高中化學(xué)實驗的改進與創(chuàng)新的研究首師大附屬密云中學(xué)

PAGEPAGE6關(guān)于課題《高中化學(xué)實驗的改進與創(chuàng)新的研究》的成果報告執(zhí)筆人：課題組長孫奇文中學(xué)化學(xué)教學(xué)的魅力在于化學(xué)實驗，對化學(xué)實驗進行不斷改進和創(chuàng)新，實驗才能充滿生命和活力，保持其在化學(xué)教學(xué)中的獨特魅力。在教學(xué)中，我們對實驗進行改進和創(chuàng)新，常能起到事半功倍的作用。改進的實驗，不僅可以幫助教師更好地完成實驗，使之有良好的實驗效果，也能增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力。一、課題研究的主要成果課題的主要研究成果有四項：實驗的改進與創(chuàng)新案例；不安全、不易成功的常見實驗的視頻16個；實驗展示課例10節(jié)；北京市級獲獎?wù)撐?篇。下面就實驗的改進與創(chuàng)新案例分類進行整理如下：（一）化學(xué)反應(yīng)原理的模擬:1.合成氨的模擬：制氮氣裝置制氫氣裝置濃硫酸石棉和鐵粉酚酞溶液高中化學(xué)里的合成氨是一個非常重要的內(nèi)容，可是教材沒有安排實驗，我們設(shè)計了如下實驗，效果很好。2.鐵的腐蝕的快速模擬：分別用氯化鈉溶液和稀醋酸潤濕兩支具支試管，向鐵粉中加入少量的炭粉,混合均勻后,撒入兩支具支試管，幾分鐘后打開止水夾,觀察實驗現(xiàn)象鐵粉+炭粉+飽和食鹽水有色溶液鐵粉+炭粉+稀醋酸有色溶液鐵銹蝕的過程比較慢，不容易在課堂上看到結(jié)果，這個實驗把把鐵生銹的條件進行夸張，鐵釘換成了鐵粉，增大了接觸面積;加入炭粉，構(gòu)成微型原電池;不是泡在溶液中,只是潤濕試管壁增大了氧氣的供應(yīng)，效果非常明顯。3.H2-Cl2燃料電池參照電解食鹽水的實驗，向Ｕ形管里加入飽和食鹽水（滴數(shù)滴洗滌液等發(fā)泡劑），液面高度使電極浸在電解液里約1cm；接通電源電解食鹽水，生成的氫氣、氯氣在Ｕ形管左右兩邊里形成大量泡沫，用彈簧夾封閉兩支管，防止氫氣、氯氣外逸。撤去電源用導(dǎo)線連接電表（萬用電表或毫安表）、大號發(fā)光二極管和電極線（如圖2），電表指針偏移，發(fā)光二極管亮起來。利用此裝置也可以來演示氫氣氧氣燃料電池，但效果不如H2-Cl2燃料電池，電表指針可以偏移，發(fā)光二極管不會亮起來。4.相似也可以不相溶相似相溶是化學(xué)上的一個非常重要的原理，可是學(xué)生對其理解不深，濫用很容易出錯，我們多方查找資料設(shè)計了如下實驗，經(jīng)過多次試驗改進，使學(xué)生認識到相似也可以不相溶。取二支試管，都各加入10mL水和10mL乙醇，然后在溶液中滴入二滴鹽酸，再加入二滴百里酚藍，可以看到溶液呈黃色。往其中一支加入5g碳酸鉀，塞上塞子，振蕩，溶液變藍色并分成兩層，無色的水層和藍色的有機層。極性溶劑乙醇與水互溶，是它們之間存在氫鍵作用，碳酸鉀破壞了這種作用，使酒精和水分層。（二）化學(xué)實驗的深化與完善1.Fe(OH)2快速轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實驗Fe(OH)2轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實驗方法是把新制出的白色Fe(OH)2試管振蕩，試管內(nèi)的物質(zhì)變成灰綠色，再振蕩變成紅褐色的Fe(OH)3。可是，直至下課了，除了在試管壁上有少量的紅褐色痕跡外，試管內(nèi)的物質(zhì)仍為灰綠色。我們補充了一種在濾紙上完成Fe(OH)2快速轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3的實驗方法：取一張濾紙，先用水濕潤，平鋪在玻璃片上，再滴一些鹽酸將濾紙酸化，而后把試管里的灰綠色物質(zhì)倒在濾紙上，用玻棒將其攤開，片刻間灰綠色物質(zhì)變成紅褐色。向?qū)W生展示，紅褐色在白色濾紙的襯托下很清晰，可見度很大。2.