀硫酸,向一支试管中投入纯锌粒,同时向另一支试管中加入表面形成Zn-Hg齐的锌粒。对比两试管中放出氢气的快慢。

    实验结果:

    在相同浓度的稀硫酸溶液中,含汞的锌比纯锌反应慢。


    3 试剂的浓度与用量

    例:钠与氧气的反应

    钠在高温下与足量氧气反应生成淡黄色的Na2O2,而在低温、氧气量不足时生成白色的Na2O:

    2Na + O2(足量) ═Na2O2

    4Na + O2(不足量) ═2Na2O


    钠可以用来制取过氧化钠等化合物”

    工业上制备过氧化钠的方法是将钠加热至熔化,通入一定量的除去二氧化碳的干燥空气,维持温度在453—473K之间,钠即被氧化为Na2O,进而增加空气流量并迅速提高温度在573—673K,即可制得Na2O2。


    4、催化剂

    例1:“在通常情况下,干燥的Cl2不能与铁发生反应,因此,可以用钢瓶储运液氯。”

    问题:

    若有水蒸气存在时,Cl2可与许多金属剧烈反应。如:

    H2O

    2Fe + 3Cl2 2Fe Cl3


    2: 趣味实验“滴水生烟”

    H2O

    Zn + I2 ZnI2

    问题:

     其他金属能否发生类似反应?

     含结晶水的化合物能否催化上述反应?


    水是碘和金属反应的催化剂

    不仅游离水有催化作用,即使存在于结晶水化物中的结合水,甚至那些容易分解生成水的物质,也有催化作用。

    化学上常通过这些结晶水盐催化碘跟金属反应的难易,来粗略判断这些结晶水在结晶水盐中的相对稳定性。


    5温度

    例1:热还原法制备金属钾

    在850C用金属钠还原熔融的KCl。Na和KCl按下式反应:

    Na + KCl NaCl + K

    虽然就热力学观点看,反应向左进行似乎有利,但Na在底部蒸发并对熔融的KCl逆向上升,钾蒸气的逸出使反应向右进行。


    2:“钠是一种很强的还原剂,可以把钛、锆、铌、钽等金属从它们的卤化物里还原出来。”

    MClx + x Na  x NaCl + M

    (M: Ti、 Zr等)

     金属钠的很有发展前途的用途之一:金属钠同难熔金属卤化物反应来制备难熔金属单质。

     用分散的金属钠还原一些金属卤化物时,在室温下反应并未进行,但当将体系加热到一定温度时,反应就激烈进行,甚至爆炸。


    6 压力

    例:[实验4-8] 碘的升华

    旧教材:“碘在常压下加热,…”

    新教材:“碘被加热时,不经熔化就直接变成紫色蒸气,…”

    问题:

    碘在封闭的玻璃管中,直接加热,由于管内气压增大,碘容易液化,而后气化。


    114.15ºC 11 . 9kPa

    问题分析:碘的升华是有条件的


    改进方法:

    在碘锤的一端滴加少量水,另一端在酒精灯火焰上加热,因水的冷却作用,碘升华后可冷凝在碘锤上方内壁上,下次实验时再在碘锤的另一端倒入水,在有碘晶体凝结的一头加热即可。

    碘锤:两头向内凹陷,其内密封有碘晶体


    7 实验操作顺序

    例:氯水与碘化钾淀粉溶液反应

    比较下述实验现象:

    (1)向淀粉碘化钾溶液中滴加氯水;

    (溶液变蓝色)

    (2)向氯水中滴加淀粉碘化钾溶液。

    (溶液不变色)

    操作顺序的变化如试剂的加入顺序不同,对一些化学反应和实验现象影响很大。


    (三)化学反应速率的研究

    影响化学反应速率的因素很多,如试剂的纯度、浓度、颗粒度、用量、温度、催化剂等。

    如:CaCO3和HCl反应制取CO2的实验,由于HCl的浓度不同,或者CaCO3(大理石)的颗粒大小不同,反应速率也不相同。


    注意:固体试剂的颗粒度

    其它条件一定时,反应物之间的接触面积直接影响化学反应速率。

    设计如下实验:

    平地烧瓶球部放足量同浓度同体积的盐酸,颈部分别放质量相同的镁粉和镁屑,并分别套上不同颜色的气球,使两者同时反应。实验现象如何?


