初中化學(xué)“無(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究

劉智俊

1 引言

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)?！盁o(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)探究試題最能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，此類(lèi)試題設(shè)計(jì)難度大，考生失分率較高。為了提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和解題能力，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。下面就將課本中的“無(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是無(wú)新物質(zhì)生成，實(shí)驗(yàn)根本未發(fā)生的；另一類(lèi)是有新物質(zhì)生成，實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)生了的。那么驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生的依據(jù)是什么呢？化學(xué)變化的基本特征是有新物質(zhì)生成，而且還伴隨著能量的變化，這種能量變化常表現(xiàn)為吸熱、放熱、發(fā)光等，這些現(xiàn)象常?？梢詭椭覀兣袛辔镔|(zhì)是否發(fā)生了化學(xué)變化。如果酸堿鹽溶液中任意兩種物質(zhì)混合后“無(wú)明顯現(xiàn)象”，該如何知道反應(yīng)是否發(fā)生了呢？下面將這兩類(lèi)“無(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 物理變化——無(wú)新物質(zhì)生成，實(shí)驗(yàn)根本未發(fā)生

如果酸堿鹽溶液中的幾種離子混合后，離子的數(shù)目、離子的濃度都不發(fā)生變化，那么證明反應(yīng)的確沒(méi)有發(fā)生。

案例1：怎樣驗(yàn)證碳酸鉀和硫酸鈉溶液混合后是否發(fā)生了反應(yīng)

探究方案見(jiàn)表1。

反應(yīng)原理：

K2CO3+2HCl=2KCl+H2O+CO2↑；

CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O；

Na2SO4+Ba（NO3）2=BaSO4↓+2NaNO3。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出：碳酸鉀和硫酸鈉溶液混合前后，離子的數(shù)目、離子的濃度都不發(fā)生變化，證明反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生。

3 化學(xué)變化——有新物質(zhì)生成，實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)生了

如果溶液中的幾種離子混合后使其離子數(shù)目減少、離子濃度降低，那么反應(yīng)就沿著離子數(shù)目減少、離子濃度降低的方向進(jìn)行，則證明反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了。

3.1 案例2：如何用實(shí)驗(yàn)證明CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)

（1）密閉體系中反應(yīng)物狀態(tài)的變化引起壓強(qiáng)差來(lái)證明反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了

設(shè)計(jì)原理：由于二氧化碳可與氫氧化鈉溶液反應(yīng)（CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O），二氧化碳?xì)怏w體積減少，造成密閉體系內(nèi)壓強(qiáng)減少，外界大氣壓大于瓶?jī)?nèi)的氣壓。根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)的變化可以設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)裝置。

設(shè)計(jì)一：取2個(gè)相同體積的軟塑料瓶分別收集滿(mǎn)CO2，將等體積的水和NaOH溶液分別倒入兩個(gè)軟塑料瓶中，蓋上瓶蓋后震蕩，如圖1所示。倒入NaOH溶液的軟塑料瓶比倒入水的軟塑料瓶變癟的現(xiàn)象更明顯。通過(guò)“對(duì)比實(shí)驗(yàn)”證明CO2與NaOH溶液反應(yīng)的確發(fā)生了。

設(shè)計(jì)二：將等體積的水和濃NaOH溶液分別倒入2個(gè)相同的燒杯中，再取2支相同體積的試管分別收集滿(mǎn)CO2，同時(shí)將收集滿(mǎn)CO2的試管倒扣在2個(gè)燒杯中，如圖2所示。倒扣在濃NaOH溶液里的試管上升的液面明顯高于裝水的燒杯里面的試管的液面。通過(guò)“對(duì)比實(shí)驗(yàn)”再次證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。

設(shè)計(jì)三：將300 mL濃NaOH溶液倒入收集滿(mǎn)CO2的廣口瓶中，將煮熟去殼的雞蛋放在廣口瓶口，出現(xiàn)了“瓶吞雞蛋”的現(xiàn)象，證明發(fā)生了反應(yīng)。

設(shè)計(jì)四：將100 mL濃NaOH溶液倒入收集滿(mǎn)CO2的廣口瓶中，用一個(gè)帶有U型管的橡皮塞塞緊瓶口，如圖3所示。U型管的液面左側(cè)上升右側(cè)下降且液體進(jìn)入廣口瓶中，證明CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

