任艷平 董志強 阮嬋姿

(廈門大學化學化工學院 福建廈門361005)

多年來，高等教育一直圍繞著如何培養(yǎng)創(chuàng)新型人才進行持續(xù)改革。那么，從基礎教學的角度，什么是創(chuàng)新和創(chuàng)新的人才呢?按照我們的理解，創(chuàng)新型人才就是有“思想”的人。他們在遇到問題時，有解決問題的方法，這方法就是思想;如果這方法是以往任何時候都沒有的，這就是創(chuàng)新。創(chuàng)新思想和創(chuàng)新意識是在學習、研究過程中逐漸形成的，是由量變到質變的結果。

許多高校除了開設基礎化學實驗，即所謂的經典實驗或驗證性實驗外，還開設了研究型實驗、創(chuàng)新型實驗、綜合性實驗等，但不管化學實驗教學的形式和內容如何變化，實驗教學的目標和宗旨都是要培養(yǎng)學生會“想”、會“做”、會“表達”。

下面通過一個簡單的實驗教學實例——量氣法的應用，展現(xiàn)我們在實驗教學過程中如何啟發(fā)和引導學生去“想”。

量氣法利用的是封閉體系中化學反應產生的氣體，通過測量反應前后的氣體體積，得到反應所產生的氣體體積，再根據(jù)相應定量關系計算得到待測值。量氣法涉及到的知識點包括:分壓定律、連通器原理、理想氣體狀態(tài)方程。這些知識點是學生在中學已經掌握的。量氣法具有實驗原理簡單、操作簡便、實用性強等特點，是常數(shù)測定和定量化學分析實驗中常用的經典實驗方法。在很多無機化學實驗或無機及分析化學實驗教材中都有與量氣法相關的實驗內容，如置換法測定Mg的摩爾質量［1］、摩爾氣體常數(shù)R的測定［2-6］、氣體摩爾體積的測定及CaO2含量的分析［5］等。

我們給大一學生開設的量氣法相關實驗是“置換法測定Mg的摩爾質量”［1］。通過實驗，使學生對量氣法有了感性認識。在實驗結束后，我們與學生一起一步步通過設問式對實驗內容、操作等問題進行了回顧、總結和進一步探討，以此啟發(fā)和引導學生去“想”。

首先，讓學生思考利用本實驗的裝置和操作還可以測定物質的哪些物理量?

很多學生能想到的是還可以測定其他較活潑金屬(如Al，Zn)的摩爾質量;也可以測定Al-Zn合金或Mg-Al合金的組成［7］以及摩爾氣體常數(shù)R［2-6］。實際上，這只是“照貓畫貓”。

接著就本實驗的注意事項進行討論。反應體系要密閉，反應前要將反應物隔離，本實驗中，用滴管將稀H2SO4送入反應管底部，而將Mg條用水粘在反應管上端內壁。通過實驗，許多學生感受到要將Mg條粘在反應管上端內壁上并不容易，若不小心，Mg條就很容易掉入酸中，造成實驗失敗。對于是否有較安全的方法來隔離反應物這樣的問題，有學生提到可以使用甘油，因為甘油的黏附力比水強;實際上，也有教材上設計有關實驗時采用了甘油［8］。還有學生說用凡士林，凡士林的黏附力比甘油更強;但實驗結束后，附著在反應管內壁的凡士林不易清洗。

Mg條或Al片可以用水或甘油粘在反應管內壁，但若金屬呈長絲狀或刨花狀或較細碎時，應該如何將其與酸安全隔離呢?在提出此問題后，雖然學生們都低頭不語，但能看出他們在“想”。這時老師會拿出一根細絲狀的Mg條，將其折成“又”字形后在反應管上比劃一下。這時有學生會立刻明白，可以將“又”字形金屬絲卡在反應管內壁。若金屬呈刨花狀或較細碎時，則可以借助另外一個小試管作為載體，將酸與金屬安全隔離［8］。

前面討論的是活潑金屬與酸反應產生氣體，使用的是量氣法。如果從反應產生氣體的角度考慮，還有哪些實驗能用量氣法呢?

