如何在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生“想”的意識(shí)*：以量氣法實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

任艷平 董志強(qiáng) 阮嬋姿

(廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)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(jìn)行持續(xù)改革。那么，從基礎(chǔ)教學(xué)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(shí)，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(shí)候都沒有的，這就是創(chuàng)新。創(chuàng)新思想和創(chuàng)新意識(shí)是在學(xué)習(xí)、研究過程中逐漸形成的，是由量變到質(zhì)變的結(jié)果。

許多高校除了開設(shè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即所謂的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，還開設(shè)了研究型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)等，但不管化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和內(nèi)容如何變化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)和宗旨都是要培養(yǎng)學(xué)生會(huì)“想”、會(huì)“做”、會(huì)“表達(dá)”。

下面通過一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例——量氣法的應(yīng)用，展現(xiàn)我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中如何啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生去“想”。

量氣法利用的是封閉體系中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，通過測量反應(yīng)前后的氣體體積，得到反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體體積，再根據(jù)相應(yīng)定量關(guān)系計(jì)算得到待測值。量氣法涉及到的知識(shí)點(diǎn)包括:分壓定律、連通器原理、理想氣體狀態(tài)方程。這些知識(shí)點(diǎn)是學(xué)生在中學(xué)已經(jīng)掌握的。量氣法具有實(shí)驗(yàn)原理簡單、操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是常數(shù)測定和定量化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)中常用的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法。在很多無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)或無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中都有與量氣法相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如置換法測定Mg的摩爾質(zhì)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(xué)生開設(shè)的量氣法相關(guān)實(shí)驗(yàn)是“置換法測定Mg的摩爾質(zhì)量”［1］。通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對量氣法有了感性認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，我們與學(xué)生一起一步步通過設(shè)問式對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作等問題進(jìn)行了回顧、總結(jié)和進(jìn)一步探討，以此啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生去“想”。

首先，讓學(xué)生思考利用本實(shí)驗(yàn)的裝置和操作還可以測定物質(zhì)的哪些物理量?

很多學(xué)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(zhì)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(shí)際上，這只是“照貓畫貓”。

接著就本實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)進(jìn)行討論。反應(yīng)體系要密閉，反應(yīng)前要將反應(yīng)物隔離，本實(shí)驗(yàn)中，用滴管將稀H2SO4送入反應(yīng)管底部，而將Mg條用水粘在反應(yīng)管上端內(nèi)壁。通過實(shí)驗(yàn)，許多學(xué)生感受到要將Mg條粘在反應(yīng)管上端內(nèi)壁上并不容易，若不小心，Mg條就很容易掉入酸中，造成實(shí)驗(yàn)失敗。對于是否有較安全的方法來隔離反應(yīng)物這樣的問題，有學(xué)生提到可以使用甘油，因?yàn)楦视偷酿じ搅Ρ人畯?qiáng);實(shí)際上，也有教材上設(shè)計(jì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了甘油［8］。還有學(xué)生說用凡士林，凡士林的黏附力比甘油更強(qiáng);但實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，附著在反應(yīng)管內(nèi)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(yīng)管內(nèi)壁，但若金屬呈長絲狀或刨花狀或較細(xì)碎時(shí)，應(yīng)該如何將其與酸安全隔離呢?在提出此問題后，雖然學(xué)生們都低頭不語，但能看出他們在“想”。這時(shí)老師會(huì)拿出一根細(xì)絲狀的Mg條，將其折成“又”字形后在反應(yīng)管上比劃一下。這時(shí)有學(xué)生會(huì)立刻明白，可以將“又”字形金屬絲卡在反應(yīng)管內(nèi)壁。若金屬呈刨花狀或較細(xì)碎時(shí)，則可以借助另外一個(gè)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(yīng)產(chǎn)生氣體，使用的是量氣法。如果從反應(yīng)產(chǎn)生氣體的角度考慮，還有哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)苡昧繗夥?

此問題需要學(xué)生逆向思維，換角度思考。老師提醒學(xué)生:“在密閉體系，反應(yīng)前無氣體產(chǎn)生，活潑金屬掉入酸中才產(chǎn)生氣體……”。老師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生，加熱才反應(yīng)產(chǎn)生氣體的……，即將反應(yīng)物放在反應(yīng)管中，加熱后產(chǎn)生氣體，其他操作與數(shù)據(jù)處理與Mg的摩爾質(zhì)量或氣體摩爾常數(shù)R的測定相同。已經(jīng)設(shè)計(jì)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)［5］如CaO2含量的測定()，氣體摩爾體積的測定()。當(dāng)然可以將氣體摩爾體積測定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yīng)產(chǎn)生氣體，可用量氣法;某固體或液體在加熱條件下分解產(chǎn)生氣體也可用量氣法。如果再考慮還有哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)苡昧繗夥?，我們給出了2011年土耳其第43屆國際奧林匹克化學(xué)競賽實(shí)驗(yàn)預(yù)備題。該題內(nèi)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(xué)生思考如何用量氣法實(shí)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(yīng)產(chǎn)生CO2;②借助CaCO3加熱至800℃以上分解產(chǎn)生CO2(此時(shí)，導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)生CO2，實(shí)現(xiàn)以量氣法測定CaCO3的含量，又會(huì)涉及到粉末狀固體與酸的反應(yīng)。對此，學(xué)生們圍繞著反應(yīng)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(xué)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(yīng)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(huì)包裹CaCO3使反應(yīng)不完全而產(chǎn)生誤差，所以，在反應(yīng)過程中需要不斷攪拌。但由于這種隔離反應(yīng)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(xué)生提出用“胖肚管”，但定量的粉末狀鈣鹽不容易完全轉(zhuǎn)移至“胖肚”;此外，在攪拌過程中，固體會(huì)飛濺到反應(yīng)管內(nèi)壁，使反應(yīng)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(yīng)管底部，用幾毫升水沖洗反應(yīng)管口及上端內(nèi)壁以防殘留混合鈣鹽，然后將反應(yīng)管放入冰鹽浴中冷凍，使反應(yīng)管中的溶液結(jié)冰(冰要致密，沒有裂縫，與反應(yīng)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(yīng)完全。這樣就能巧妙地實(shí)現(xiàn)用量氣法測定CaCO3含量。