設(shè)計(jì)五：按如圖4所示裝置設(shè)計(jì)一個(gè)“噴泉實(shí)驗(yàn)”，將膠頭滴管里的濃NaOH溶液擠壓到圓底燒瓶中，再打開(kāi)止水夾。廣口瓶中的紅色液體沿著玻璃管進(jìn)入圓底燒瓶，形成美麗的紅色噴泉。右側(cè)廣口瓶中的稀鹽酸倒流入左側(cè)的廣口瓶中，紅色逐漸變?yōu)闊o(wú)色，證明發(fā)生了反應(yīng)。

設(shè)計(jì)六：將200 mL濃NaOH溶液倒入收集滿(mǎn)CO2的錐形瓶中，然后用一個(gè)帶有玻璃管的雙孔橡皮塞塞緊，玻璃管的下端系上一個(gè)氣球，如圖5所示。將膠頭滴管里的濃氫氧化鈉溶液滴入錐形瓶中，氣球迅速膨脹，證明反應(yīng)發(fā)生了。

設(shè)計(jì)七：先用止水夾夾住玻璃導(dǎo)管中的乳膠管，集氣瓶里裝滿(mǎn)水，再將注射器里的濃NaOH溶液注入裝滿(mǎn)二氧化碳的圓底燒瓶中，最后打開(kāi)止水夾。集氣瓶里的水倒流入圓底燒瓶中，如圖6所示，證明發(fā)生了反應(yīng)。

（2）驗(yàn)證生成物Na2CO3的性質(zhì)來(lái)證明反應(yīng)的確發(fā)生了

方法一：將CO2氣體通入NaOH溶液中，再滴加稀鹽酸（或稀硫酸或稀硝酸），如圖7所示。剛開(kāi)始無(wú)明顯現(xiàn)象，是酸與過(guò)量的氫氧化鈉反應(yīng)，繼續(xù)滴加足量的稀鹽酸，看到有大量氣泡產(chǎn)生，將氣體通入澄清的石灰水中，澄清石灰水變渾濁。說(shuō)明溶液中含有CO2-3，證明CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

反應(yīng)原理：

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；

HCl+NaOH=NaCl+H2O；

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑；

CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O。

向碳酸鈉和氫氧化鈉溶液中滴加稀鹽酸時(shí)，不會(huì)立即產(chǎn)生氣泡，只有酸堿中和反應(yīng)結(jié)束后，才會(huì)發(fā)生稀鹽酸與碳酸鈉的反應(yīng)。即，當(dāng)OH-和CO2-3同時(shí)與H+反應(yīng)時(shí)，只有當(dāng)OH-反應(yīng)完了以后，才會(huì)和CO2-3反應(yīng)生成H2O和CO2。

方法二：將CO2氣體通入NaOH溶液中，再滴加Ca（OH）2或Ba（OH）2或CaCl2或BaCl2或Ca（NO3）2或Ba（NO3）2或AgNO3溶液，有白色沉淀（CaCO3或BaCO3或Ag2CO3）產(chǎn)生，證明CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

反應(yīng)原理：

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；

Na2CO3+Ca（OH）2=2NaOH+CaCO3↓。

證明CO2能與NaOH溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理是：①根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)的變化（瓶吞雞蛋、氣球膨脹、噴泉實(shí)驗(yàn)、液面差實(shí)驗(yàn)等）來(lái)設(shè)計(jì)的探究實(shí)驗(yàn)；②根據(jù)生成物鹽Na2CO3的化學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)的探究實(shí)驗(yàn)；③反應(yīng)的本質(zhì)都是溶液中的離子數(shù)目減少、離子濃度降低生成了氣體或沉淀或水。

3.2 案例3：怎樣驗(yàn)證稀鹽酸和氫氧化鈉溶液混合后是否發(fā)生反應(yīng)

（1）借助酸堿指示劑證明反應(yīng)物的性質(zhì)加以驗(yàn)證。探究方案見(jiàn)表2。

（2）添加其他試劑使其反應(yīng)物中的離子數(shù)目減少、離子濃度降低加以驗(yàn)證。探究方案見(jiàn)表3。

方案3中的氯化鐵溶液也可以替換成含（Fe3+或Cu2+或Mg2+或NH4+）鹽溶液；碳酸鉀溶液也可以替換成單質(zhì)金屬鎂、鋅或金屬氧化物氧化銅、氧化鐵或鹽碳酸鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈉。

