对几个初中常见化学实验的再认识

 新闻资讯     |      2020-03-24 17:41

化学是一门以实验为基础的科学,化学实验在激发学生学习兴趣、获取化学知识的同时,还能有效促进实验操作能力、观察能力和思辨能力等学科核心素养的形成,是初中化学日常教学工作中的重要组成部分。但那些看似简单而普通的教学实验的背后,却也蕴含着许多不为人知的内容,有待我们去学习和探索。下面就针对人教版九年级化学教材中的几个常见实验,谈谈自己的新认识。

在人教版九年级化学上册教材中有学生实验“氧气的实验室制取与性质”,该实验至少要收集两瓶氧气来进行木炭在氧气中燃烧和铁丝在氧气中燃烧。药品取用太少,将无法完成实验,药品取用过多又会造成浪费和环境污染,那么应该取多少高锰酸钾加入到大试管中呢?按照教材中所提到的,高锰酸钾在受热时,分解出氧气,同时还有锰酸钾和二氧化锰生成,化学方程式为2KMnO4△K2MnO4+MnO2+O2↑,由此计算理论得氧率为10.13%,如果以收集满两个250m L集气瓶为例,通过标准状况下氧气密度1.429g/L来计算,那么至少需要7.05克的高锰酸钾。但在实验中会发现实际得氧率要高于理论得氧率,这又是什么原因呢?

在黄晗达老师的《高锰酸钾加热分解过程研究》一文中,利用热重分析和X-射线衍射技术进行实验,提出了新的高锰酸钾加热分解反应的化学方程式为:6KMnO4△2K2MnO4+K2Mn4O8+4O2↑和KMnO4△KMnO2+O2↑,由此计算理论得氧率要大于13.5%,那么通过计算,收集满两个250mL集气瓶,在标准状况下,只需要高锰酸钾5.29克。以此类推,在进行加热高锰酸钾制氧气实验之前,根据学生进行的性质实验的不同,预计需要制取几瓶氧气,并计算好相应的高锰酸钾质量,就可以起到节约药品、避免过多污染物产生的良好效果。

电解水实验是引导学生认识物质元素组成的重要实验。可是,在进行该实验时,总会遇到一种实验现象:电解水之后生成的氢气和氧气的体积比与理论值2︰1相差较大,氧气的体积没有达到氢气体积的一半。针对这个问题,通过查阅资料,发现成因较多,主要有以下几个:

在20℃和一个标准大气压下,每升水中,氢气和氧气的溶解量分别为18.2mL和31.1m L。由此可见,在相同温度和压强下,氧气在水中的溶解度比氢气大,使收集到的氧气体积减少。

若用自来水配制电解液,由于水中的氯离子比氢氧根离子更易失电子,使相同时间内产生的氧气量减少;同时电解生成的活性氧很容易与自来水中的一些还原性物质发生反应,从而降低了氧气的产量。

使用稀硫酸做溶液电解质是,由于溶液中存在硫酸根离子、硫酸氢根离子等,它们会在阳极生成少量稳定的过硫酸、双氧水与臭氧,减少了氧气的生成量。而且,因为加入电解质可以增加溶液的导电性。所以,当电压一定时,在合理范围内,电解质的浓度越大,氢气和氧气的体积比越接近理论值2︰1。

如果电极材料是铜、铁、碳(石墨)等活泼电极,它们容易被氧气氧化,发生化学反应而消耗了部分氧气。并且,电极对气体的表面吸附程度也不同,如铂对氢气的表面吸附很小,而对氧气的吸附却较大。

正是因为存在着以上的影响因素,氧气体积没有达到氢气体积一半的这种现象属于实验误差。那么在进行实验时提前做好准备,尽量减小误差范围就很有必有了。比如:

1.课前先电解一下水,让电解液与电极充分吸收氢气和氧气达到饱和,然后再把氢气和氧气放掉,使课堂电解水时,减少电极与电解液对氢气和氧气的吸收。

2.尽量使用蒸馏水,减少水中杂质。同时,做好水电解器的用后清洗工作和存放环境的卫生管理,尽量杜绝耗氧有机物的产生。

3.选用浓度为10﹪的氢氧化钠溶液做电解液比较理想,这样可以减少副反应对氢气氧气体积比的影响,在保证电解速率的同时也不会明显增强电解液对仪器的腐蚀。

4.电极材料最好选用惰性的铂电极。此外,如果选用10﹪的氢氧化钠溶液为电解液,粗铁丝、不锈钢片也是较好的电极材料,因为此类电极表面会生成难溶的保护膜,避免了在电解过程中被氧气氧化,从而减少了氧气的消耗。

在人教版九年级化学上册教材中,关于实验室里制取二氧化碳的装置选择有一个探究课题。其中介绍,由于二氧化碳能溶于水,能与水反应,所以一般采用向上排空气法收集二氧化碳。在初中阶段的各级各类考试中也经常出现不能用排水法收集二氧化碳的考点。那么,是否真的不能用排水法收集二氧化碳呢?我们可以设想一下,如果将二氧化碳持续通入水中,由于水槽中的水体积有限,与通入的二氧化碳气体接触面积较小,在小范围和短时间内无法完全吸收通入的大量二氧化碳,多余气体很可能会进入集气瓶中,从而收集到二氧化碳。在这个设想中,二氧化碳气体的产生速度和数量就成为了能否用排水法收集二氧化碳的关键,而反应物石灰石的形状,稀盐酸的浓度是决定二氧化碳产生速度的主要因素。

在洪碧瑜老师的实验探究中,通过改变石灰石的形状(块状、颗粒状),改变稀盐酸的浓度(1%~10%),并通过数据采集和计算机绘制二氧化碳浓度曲线的方式清楚地展现了当采用颗粒状的石灰石和浓度为7.5%的稀盐酸为反应物时,排水法收集二氧化碳气体是可行的。结合平时的教学,在有学生提出能不能用排水法收集二氧化碳的时候,一棍子打死的做法不可取。教师可以安排一节实验探究课,通过对上述实验探究的复现,让学生感知排水法收集二氧化碳是可行的,但也是有前提条件的,这样不单加深了对书本知识的理解和应用,而且更能激发学生的想象空间,打破教学僵硬化的局面,塑造出理性、活泼的学习和思考氛围,提升学习幸福感和成就感。

通过对上面几个教材常见实验的再认识,从实验原理到实验细节都学到了很多新颖的启发和感悟,也深切体会到化学实验的独特性,感受到化学学科的魅力所在。学无止境,只有保持一份对揭开化学实验神秘面纱的渴望,时时探索,处处留意,才能在实验的旅途中快乐前行。

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