張恒

蘇州市中考化學(xué)卷中有關(guān)實驗和計算試題的命題理念是：突出化學(xué)學(xué)科真實性與實用性的有機結(jié)合，重視實驗裝置的簡捷性、可計量性與化學(xué)計算的有機融合.其中“可計量實驗”漸漸成為“蘇式”化學(xué)課堂的一個亮點和研究方向之一.在教學(xué)過程中，我嘗試了“可計量實驗”教學(xué).

課例：稱量鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的50.0mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的稀鹽酸充分反應(yīng)，計算理論上能產(chǎn)生氫氣的量（氫氣的密度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是0.0899g/L），測量產(chǎn)生氫氣的量，把理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行比較，讓學(xué)生感受真實實驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的差別，并討論引起這些差別的原因.

在反應(yīng)原理的選擇上，是以鎂條和稀鹽酸反應(yīng)作為實驗載體.首先，鎂條和稀鹽酸反應(yīng)是學(xué)生熟悉的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的實驗裝置也相對簡單，是初中實驗課堂能夠提供的.其次，需要定量測量的氫氣，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，通常情況下在水中溶解度也非常小，測量數(shù)據(jù)的可靠性比較高.第三，在具體定量測量中，選擇鎂條定量，稀鹽酸足量的方案，可以用臺式電子天平測量打磨過的純的鎂條，達到0.0001g的精確度，這是一個比較可靠和精確的測量數(shù)據(jù)，而稀鹽酸選擇足量，就能避免鹽酸的濃度和鹽酸體積的細微差別對實驗結(jié)果的影響，盡可能符合實驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性.

在實驗方案的選擇上，所用的鎂條與足量反應(yīng)裝置選擇500mL錐形瓶、分液漏斗和帶導(dǎo)管的橡皮塞的組合產(chǎn)生氫氣.氫氣測量有兩個預(yù)想方案：第一，選用1000mL的量筒，用排水法收集并測量氫氣的體積，把氫氣體積換算成氫氣的質(zhì)量；第二，把反應(yīng)裝置橡皮塞上的導(dǎo)管換成干燥管，先測量反應(yīng)前體系的總質(zhì)量，完全反應(yīng)后再測量總質(zhì)量，總質(zhì)量差為氫氣質(zhì)量.

經(jīng)過反復(fù)實驗論證，得到以下結(jié)論：1.排水法收集氫氣，并定量測量的實驗方案是比較可靠的.需要考慮到的環(huán)境因素有：鎂條的純度、體系中加入鹽酸的體積、氫氣密度、實驗溫度、實驗時的大氣壓.其中，鎂條的純度、體系中加入鹽酸的體積對實驗數(shù)據(jù)的影響是恒定的，可以通過打磨鎂條和扣除

加入鹽酸體積來抵消影響.氫氣的密度，文獻上只有標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度，而多次實驗證明，在實驗環(huán)境中用標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度是不正確的，測量結(jié)果與理論計算結(jié)果相差非常大，因此氫氣的密度要根據(jù)當(dāng)時實驗時的溫度和實驗時的壓強，通過克拉帕龍方程計算出氫氣的實時密度，可以通過溫度、壓強傳感器來實現(xiàn).實驗證明，該方案的實驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)的差在±4%以內(nèi).這對于初中化學(xué)課堂來說已經(jīng)比較精確.2.反應(yīng)前后總質(zhì)量差的方法測量產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量，經(jīng)過反復(fù)實驗，測量結(jié)果要比計算結(jié)果大很多，用0.2400g（±0.0050g）的鎂條和50.0mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的稀鹽酸在500mL的錐形瓶中反應(yīng)，測量結(jié)果大致是計算結(jié)果的4倍.原因是：反應(yīng)前錐形瓶中充滿空氣，而生成的氫氣會把空氣排出，氫氣與空氣極大的密度差導(dǎo)致實驗結(jié)果偏差很大.如果不加干燥管，測量結(jié)果大致是計算結(jié)果的6倍，原因是氫氣生成會帶出水蒸氣.該實驗方案如果要得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要在原有裝置上加裝鼓入空氣的裝置，用空氣排走生成的氫氣，但幾次實驗后，發(fā)現(xiàn)效果還是不理想，實驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)的差比較大.

有了實驗的支持，我進行如下教學(xué)過程.

一、內(nèi)容

1.稱量0.2400g（±0.0050g）鎂條樣品三份（兩份光亮的鎂條，一份被氧化的鎂條），理論上計算這些鎂條與足量的稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量（氫氣的密度在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是0.0899g/L）.2.分別用排水集氣法和差量法實驗測定以上質(zhì)量的鎂條與足量的稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.3.讓學(xué)生感受理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的偏差.4.讓學(xué)生分析產(chǎn)生偏差的原因.5.根據(jù)產(chǎn)生偏差的原因，通過實驗測量數(shù)據(jù)，重新計算實驗結(jié)果，并再次與理論數(shù)據(jù)進行比較.