方案2和方案3通過(guò)溶液中某些離子明顯減少來(lái)證明已經(jīng)發(fā)生了反應(yīng)（有新物質(zhì)生成），而方案1則是通過(guò)溶液中某些離子沒(méi)有明顯減少來(lái)證明沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)（無(wú)新物質(zhì)生成）。

（3）通過(guò)中和反應(yīng)的熱效應(yīng)來(lái)證明反應(yīng)的發(fā)生

方法一：用雙手直接觸摸稀鹽酸和氫氧化鈉溶液的試管外壁，感覺(jué)溫度明顯升高，證明發(fā)生了反應(yīng)。

方法二：用溫度計(jì)測(cè)試反應(yīng)后溶液的溫度。

方法三：按如圖8所示裝置設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，看到U型管右側(cè)的紅墨水上升，左側(cè)紅墨水下降。證明中和反應(yīng)放熱，錐形瓶?jī)?nèi)空氣體積膨脹，瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)大于外界壓強(qiáng)。

3.3 案例4：如何證明CO2與H2O是否反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)步驟：取4朵用石蕊溶液染成紫色的干燥紙花。第1朵紙花噴上稀醋酸，第2朵紙花噴上水，第3朵紙花直接放入盛滿(mǎn)二氧化碳的集氣瓶中，第4朵紙花噴上水后，再放入盛滿(mǎn)二氧化碳的集氣瓶中，觀察4朵紙花的顏色變化，如圖9所示。

提出問(wèn)題：紫色石蕊溶液遇到什么物質(zhì)變紅？

猜想與假設(shè)：①CO2；②H2O；③CO2和H2O反應(yīng)的生成物碳酸。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)表4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊溶液變成紅色。

化學(xué)方程式：CO2+H2O=H2CO3。

[BFQ]案例1沒(méi)有新物質(zhì)生成，所以碳酸鉀和硫酸鈉溶液沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，而案例2、案例3、案例4都有新物質(zhì)生成，所以都發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。判斷“無(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)，是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)的依據(jù)，是看是否有新物質(zhì)生成。若是酸堿鹽溶液混合，是看是否離子減少生成了氣體或沉淀或水（即復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件）；其他物質(zhì)混合，是看是否有新物質(zhì)生成（比如二氧化碳與水反應(yīng)有新物質(zhì)H2CO3生成）。[BF]

提出問(wèn)題：其他酸性氧化物都能與水反應(yīng)嗎？如何書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式？書(shū)寫(xiě)酸性氧化物與可溶性堿的化學(xué)方程式是整個(gè)初中的最難點(diǎn)，如何引導(dǎo)書(shū)寫(xiě)呢？其實(shí)可以分3步進(jìn)行（以酸性氧化物分別與NaOH反應(yīng)為例）。

（1）酸性氧化物+H2O=酸

CO2+H2O=H2CO3；SO2+H2O=H2SO3；SO3+H2O=H2SO4

注意：SiO2既不溶于水也不與水反應(yīng)，SiO2對(duì)應(yīng)的水化物是硅酸（H2SiO3），H2SiO3也難溶于水。

（2）酸+堿=鹽+H2O

H2CO3+2NaOH=Na2CO3+2H2O；H2SO3+2NaOH=Na2SO3+2H2O；H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O

（3）酸性氧化物+堿=鹽+H2O（堿可溶）

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O；

SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O；SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

探究實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)中的靈魂。在新課教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)抓住“無(wú)明顯現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)來(lái)達(dá)到判斷反應(yīng)是否發(fā)生的目的，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和發(fā)展學(xué)生的思維能力。在復(fù)習(xí)教學(xué)過(guò)程中，更應(yīng)抓住出題熱點(diǎn)，精選實(shí)驗(yàn)習(xí)題，既要重視夯實(shí)基礎(chǔ)，又要加強(qiáng)綜合題的訓(xùn)練。要理清物質(zhì)間的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化、具體化、系統(tǒng)化，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，提高解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的能力，這樣既有助于學(xué)生取得優(yōu)異成績(jī)，又有利于學(xué)生化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)的提升。