濃硫酸使蔗糖炭化實驗培養(yǎng)皿里裝進適量NaOH溶液,把100mL的燒杯放在NaOH溶液里，100mL的燒杯加入蔗糖、水和濃硫酸，攪拌后開始產(chǎn)生氣體時，上罩一只250mL的燒杯（NaOH溶液應(yīng)封閉250ml的燒杯下口），SO2被NaOH溶液吸收。在大燒杯里面放上一朵有色的花，還可觀察濃硫酸和蔗糖發(fā)生炭化反應(yīng)時產(chǎn)生的SO2使紅色消退的過程。3．焰色反應(yīng)實驗的改進把濾紙切割成1.5×10cm的紙條，把要做焰色反應(yīng)實驗用的各種鹽的名稱用鉛筆分別寫在濾紙條上，將濾紙條分別浸泡在各種鹽的飽和溶液里，片刻后取出，晾干。點燃酒精燈，用鑷子夾持含有不同鹽的濾紙在燈焰上灼燒，高溫的燈焰就會呈現(xiàn)不同色彩。教師演示實驗或?qū)W生分組實驗都可采用。4.鐵與水蒸氣反應(yīng)的改進在制取水蒸氣的試管上改加一只雙孔橡膠塞，一個孔用導(dǎo)管與裝鐵粉石棉絨的玻璃管連接，另一個孔裝上玻璃導(dǎo)管，再連接5cm長的乳膠管，用彈簧夾夾住乳膠管。開始加熱試管和裝鐵粉石棉絨的玻璃管時，先把試管上夾乳膠管的彈簧夾取下，讓水蒸氣排到空氣中，當(dāng)鐵粉石棉絨被酒精噴燈燒成紅熱狀態(tài)時，用彈簧夾夾住向空氣中排水蒸氣的乳膠管，大量水蒸氣和鐵粉石棉絨接觸，水蒸氣和鐵粉發(fā)生置換反應(yīng)，尾端產(chǎn)生的氫氣通入盛有洗衣粉水溶液的蒸發(fā)皿中，可以用火柴點燃這些泡泡，能聽到爆鳴聲，證明生成了氫氣，成功地完成實驗。5.制取乙酸乙酯的改進教材上的實驗方法中，生成的乙酸乙酯排在碳酸鈉溶液的上方，乙酸乙酯和碳酸鈉溶液都是無色透明的液體，學(xué)生僅能聞到乙酸乙酯的香味，很難觀察乙酸乙酯的存在。碳酸鈉是強堿弱酸鹽，水解后其溶液顯堿性，制乙酸乙酯前向碳酸鈉溶液里滴幾滴酚酞試液，碳酸鈉溶液變?yōu)榧t色，生成的乙酸乙酯浮在碳酸鈉溶液的上部，界面清晰，學(xué)生看得清，聞得到，實驗效果大為提高。6.噴泉實驗的改進噴泉實驗?zāi)z頭滴管雖已蓄滿水，但倒置后一部分水進入了膠頭中，滴管中沒有充滿水，擠壓時經(jīng)常出現(xiàn)擠不出水的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個實驗的失敗，大大降低了實驗的成功率。我們改用一個5ml的注射器來代替膠頭滴管，實驗前將注射器注滿水，實驗時，推動注射器柱塞，百分百能噴出水柱。5ml的注射器與膠頭滴管粗細大小相似，不影響原實驗裝置的效果，而且改進后，操作簡單方便，提高了實驗的成功率。7.乙醇在銅催化下與氧氣反應(yīng)生成乙醛的實驗把細銅絲團放于中間，用酒精燈預(yù)熱銅絲4～5分鐘，發(fā)現(xiàn)銅絲由紅色變黑色。用鑷子夾一小團棉花蘸取2～3mL無水酒精，放于硬質(zhì)玻璃管的最左端，裝上氣唧，硬質(zhì)玻璃管的右端放入少量白色CuSO4粉末，塞好橡皮塞，把另一端橡皮塞中的導(dǎo)管伸入盛有新制氫氧化銅溶液的試管中。把酒精燈一直放在銅絲部位加熱，片刻后，銅絲由黑色變成亮紅色，此時鼓動一兩次氣唧，銅絲又馬上變黑色；停止鼓動，片刻后，銅絲又會變成亮紅色，如此反復(fù)，銅絲顏色由紅-黑-紅一直在變化，白色CuSO4粉末也逐漸變藍色，說明有水生成，也可以看到右邊的新制氫氧化銅溶液的試管中在鼓動氣唧時有氣泡產(chǎn)生。取下新制氫氧化銅溶液的試管，這時試管中已經(jīng)含有乙醛。用試管夾在酒精燈上加熱，可以看到溶液逐漸產(chǎn)生磚紅色沉淀，現(xiàn)象明顯，可以證明產(chǎn)生了乙醛。（三）化學(xué)實驗的創(chuàng)新1.化學(xué)實驗室氣體發(fā)生器馬永利老師2011年設(shè)計、制成新型的實驗儀器—化學(xué)實驗室氣體發(fā)生器，解決了實驗室制備有毒氣體對環(huán)境的污染和影響師生健康等有史以來沒有解決的問題，已由中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局授予實用新型專利權(quán)。該儀器榮獲第32屆北京青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技創(chuàng)新項目科技制作類一等獎，第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新項目制作類三等獎。