劉瑛

【摘? 要】實驗異常現(xiàn)象的出現(xiàn)，會使師生產(chǎn)生不同程度的認知沖突或出現(xiàn)情緒緊張的狀態(tài)。對異?，F(xiàn)象的應(yīng)對和處理，是體現(xiàn)教學機智和專業(yè)素養(yǎng)的重要時刻。本文分析了高中化學必修第二教學中出現(xiàn)的幾個實驗異?，F(xiàn)象，并作出了科學合理的解釋，最后就合理規(guī)避或利用異常現(xiàn)象提出了思考與建議。

【關(guān)鍵詞】化學實驗;異?，F(xiàn)象;認知沖突

一、問題的提出

化學是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的學科，實驗在化學教學中有著不可替代的作用。凡事預則立，不預則廢，化學實驗亦然。明確實驗目的、分析實驗原理和預測實驗現(xiàn)象是進行化學實驗前所必須完成的步驟。實驗教學中的種種情況都在預設(shè)范圍內(nèi)，教師在課堂上就會游刃有余，得心應(yīng)手。

在上現(xiàn)場課和公開課時，異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)會加重緊張情緒，大多數(shù)教師都愿退避三舍，敬而遠之。在進行演示實驗或分組實驗時，執(zhí)教者多期望看到預期的實驗現(xiàn)象，對異?，F(xiàn)象存有畏懼之心。實驗異常的出現(xiàn)，會讓教師或?qū)W生的原有觀念與新經(jīng)驗之間產(chǎn)生對立性矛盾，并對異?，F(xiàn)象產(chǎn)生疑惑、出現(xiàn)情緒緊張或不適的狀態(tài)，即產(chǎn)生認知沖突。如何應(yīng)對此種狀況，是值得我們思考的地方。

二、關(guān)注異?，F(xiàn)象，挖掘背后成因

實驗教學中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，多與試劑來源、裝置設(shè)計、反應(yīng)原理和實驗操作等有關(guān)，但是理論分析是一枝獨秀，實際情況卻是百花齊放。專業(yè)知識的大量儲備和實踐經(jīng)驗的長期積累，是應(yīng)對復雜多變的課堂教學的有效保障。筆者在進行高中化學必修二的教學時，實驗中出現(xiàn)了幾個異?，F(xiàn)象，現(xiàn)分析如下。

（一）“探究影響化學反應(yīng)速率的因素”實驗教學中的異常及應(yīng)對

1.教學片段

學生在實驗中發(fā)現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，標注為0.1mol/L鹽酸與Zn片反應(yīng)的速率竟然比1mol/L鹽酸與同樣大小同樣形狀的Zn片反應(yīng)速率快。這一異常現(xiàn)象讓筆者也緊張了起來，用“實驗員可能將標簽貼反了，可能是藥品配制過程中出了差錯，也可能是其他什么原因，老師下課了解一下”搪塞過去了，但是學生在下課聊天的時候樂此不疲地與同伴分享著這一趣事。筆者意識到這一“烏龍事件”可能會產(chǎn)生無法估量的蝴蝶效應(yīng)，必須揭示背后成因，在課堂上與同學共同分析討論。

2.揭示原因

實驗小組所用的0.1mol/L鹽酸是從藥品柜中拿出來的，且從初次配制至此次使用已相隔幾年時間。因滴瓶的橡膠塞全部老化開裂，故在使用前全部替換成新橡膠塞。筆者用5-8小組使用的鹽酸和藥品柜中保存的0.1mol/L的鹽酸分別再次進行了實驗，與學生所得實驗現(xiàn)象相同;而用準備室中臺面上放置的相應(yīng)濃度的鹽酸做實驗，現(xiàn)象卻是與預期相同的。因此，實驗員貼錯標簽的可能性為零，造成實現(xiàn)現(xiàn)象異常的原因與鹽酸在保存過程中發(fā)生的變化有關(guān)。濃鹽酸具有揮發(fā)性，會使其濃度變小，按照思維定勢，實驗室保存的0.1mol/L的鹽酸亦會變稀，實驗對比結(jié)果應(yīng)該不會逆轉(zhuǎn)，但是實驗事實確是如此，通過查閱大學《物理化學》課本找到了原因。

對于同一系統(tǒng)，其所含物質(zhì)數(shù)量的多少隨人們研究問題的出發(fā)點不同而不同，但是平衡系統(tǒng)的組分數(shù)卻始終保持一定值，所以，組分數(shù)是表征系統(tǒng)性質(zhì)的一個重要參數(shù)。組分數(shù)不僅與物質(zhì)種數(shù)有關(guān)，還與化學反應(yīng)條件、濃度限制條件等有關(guān)。組分數(shù)等于系統(tǒng)中的物種數(shù)減去獨立的化學平衡數(shù)，再減去同一相的獨立濃度限制條件數(shù)。對于HCl和H2O組成的溶液而言，若不考慮它們的電離，其平衡系統(tǒng)中所含的組分數(shù)是2。若要考慮，則根據(jù)反應(yīng)：2H2O? ? H3O++OH-，HCl=H++Cl-，可知組分數(shù)=6-2-2=2，仍然不變。