    例:[实验1-4] 吸热反应

    “在一个小烧杯里,加入约20 g已研磨成粉末的氢氧化钡晶体[Ba(OH)2·8H2O],将小烧杯放在事先滴有3~4滴水的玻璃片上,然后加入约10 g NH4Cl晶体,并立即用玻璃棒迅速搅拌,使Ba(OH) 2与NH4Cl充分反应。观察玻璃片上的水是否由于结冰而将玻璃片与小烧杯粘在一起。”


    Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl 晶体反应

     这是固相反应。研成粉末;迅速搅拌,以增大反应物之间的接触面积,加速反应进行,充分反应。

     搅拌时,应使烧杯与玻璃片保持相对稳定。


    (四)实验异常现象的研究

    可预料到的原因

    (试剂、条件、操作)

    异常现象

    未预料到的原因

    (查找资料或进一步实验)

    正确对待化学实验中的异常现象


    • 1:[实验6-5]

    • 浓硫酸与铜的反应

    • 问题:

    • 反应中常有黑色物质产生;

    • 如何减少黑色物质的产生?


    浓硫酸与铜的反应

    Cu + H2SO4(浓) = CuO  + SO2↑+ H2O

    5Cu + H2SO4(浓) = 3CuO  + Cu2S  + H2O

    5Cu + 4 H2SO4(浓) = Cu2S  + 3CuSO4 + 4 H2O

    Cu2S + 2H2SO4(浓) = CuS  + CuSO4 + SO2↑+2H2O

    4Cu + 4H2SO4(浓) = CuS  + 3 CuSO4 + 4H2O


    • 浓硫酸与铜的反应

    • 问题分析:

    • 影响浓硫酸氧化性的因素

      硫酸的浓度、温度

    •  在实验开始时可先对浓硫酸进行预热。当温度达到180C以上时在插入一根铜丝,可减少黑色物质的产生。




    3:过氧化钠与水反应

    2Na2O2 + 2H2O ═ 4NaOH + O2↑

    问题:

    滴加几滴酚酞试液来检验有NaOH生成,结果溶液不出现红色;或出现红色,稍微振动红色就立即消失。


    问题分析:第一种观点

    认为NaOH浓度大,酚酞在浓碱液中不显红色。

    反应后将溶液稀释,滴加酚酞试液,溶液中很快有红色出现,并且红色不褪去。

    酚酞在不同溶液中呈现的颜色


    酚酞呈色机理

    在中性及酸性介质里,酚酞分子内的三个苯环不共平面,为非共轭体系,故不显色;在碱性介质中,酚酞分子内发生重排,成为一种平面结构的共轭体系,使吸收波长发生在555nm 处,呈红色。



    问题分析:第二种观点

    认为:

    Na2O2 + 2H2O ═2NaOH + H2O2

    2H2O2 ═ 2H2O + O2↑

    反应后向试管中加入少量浓的CuSO4溶液,发现有大量气体产生。


    过氧化氢的稳定性

    H2O2在较低温度和高纯度时比较稳定,若受热到153℃以上便猛烈分解。在碱性介质中的分解速度远比在酸性介质中快。杂质的存在,如重金属离子Fe2+、Cu2+、Mn2+、 Cr3+及MnO2等都大大加速H2O2的分解。在实验室里,常用过氧化氢制取氧气。


    (五) 实验装置的改进

    例1:[实验4-5] 制取氯气

    问题分析

     氯气会泄漏;

     在实验过程中,随着气体的产生,烧瓶内的压强增大,可能出现分液漏斗中的浓盐酸不易滴下的情况。


    制氯装置的改进一

    解决问题


    制氯装置的改进二

    如果在分液漏斗下端加套一小试管,作为液封,则可避免问题的发生。



    2:[实验2-8]

    Na2CO3、 NaHCO3热稳定性比较

    改进的装置:


    (六)补充实验

    例:“ 过氧化钠与二氧化碳反应,生成碳酸钠和氧气”。

    可根据趣味实验“吹气生火”;补充一个演示实验。




    四、对部分实验的分析与研究

    例1:[实验1-3] 放热反应

    “在一支试管里加入几小块铝片,再加入5mL盐酸,当反应进行到有大量泡产生时,用手触摸试管外壁,并用温度计测量溶液的温度变化。”


    问题:

    (1)铝片的纯度?盐酸的浓度?

    (2)用温度计测量,不易观察。

    (3)纯铝屑与盐酸反应,开始比较慢,过10分钟左右反应加快。

    (4)放热反应。反应后温度可达80℃左右,试管烫手!


