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由一道化学试题引发的创新实验

发表时间：2021/3/1 来源：《中小学教育》2021年2月2期作者：何静

[导读]

何静山东省实验初级中学山东济南 250011
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982（2021）02-205-01

        化学实验能引起学生浓厚的学习兴趣及强烈的求知欲。成功的实验有利于学生对教师上课讲解的内容加深认识和理解，并引导学生透过现象，抓住事物的本质。成功不是百分之百的，对不完美的实验除了寻找失败的原因，也促生出改进实验的火花。初中化学《测定空气中氧气的体积分数》的实验，目前在各种教材中介绍的方法有三种，一种如图1所示；另一种如图2所示。两种方法的共同点是用红磷燃烧消耗容器中的氧气产生负压，使水进入容器，证明氧气的体积分数约占空气的1/5。鲁教版采用了图3所示装置：在由一个注射器及硬质玻璃管和气球组成的密闭系统中留有一定体积的空气，给装有铜粉的玻璃管加热，同时缓慢推拉注射器活塞，至玻璃管内的铜粉在较长时间内无进一步变化时停止加热，待冷却至室温，读出注射器减少的体积数值，即密闭系统内氧气体积含量。
        图1                  图2
        一、教学过程中发现演示实验中存在的问题：
        1.前两种实验方法中红磷的着火点较高，红磷燃烧熄灭并不是容器里的氧气耗尽，而是氧气的浓度降低到不能再支持红磷燃烧，即红磷燃烧仅消耗70%-80%左右的氧气，所以水面不可能达到1/5的理想高度。
        2.第3种方法虽然对药品及数据测量方法进行了改进，但是连接口多，容易造成气密性不好，实验成功率不高；使用酒精灯加热时间长，冷却慢，造成实验时间长，现象不明显。
        图3
        二、由一道化学试题引发的创新试验
        在山东省第三届创新大赛来临之际，化学兴趣小组的D同学和L同学提出要将此实验进行改进，提出很多想法都感觉没有大的突破。

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偶然在一本书上看到一道化学试题：某同学在“金属梯”的每一步放置一颗用滤纸吸干水后的白磷，用放大镜会聚6V手电筒光于靠近水面的第一步梯上.请根据如图回答下列问题：①一段时间后，可观察到的现象是：白磷像“上楼梯”般依次燃烧，开始时冒白烟，燃烧快停止时在倒置试管的上部出现白烟.试管内的水位上升到一定位置后恒定不动，反应停止，最终水面将大约置于_____（填数字）处.②“金属梯”的每一步都放置一小颗白磷与只靠近水面的一步“金属梯”处放置一大颗白磷相比，优点是：_________________.
        受这道题目的启发，我们觉得这种方法可以尝试一下，但是存在的问题是：1.用放大镜会聚6V手电筒光不易将白磷引燃；2.“金属梯”在试管中不易固定；3.试管体积太小，白磷迅速燃烧产生大量的热容易使试管内气体膨胀外逸导致实验失败。
        如何解决这些问题呢？首先想到将试管换成有塞玻璃饮料瓶。其次是将金属梯固定在瓶塞上，利用金属的导热性给露在外面的金属丝加热，从而引燃金属梯上的白磷。最困难的是如何给装置快速降温，如何减小误差让水倒吸？两名学生和老师为了寻找实验创新点，通过查阅书籍、网络，反复实验，琢磨推敲，经过多次改进、创造和实验，最终在瓶塞和金属丝之间加一个耐高温的倒三角形开关。白磷燃烧时，瓶内温度升高，气体受热膨胀，压紧开关，不易漏气；白磷燃烧完毕后，直接将玻璃瓶下半部浸没水中，利用冷水及金属丝的导热性快速给玻璃瓶及瓶内气体降温，同时推开开关，随着温度降低，水逐步倒吸入瓶。
        三、具体实验步骤：
        1.取3-4粒小块白磷（足量），用滤纸吸干水，放到金属梯上，用瓶盖将金属梯密封在瓶中，稍用力拉紧关闭开关。将玻璃瓶固定在铁架台上。
        2.用酒精灯加热露在外面的金属丝，引燃白磷，金属梯上的白磷由下向上依次燃烧。（如图4）
        3.当玻璃瓶内不再产生白烟，取下玻璃瓶（瓶塞冲下）将玻璃瓶中下部浸入盛有水的烧杯中，推开开关，随着温度降低，水逐步倒吸，玻璃瓶内液面逐步上升。（如图5）
        4.关闭开关，取出玻璃瓶，可以看到玻璃瓶内液面上升至容积1/5刻度处。
        四、本创新实验的优点：
        1.本实验改进了点燃磷的方式（不用打开瓶塞），保证装置气密性良好。
        2.金属梯的设计能最大量消耗掉容器内空气中的氧气。
        3.利用冷水及金属导热性给装置降温，使之快速冷却，节省演示实验时间，同时实验现象的明显。
                  图4                       图5
        4.为了使实验现象更加明显，学生还设计了在瓶盖上预先放少量石蕊，水倒吸入瓶内后，溶解石蕊显紫色，过一会又变为红色，原因是五氧化二磷溶于水显酸性使紫色石蕊变红色。
        本实验获山东省初中生创新实验大赛二等奖。受一道化学试题启发，和学生一起寻找实验创新点，体验实验的改进过程，作为教师看着学生们从一开始在实验室中的手忙脚乱、失败时的垂头丧气到现在一次次潇洒沉稳地操作、自信大胆的尝试，体验化学实验的过程，感受化学实验的魅力，无论是成功的喜悦还是失败的遗憾，都已经深深地在他们的脑海中定格，这正是他们心目中化学的最大魅力！