對于二組分系統(tǒng)而言，影響其狀態(tài)的因素有溫度、壓力和組成。試劑是在常壓下保存的，所以可以固定壓力，繪制沸點（T）-組成（x）圖（見圖1）。由于HCl溶于水后完全電離，使得揮發(fā)性發(fā)生改變，在T-x圖上出現(xiàn)最高點，即最高恒沸點383K，該點上氣、液兩相組成相同，HCl的質(zhì)量分數(shù)為20.24%。373K、187.9K分別為水和氯化氫的沸點。根據(jù)柯諾華諾夫第一規(guī)則，較易揮發(fā)組分在氣相中的成分大于在液相中的成分，即溶液中沸點低的組分在氣相中的成分總比在液相中的大，所以T-x圖的氣相線總是在液相線上方。

據(jù)圖可知，當組分處于左半部時，則分餾結(jié)果得到純水和HCl-H2O恒沸混合物。當組分利于右半部分時，則分餾結(jié)果得到HCl和和HCl-H2O恒沸混合物。藥品柜中保存的鹽酸初始濃度是0.1mol/L，恒沸混合物的濃度約為6mol/L，故保存于藥品柜中的稀鹽酸在存放過程中，因滴瓶膠塞老化、密封性較差等原因，氣相物質(zhì)會不斷揮發(fā)，且揮發(fā)出來的是較多的H2O和較少的HCl，液相組成逐漸向中間恒沸混合物移動，濃度逐漸增大。由此可知，稀鹽酸（質(zhì)量分數(shù)小于20%）在長期存放過程中，因較多的H2O和較少的HCl揮發(fā)，導致濃度升高，故出現(xiàn)異常實驗現(xiàn)象。

（二）“乙醇的性質(zhì)”實驗教學中的異常及應(yīng)對

1.教學片段

“乙醇的性質(zhì)”教學中，通過復習鞏固乙烯的性質(zhì)，引出乙醇的工業(yè)制法——乙烯直接水化法，即在加熱、加壓和有催化劑存在的條件下，乙烯與水發(fā)生加成反應(yīng)得到乙醇，繼而進行乙醇的性質(zhì)探究部分。為了驗證乙醇與Na的反應(yīng)，教師提出思考問題：實驗所需試劑有何要求？乙烯水化法所得乙醇能否直接進行實驗？如若不行，如何使其滿足實驗要求。因水可以與Na反應(yīng)，學生多認為需要用純乙醇來進行實驗。乙烯水化法所得乙醇中混有水，可利用蒸餾的方法得到純乙醇。教師給出事實證據(jù)——蒸餾法得到的乙醇濃度最高為95.6%。這一事實與學生的原有認知產(chǎn)生沖突，據(jù)此介紹無水乙醇的制備方法之一——將新煅燒的CaO置于95%的乙醇中，先冷凝回流一段時間后，再蒸餾，可得無水乙醇。

教學中對無水乙醇的制備進行了重點強調(diào)，但是在后期作業(yè)評價中發(fā)現(xiàn)，學生的掌握得并不是很好，多停留在原有認知的水平上。故需要在形成認知沖突處再下一劑猛藥，讓學生知其然，亦知所以然。

2.揭示原因

乙醇與水組成的溶液是二組分系統(tǒng)，繪制沸點（T）-組成（x）圖（見圖2）。由于乙醇溶于水后與水分子間形成氫鍵，使得揮發(fā)性發(fā)生改變，在T-x圖上出現(xiàn)最低點，即最低恒沸點351.1K。該點上氣、液兩相組成相同，乙醇的質(zhì)量分數(shù)為95.6%，改變溫度時，氣相和液相的組成均保持恒定。373K、351.2K分別為水和乙醇的沸點，氣相線在液相線上方。

乙烯水化法所制得的乙醇，其組分處于圖像左半部，故在蒸餾過程中，揮發(fā)出來的是較多的乙醇和較少的水，氣相取出后再部分冷凝，經(jīng)過多次反復降溫、冷凝，氣相組成將逐漸往右下端移，直至恒沸混合物。在進一步的蒸餾過程中，組成保持不變，得到的始終是乙醇-水恒沸混合物，得不到純乙醇。所以為了得到純乙醇，需要在高濃度乙醇的基礎(chǔ)上，利用CaO與水的反應(yīng)將微量的水除去。