此問題需要學生逆向思維，換角度思考。老師提醒學生:“在密閉體系，反應前無氣體產生，活潑金屬掉入酸中才產生氣體……”。老師繼續(xù)引導學生，加熱才反應產生氣體的……，即將反應物放在反應管中，加熱后產生氣體，其他操作與數(shù)據(jù)處理與Mg的摩爾質量或氣體摩爾常數(shù)R的測定相同。已經設計的有關實驗［5］如CaO2含量的測定()，氣體摩爾體積的測定()。當然可以將氣體摩爾體積測定的實驗設計為KClO3含量(或純度)的測定，這比用重量法［6］測定KClO3含量的方法簡單。H2O2含量的測定也可以用量氣法，這比氧化還原滴定法(KMnO4法或碘量法)簡單、方便，且使用試劑種類少。討論至此，也不過是“照貓畫虎”。

活潑金屬與酸反應產生氣體，可用量氣法;某固體或液體在加熱條件下分解產生氣體也可用量氣法。如果再考慮還有哪些實驗能用量氣法，我們給出了2011年土耳其第43屆國際奧林匹克化學競賽實驗預備題。該題內容為分析一混合鈣鹽(約40%CaCO3，約55%CaSO4，約5%CaCl2)各組分的含量，其中CaCO3含量分析要求用量氣法(CaSO4含量分析用重量法;CaCl2的含量用差減法得到，即w(CaCl2)=1-w(CaCO3)-w(CaSO4))，請學生思考如何用量氣法實現(xiàn)混合鈣鹽中CaCO3含量測定?

要用量氣法測定CaCO3含量，不外乎兩種情況:①借助室溫下CaCO3與HCl反應產生CO2;②借助CaCO3加熱至800℃以上分解產生CO2(此時，導氣管都已熱化)。顯然，通過加熱分解CaCO3，再用量氣法測定CO2的方法是行不通的。

若通過室溫下CaCO3與HCl反應產生CO2，實現(xiàn)以量氣法測定CaCO3的含量，又會涉及到粉末狀固體與酸的反應。對此，學生們圍繞著反應管中粉末狀固體如何與酸隔離的問題展開了熱烈討論。

有學生提出可借助小試管作為載體，將鈣鹽放入小試管中，然后慢慢送入到裝有HCl的反應管的底部。雖然這種方法在原理上是可行的。但由于CaSO4是難溶鹽，會包裹CaCO3使反應不完全而產生誤差，所以，在反應過程中需要不斷攪拌。但由于這種隔離反應物的體系是不能攪拌的，故而用小試管作為載體的方法是行不通的。

又有學生提出用“胖肚管”，但定量的粉末狀鈣鹽不容易完全轉移至“胖肚”;此外，在攪拌過程中，固體會飛濺到反應管內壁，使反應不完全。所以，借助“胖肚管”的方法也不夠理想。

對此問題，土耳其人想到了一種比較巧妙的方法——“冰凍”法，即將一定量混合鈣鹽和磁子一起放入反應管底部，用幾毫升水沖洗反應管口及上端內壁以防殘留混合鈣鹽，然后將反應管放入冰鹽浴中冷凍，使反應管中的溶液結冰(冰要致密，沒有裂縫，與反應管凍為一體)，在冰層上加HCl，然后在密閉體系中讓冰融化，使HCl與混合鈣鹽接觸，并電磁攪拌使CaCO3反應完全。這樣就能巧妙地實現(xiàn)用量氣法測定CaCO3含量。

上述實驗提示我們，類似實驗也可用量氣法。如石灰石中Ca含量的測定［3，9］(比配位滴定或KMnO4間接滴定法簡單、快速)、蛋殼中CaCO3含量的測定［10］等。

學生們通過實踐發(fā)現(xiàn)“冰凍”法比較慢，即使用冰濃鹽浴冷凍也需20min左右。同時，還要求冰層致密、均勻，沒有裂縫，與反應管凍為一體。否則會導致實驗失敗。那么，如果不用“冰凍”法，是否有更簡單、安全的隔離鈣鹽和酸的方法呢?

有學生提出可以在反應管上端加一分液漏斗，將酸放入分液漏斗中，鈣鹽放入反應管底部;對此，有學生提出不同意見:“若隨著分液漏斗中的酸滴入反應管中，密閉體系由于氣體產生而使酸難于再滴入反應管中?！贝藭r，我們適時給出提示，指出這不是使用分液漏斗所產生的主要問題，需要探討的重要問題是使用分液漏斗后，酸在分液漏斗中反應前的初始體積與酸在反應管中(反應前，酸不能放在反應管中與鈣鹽接觸)的初始體積是否相同?二者相差多少?反應后所產生的氣體體積該如何計算?