    铝与盐酸反应最佳条件的研究

    实验内容

    • 铝片的纯度

    粗铝片、纯铝片分别与同一浓度的盐酸反应,观察、比较实验现象。

    • 盐酸的浓度

    不同浓度的盐酸(1、2、4、6、8mol/L)与同一种铝片的反应,观察、比较实验现象,选择最佳盐酸浓度。


    实验结果:

    • 用粗铝片

    • 浓度小于4mol/L时,反应速度较慢;但浓度过大,则反应剧烈,HCl挥发严重。一般用6mol/L的盐酸较为适宜。

    改进建议:

    • 试管外壁涂蜡

    • 碘管


    2:[实验2-2] 钠在空气中燃烧

    分析:

    (1)Na在空气中燃烧生成Na2O2,实验现象生成的淡黄色火焰不明显。

    (2)无法收集产物并进一步研究是否是Na2O2。


    钠在空气中燃烧

    改进方法:

    用集气瓶先收集O2,再将放在石棉网上的Na加热至沸腾状,立即将盛满O2的集气瓶倒扣在Na的上方,就会观察到Na剧烈燃烧,发出黄光并有大量淡黄色烟生成。反应后将集气瓶倒转,发现集气瓶内内壁有淡黄色固体。(可继续实验,验证产物是Na2O2)。


    3:[实验2-4]

    检验钠与水反应所生成的气体

    “在一个空塑料瓶里加入约3/4体积的水,用手挤压瓶子,使水面上升至近瓶口, 排走瓶中的大部分空气。在胶塞上固定一根大头针,用针扎起一块黄豆粒大小的金属钠,迅速用胶塞塞住挤瘪的瓶口,倒置(见下图)。待反应完全后,反应产生的气体使挤瘪的瓶子复原,取下塞子,迅速用拇指堵住瓶口,并将瓶口移近火焰,检验钠与水反应所生成的气体。”


    检验钠与水反应所生成的气体

    问题:

    “黄豆粒大小的金属钠”体积不具体;产生的氢气量不易控制。



    4:[实验2-6]

    过氧化钠与水的反应

    “用棉花包住0.2 gNa2O2粉末,放在石棉网上。在棉花上滴加几滴水。观察发生的现象。”


    过氧化钠与水的反应

    ⑴ 这是一个放热反应。反应剧烈,过氧化钠的用量不易过多,水滴加3~4滴即可。

    ⑵ 过氧化钠在空气中,能与水蒸气和二氧化碳发生反应,所以,过氧化钠应密封保存,防止变质。

    ⑶ 过氧化钠是强氧化剂,它和有机物或其他可燃性物质长期接触,或接触后受摩擦、撞击、或遇水都有可能自动着火或发生爆炸。


    5:[实验2-7]

    Na2CO3、 NaHCO3与稀盐酸的反应

    “在两支试管中分别加入3mL稀盐酸,将两个各装有0.3gNa2CO3或NaHCO3粉末的小气球分别套在两支试管口。将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中,比较它们放出的快慢。”


    Na2CO3、NaHCO3与稀盐酸反应

    问题:

    ⑴ Na2CO3、NaHCO3的物质的量不等,后者大。可比性?

    ⑵ 两个反应放出二氧化碳都比较快,不易比较。对比度较差。

    ⑶ 粉末容易粘附在气球内壁与试管内壁。

    注意:

    ⑴ 使碳酸纳、碳酸氢钠与盐酸反应同时进行

    ⑵ 盐酸的浓度:1mol/L


    6:[实验2-11] 焰色反应问题:

    ⑴ 由于铂丝很细,焰色反应范围小,不便观察。

    ⑵ 观察钾的焰色反应为什么需透过蓝色的钴玻璃?


    焰色反应研究动向:

    ⑴ 选用不同的材料代替铂丝

    石棉绳、滤纸、脱脂棉

    ⑵灯焰的改进,制取浅蓝色的背景火焰

    ⑶ 试样状态

    固体粉末法、溶液喷雾法


    观察钾的焰色反应为什么需透过蓝色的钴玻璃?

    因为在钾的化合物中往往混有一些钠的化合物(不易分离),在进行焰色反应时,由于钠元素的存在(焰色反应呈黄色)干扰了钾的焰色反应(紫色)的观察,必须把黄色的光滤去,由光的互补色原理可知,黄色与蓝色互为互补色,用蓝色的钴玻璃可将黄色的光滤去,即可清楚地观察到钾的焰色------紫色。


    7:[实验4-6] Cl–的检验

    “向分别盛有稀盐酸、NaCl溶液、 Na2CO3溶液的三支试管里,各加入几滴AgNO3溶液。观察发生的现象。再滴入几滴稀硝酸,有什么变化?”

    注意:

    (1)浓度?

    (2)Cl–的检验:教学顺序是先加AgNO3,但实际操作顺序是先加酸以除去杂质。


    原理

    条件

    反应速率

    产物与现象

    装置

    扩充实验

    整合知识

    科学方法

    实验研究



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