上述實(shí)驗(yàn)提示我們，類似實(shí)驗(yàn)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(xué)生們通過實(shí)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(shí)，還要求冰層致密、均勻，沒有裂縫，與反應(yīng)管凍為一體。否則會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(xué)生提出可以在反應(yīng)管上端加一分液漏斗，將酸放入分液漏斗中，鈣鹽放入反應(yīng)管底部;對此，有學(xué)生提出不同意見:“若隨著分液漏斗中的酸滴入反應(yīng)管中，密閉體系由于氣體產(chǎn)生而使酸難于再滴入反應(yīng)管中?！贝藭r(shí)，我們適時(shí)給出提示，指出這不是使用分液漏斗所產(chǎn)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(yīng)前的初始體積與酸在反應(yīng)管中(反應(yīng)前，酸不能放在反應(yīng)管中與鈣鹽接觸)的初始體積是否相同?二者相差多少?反應(yīng)后所產(chǎn)生的氣體體積該如何計(jì)算?

我們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在分液漏斗中加入液體會(huì)排出氣體，使得測量體積偏大。由于實(shí)驗(yàn)密閉空間為分液漏斗旋栓以下的空間，實(shí)驗(yàn)中通過旋栓加到反應(yīng)管中的酸的體積會(huì)改變密閉空間的氣體體積，進(jìn)而也會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。由于反應(yīng)后所產(chǎn)生的氣體體積應(yīng)是測量體積減去從分液漏斗中所加入到反應(yīng)管中酸的體積，但從分液漏斗加入到反應(yīng)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(gè)好方法。

還有學(xué)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(guān)閉，由于連通器的原理，密閉空間的氣體體積也不會(huì)改變)，克服了用普通分液漏斗使測量體積偏大的缺點(diǎn)。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(yīng)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(xué)生會(huì)問，如何消除HCl的揮發(fā)以及CO2的溶解給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差。如果考慮HCl的揮發(fā)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的誤差，可以在數(shù)據(jù)處理時(shí)扣除實(shí)驗(yàn)溫度下HCl的蒸氣壓(如25.0℃時(shí)，HCl(aq)的飽和蒸氣壓為4357Pa);至于CO2的溶解對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，有學(xué)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(gè)想法很好，也出乎我們的意料。

在進(jìn)行量氣法討論一學(xué)期之后，很多學(xué)生還能記得量氣法。如在用純Zn片為基準(zhǔn)物標(biāo)定EDTA溶液時(shí)，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(shí)有學(xué)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(xué)生的腦海。又如在配位滴定法測定Al合金中Al含量［1］的實(shí)驗(yàn)討論過程中，有幾個(gè)學(xué)生同時(shí)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(shí)少，且使用試劑種類少(配位滴定法測定Al合金中Al含量時(shí)要用NH3·H2O和NH4F等8種試劑)、污染也小。上述兩個(gè)例子體現(xiàn)出學(xué)生在有關(guān)量氣法應(yīng)用方面已具有“想”的意識(shí)和“想”的習(xí)慣。

對于量氣法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要通過對照實(shí)驗(yàn)來了解誤差大小。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)要求(知識(shí)點(diǎn)和方法等)，對具體問題進(jìn)行具體分析。

每個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)需要縱、橫探索的內(nèi)容都很多，不同實(shí)驗(yàn)需要“想”的問題不同，“想”的方法和思路也不同，這可以使學(xué)生從不同的實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)廣“思”。

創(chuàng)新意識(shí)實(shí)際上就是“想”的習(xí)慣，一直在想、在做，就會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，這就是創(chuàng)新。

要教會(huì)學(xué)生勤思、善想，不僅要從教學(xué)形式上，更要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生去探究和思考。

［1］蔡維平.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(一).北京:科學(xué)出版社，2004

［2］蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心.大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)Ⅰ，上下冊).第2版.蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2011

［3］鄭春生，楊楠，李梅，等.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(無機(jī)及化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)部分).天津:南開大學(xué)出版社，2001

［4］吳泳.大學(xué)化學(xué)新體系實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社，1999

［5］沈建中，馬林，趙濱，等.普通化學(xué)實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2007

［6］吳江.大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005

［7］范志鵬.大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006

［8］浙江大學(xué)普通化學(xué)教研室.普通化學(xué)實(shí)驗(yàn).第3版.北京:高等教育出版社，1996

［9］武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心.分析化學(xué)實(shí)驗(yàn).武漢:武漢大學(xué)出版社，2003

［10］趙濱，馬林，沈建中，等.無機(jī)化學(xué)與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2008