我們通過實驗證實，在分液漏斗中加入液體會排出氣體，使得測量體積偏大。由于實驗密閉空間為分液漏斗旋栓以下的空間，實驗中通過旋栓加到反應管中的酸的體積會改變密閉空間的氣體體積，進而也會對實驗結果產生影響。由于反應后所產生的氣體體積應是測量體積減去從分液漏斗中所加入到反應管中酸的體積，但從分液漏斗加入到反應管中的酸的體積很難定量，所以，借用分液漏斗來隔離鈣鹽和酸不是一個好方法。

還有學生提出可用恒壓分液漏斗代替普通分液漏斗。由于用恒壓分液漏斗滴加液體沒有氣體排出(即使關閉，由于連通器的原理，密閉空間的氣體體積也不會改變)，克服了用普通分液漏斗使測量體積偏大的缺點。這樣即使不用“冰凍”法也可將酸與鈣鹽隔離，從而可以解決“冰凍”法比較慢的問題。如果巧妙借用恒壓分液漏斗將酸與其他反應物隔離，也就徹底解決了上述不同形狀的金屬與酸的隔離問題。

討論至此，還有學生會問，如何消除HCl的揮發(fā)以及CO2的溶解給實驗結果帶來的誤差。如果考慮HCl的揮發(fā)給實驗結果帶來的誤差，可以在數(shù)據(jù)處理時扣除實驗溫度下HCl的蒸氣壓(如25.0℃時，HCl(aq)的飽和蒸氣壓為4357Pa);至于CO2的溶解對實驗結果的影響，有學生提議在量氣管中加入H2SO4溶液代替純水，以減少CO2的溶解，這個想法很好，也出乎我們的意料。

在進行量氣法討論一學期之后，很多學生還能記得量氣法。如在用純Zn片為基準物標定EDTA溶液時，發(fā)現(xiàn)用HCl溶解Zn片后，溶液中有黑色紙灰狀漂浮物，這顯然是由于Zn片不純。這時有學生立即想到可用量氣法測定Zn片的純度，可見量氣法已印入學生的腦海。又如在配位滴定法測定Al合金中Al含量［1］的實驗討論過程中，有幾個學生同時提到，若能用量氣法測定Al合金中Al含量，不僅操作步驟簡單、耗時少，且使用試劑種類少(配位滴定法測定Al合金中Al含量時要用NH3·H2O和NH4F等8種試劑)、污染也小。上述兩個例子體現(xiàn)出學生在有關量氣法應用方面已具有“想”的意識和“想”的習慣。

對于量氣法的實驗結果，需要通過對照實驗來了解誤差大小。在實際實驗時，應根據(jù)實驗條件和實驗要求(知識點和方法等)，對具體問題進行具體分析。

每個經典實驗需要縱、橫探索的內容都很多，不同實驗需要“想”的問題不同，“想”的方法和思路也不同，這可以使學生從不同的實驗中學會廣“思”。

創(chuàng)新意識實際上就是“想”的習慣，一直在想、在做，就會出現(xiàn)意想不到的結果，這就是創(chuàng)新。

要教會學生勤思、善想，不僅要從教學形式上，更要結合具體實驗教學內容引導學生去探究和思考。

［1］蔡維平.基礎化學實驗(一).北京:科學出版社，2004

［2］蘭州大學化學化工學院大學化學實驗中心.大學化學實驗(基礎化學實驗Ⅰ，上下冊).第2版.蘭州:蘭州大學出版社，2011

［3］鄭春生，楊楠，李梅，等.基礎化學實驗(無機及化學分析實驗部分).天津:南開大學出版社，2001

［4］吳泳.大學化學新體系實驗.北京:科學出版社，1999

［5］沈建中，馬林，趙濱，等.普通化學實驗.上海:復旦大學出版社，2007

［6］吳江.大學基礎化學實驗.北京:化學工業(yè)出版社，2005

［7］范志鵬.大學基礎化學實驗教學指導.北京:化學工業(yè)出版社，2006

［8］浙江大學普通化學教研室.普通化學實驗.第3版.北京:高等教育出版社，1996

［9］武漢大學化學與分子科學學院實驗中心.分析化學實驗.武漢:武漢大學出版社，2003

［10］趙濱，馬林，沈建中，等.無機化學與分析化學實驗.上海:復旦大學出版社，2008