（三）“乙烯的性質(zhì)”實驗教學中的異常及應(yīng)對

1.教學片段

濃硫酸分子內(nèi)脫水是實驗室制備乙烯的常用方法，但是筆者親自進行實驗后發(fā)現(xiàn)效率低且副反應(yīng)明顯，故放棄了利用此法制備乙烯。有一線教師利用乙烯利來快速制備乙烯，筆者自己在花卉市場也買了一瓶乙烯利，以便進行乙烯與溴的四氯化碳反應(yīng)的演示實驗。

實驗猜想：根據(jù)乙烯的結(jié)構(gòu)特點，類比甲烷的性質(zhì)，乙烯和溴的四氯化碳能反應(yīng)嗎？若反應(yīng)，可以觀察到什么現(xiàn)象？若反應(yīng)，屬于什么反應(yīng)類型，是取代反應(yīng)嗎？如何用實驗進行驗證？實驗驗證：教師進行演示實驗，將乙烯利與NaOH混合，現(xiàn)場制乙烯，并將其通入到溴的四氯化碳溶液中，溶液褪色;再向溶液中滴加幾滴HNO3酸化的AgNO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀。

產(chǎn)生白色沉淀這一實驗現(xiàn)象屬異?，F(xiàn)象，與學生通過預習所得認知相沖突，與教師預期現(xiàn)象亦有不同，屬于課堂生成問題。

2.揭示原因

出現(xiàn)的白色沉淀的成分必是AgCl，唯一引入Cl-的部分唯有乙烯利與NaOH的反應(yīng)。通過查閱資料，乙烯利制備乙烯的原理是：

+ 4NaOH → CH2=CH2↑+NaCl+

Na3PO4 +3H2O

該反應(yīng)中，NaOH溶于水大量放熱，且演示實驗中所用分液漏斗管口處離底部較近，導致乙烯氣體快速生成時，溶液中的NaCl隨氣流一起進入后續(xù)裝置，即HNO3酸化的AgNO3溶液中。故要排除NaCl等因素的影響，可將氣流進行降溫處理，使得NaCl進入液相，不隨氣相一起進入后續(xù)裝置。為了避免干擾，筆者進行了實驗改進，提前將乙烯制備好并收集在儲氣袋中，再進行實驗，未觀察到沉淀生成。另外，考慮到HBr難溶于CCl4，易揮發(fā)，且溴可與水反應(yīng)生成HBr干擾實驗結(jié)果，所以向通入乙烯之后的溴的CCl4溶液中加入HNO3酸化的AgNO3溶液來檢驗HBr的存在有不合理之處。在第二個教學班進行教學時，做出了改進，即將乙烯與溴的CCl4溶液反應(yīng)后的氣體先通入CCl4中除去可能揮發(fā)出來的溴蒸氣，再通入HNO3酸化的AgNO3溶液中。在出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的教學班中，對產(chǎn)生異常的原因做了詳盡的分析，并引導學生改進了設(shè)計方案，以實現(xiàn)培養(yǎng)學生科學探究的能力，并強化學生的證據(jù)推理意識。

3.點擊高考

對“乙烯的性質(zhì)”實驗教學中異常現(xiàn)象的分析，并非閉門造車、自圓其說，實則有理可依、有跡可循。在2020年浙江卷中，濃硫酸與濃鹽酸混合制備HCl時，生成的氣體通入硝酸鋇溶液中產(chǎn)生白色沉淀。分析其原因，亦是因二者混合過程中放熱，HCl氣體將硫酸帶出，使其進入硝酸鋇溶液中產(chǎn)生白色沉淀。

在2019年北京卷中，Cu與濃硫酸在加熱條件下反應(yīng)制備二氧化硫，生成的氣體通入硝酸銀溶液之前，用飽和亞硫酸氫鈉除去SO2中的雜質(zhì)，其作用亦是除去可能被氣流帶出的硫酸。

三、對“異?，F(xiàn)象”的教學思考

對實驗異?，F(xiàn)象的應(yīng)對和處理，是體現(xiàn)教學機智和專業(yè)素養(yǎng)的重要時刻。當學生因?qū)嶒灝惓，F(xiàn)象產(chǎn)生認知沖突時，多會產(chǎn)生主動探究的欲望。教師可因勢利導，順勢而為，在解決沖突的過程中提升學生的認知水平和學科能力，幫助學生形成敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新、崇尚真理和嚴謹求實的科學態(tài)度。當教師因?qū)嶒灝惓，F(xiàn)象產(chǎn)生認知沖突時，應(yīng)當有自覺探究的意識。平時教學中的意外實驗現(xiàn)象背后都隱藏著必然，嚴謹?shù)目茖W態(tài)度是教師需要教會學生的珍貴品質(zhì)。

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