化学实验研究与创新

1. 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

2. 思 考 为什么研究？（Why） 研究什么？（What） 如何研究？（How）

3. 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）》

4. 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；

5.  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；

6. 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

7. 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；

8. 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；

9. 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；

10. 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。

11. （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？

12. 例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%。

13. 例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。

14. 例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-

15. （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。

16. 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。

17. （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？

18. 例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。

19. 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

20. 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

21.  紫外光谱测定结果

22. 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。

23. 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。

24. 例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

25. 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。

26. （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

27. 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？

28. 例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。

29. 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

30. 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？

31. 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。

32. 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

33. “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。

34. 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

35. 例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？

36. 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。

37. 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。

38. 例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。”例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。

39. 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。

40. 114.15ºC 11 . 9kPa 问题分析：碘的升华是有条件的

41. 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

42. 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。

43. （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。

44. 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？

45. 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。”

46. 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。

47. （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

48. 例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？

49. 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

50. 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。