二、實驗

1.選取兩種鎂條樣品（光亮、被氧化），準(zhǔn)備兩種實驗裝置.2.光亮鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用排水法收集產(chǎn)生的氫氣（量筒收集氣體后的刻度與收集氣體前的刻度之差）并換算成質(zhì)量；同時用化學(xué)方程式計算出該質(zhì)量的鎂條理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.3.被氧化的鎂條0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用排水法收集產(chǎn)生的氫氣并換算成質(zhì)量；同時，用化學(xué)方程式計算出該質(zhì)量的鎂條（暫不考慮氧化的影響）理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.4.取光亮鎂條 0.2400g（±0.0050g），與足量的稀鹽酸反應(yīng)，用反應(yīng)前后總質(zhì)量差的方法計算的氫氣的質(zhì)量（考慮到學(xué)生的學(xué)情，課堂上做該實驗時沒放干燥管，敞口做）；同時，用化學(xué)方程式計算出該質(zhì)量的鎂條理論上能產(chǎn)生氫氣的質(zhì)量.5.用手持式數(shù)字溫度計測量每個實驗反應(yīng)時的溫度，并用壓力傳感器測定課堂中的實時大氣壓.

三、對實驗數(shù)據(jù)的評價

做了這些實驗，并得到實驗數(shù)據(jù)以后，學(xué)生的反應(yīng)要比預(yù)想中的積極很多.因為實驗應(yīng)該是設(shè)計合理的，數(shù)據(jù)似乎有點出乎意料之外.對比計算的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)幾個與預(yù)想相矛盾的地方：1.為什么差量法測氫氣的質(zhì)量要比理論上計算的質(zhì)量大出很多，是最不準(zhǔn)確的？而大多數(shù)學(xué)生在設(shè)計實驗時，認為差量法是首選.2.為什么被氧化的鎂條測得值會最接近理論值？而學(xué)生一般認為被氧化的鎂條得到的氫氣要比理論計算出來的數(shù)據(jù)小.3.為什么光亮的鎂條產(chǎn)生的氫氣會比實際值大很多？而學(xué)生認為得到的氫氣要比理論計算出來的數(shù)據(jù)大一些是能理解的，但大很多是不合理的.

四、尋找合理的解釋

經(jīng)過同學(xué)們的討論和老師現(xiàn)場的一些提示，包括一些驗證小實驗，學(xué)生對這些迷霧也漸漸清晰起來，也能試著找到以上“不合理”的答案.1.差量法的偏差來自于實驗中錐形瓶里產(chǎn)生的一些水霧.通過數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生認識到，產(chǎn)生氫氣帶出來水蒸氣的質(zhì)量相比于氫氣本身的質(zhì)量是不可忽略的，是氫氣本身質(zhì)量的幾倍.在此沒有引導(dǎo)學(xué)生討論氫氣密度與空氣密度差距的問題.2.把50mL的水通過分液漏斗加入空的錐形瓶中，連接錐形瓶的導(dǎo)管口會在水中冒出氣泡.經(jīng)過以上小實驗提示，學(xué)生分析出：排水法收集到氫氣的體積應(yīng)該是量筒收集氣體后刻度與收集氣體前刻度之差，再減去加入錐型瓶中的50mL鹽酸的體積.3.減去了50mL的體積之后，發(fā)現(xiàn)光亮的鎂條實驗數(shù)據(jù)還是比計算數(shù)據(jù)大一些.提示學(xué)生氫氣密度中“標(biāo)準(zhǔn)狀況”的意思，學(xué)生很快就能分析出溫度對氣體密度和體積的影響，實驗環(huán)境中氫氣的溫度要比標(biāo)準(zhǔn)狀況的溫度高，使氫氣的密度變小了，所以計算結(jié)果也會相應(yīng)偏大.

五、重新計算

在分析實驗和數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)的問題后，修正了實驗數(shù)據(jù)的計算方法：把量筒上體積差數(shù)據(jù)減去50mL，把標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的密度通過克拉帕龍方程換算出實時的氫氣密度.學(xué)生利用實時的氫氣密度重新計算.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出的計算結(jié)果與通過化學(xué)方程式計算出來的結(jié)果非常接近.

總之，在教學(xué)實踐中，以“可計量實驗”的“量”的合理性作為探究的切入點，能為研究性學(xué)習(xí)提供很好的素材，使學(xué)生在實驗探究活動中感受化學(xué)實驗中“量”的魅力，體驗科學(xué)探究的方法和過程，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).