2.過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實驗有不少化學(xué)教師做“口含玻管對包裹了過氧化鈉的棉花吹氣，棉花燃燒”的實驗，從而說明過氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈉和氧氣。我們做了如下改進：在一個500mL的燒杯底部一側(cè)粘一段蠟燭頭，在另一側(cè)倒放一只50Ml的小燒杯，小燒杯上放一片鐵片，防止棉花燃燒把小燒杯燒裂，大燒杯里放入適量的碳酸鈉或碳酸氫鈉，點燃蠟燭，把包了過氧化鈉固體的棉花放在小燒杯上，向大燒杯里滴加鹽酸，二氧化碳大量放出，我們會看到燃燒的蠟燭首先熄滅，片刻后棉花燃燒起來。3.長時間觀察鈉的金屬光澤教材上鈉的金屬光澤實驗是用刀子切割鈉，觀察新切割斷面鈉的金屬光澤。此法有兩點不足：①鈉在空氣中極易氧化，所以斷面迅速被氧化成灰色；②斷面可見度太小。我們做了如下兩種改進：1）長期保存：取兩只大小不同的試管，小試管插入大試管里，兩管壁之間的間隙盡可能小。先加熱大試管，減少試管里的空氣含量。取花生米大小的一塊鈉，切去表面氧化層，放入大試管里，在酒精燈上繼續(xù)加熱，與其同時也加熱小試管的底部，待到鈉熔化時，把小試管插入大試管底部，液態(tài)鈉充滿兩試管壁之間，立即用熔化的蠟燭封閉兩試管口的空隙，使鈉和空氣隔絕。一根閃亮的"鈉棒"就做好了，可以長期保存。2）臨時操作：取兩片同樣大?。?0cm×10cm）的玻片，取花生米大小的一塊鈉，切去表面氧化層，放入兩玻片之間，兩手用力轉(zhuǎn)動擠壓玻片，質(zhì)地柔軟的鈉塊在兩玻片間展開，形成有銀白色金屬光澤的"鈉餅"，可保留十多分鐘不會氧化。4.氫氣在氯氣中燃燒的實驗一只T形玻璃三通管（直管較粗的），用一根較細點的尖嘴玻璃導(dǎo)管安上小膠塞連接在T形三通管的直管一端，尖嘴低于外管口5mm；打開制氫氣的活塞，氫氣從內(nèi)管排出，點燃，可觀察到氫氣在空氣中燃燒的火焰；打開制氯氣的活塞，氯氣從內(nèi)、外管壁的空隙間排出，包圍在氫氣火焰外面，火焰立即變成蒼白色；用集氣瓶罩在火焰上2-3秒鐘收集燃燒后的氣體；關(guān)閉氯氣導(dǎo)管，又可觀察到氫氣在空氣中燃燒的火焰。向集氣瓶里注入1/3體積的水，振蕩幾下，滴入幾滴石蕊試液，立即呈現(xiàn)紅色，證明是顯酸性。5.電解池離子的電荷及運動實驗原電池和電解池中電解質(zhì)導(dǎo)電是靠陰陽離子的定向運動來實現(xiàn)的，在教學(xué)中怎樣讓學(xué)生看到離子的運動方向，我們設(shè)計了兩種實驗方法：1)濾紙法：取一張濾紙，用硫酸鉀溶液將其濕潤，在左右兩邊壓上銅片電極，電極的正中位置滴加硫酸銅飽和溶液與高錳酸鉀濃溶液的混合液。電極接通6V直流電源，藍色的Cu2+向負極銅片一方運動，紫色的MnO4-向正極銅片一方運動。數(shù)分鐘后，負極銅片一邊藍色逐漸加深，正極銅片一邊紫色逐漸加深。2)U形管法：設(shè)計制出取一套如圖所示的U形管，首先關(guān)閉中間長頸漏斗上的活塞閥。向U形管里注入大半管硫酸鉀溶液，再向長頸漏斗里注入硫酸銅飽和溶液與高錳酸鉀濃溶液的混合液，慢慢開啟活塞閥，藍紫色的混合液流到U形管的圓弧處，把兩只碳棒電極（或者銅片電極）插入U形管左右兩邊的硫酸鉀溶液里。電極接通6V直流電源，藍色的Cu2+向負極一方運動，紫色的MnO4-向正極一方運動。數(shù)分鐘后，負極一邊藍色逐漸加深，正極一邊紫色逐漸加深。6.濃硫酸吸水性實驗這個實驗在教材上沒有安排，同學(xué)只知道濃硫酸有吸水性，并沒有感性認識，因此我們設(shè)計這個實驗：取一只干燥的溫度計記錄溫度計的讀數(shù)，在水銀球部分蘸上適量的濃硫酸掛在鐵架臺上，下面放上一個玻璃片，防止?jié)饬蛩岬蔚借F架臺上，并觀察溫度計的讀數(shù)變化，就會發(fā)現(xiàn)讀數(shù)明顯升高，說明濃硫酸吸收了空氣中的水分，放出了熱量使溫度升高，這間接的表明了濃硫酸的吸水性。7.氧氣發(fā)生器由學(xué)生陳旭提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，獲三等獎。O2發(fā)生器的結(jié)構(gòu)：將MnO2粉末用粘合劑固定在長頸漏斗末端，實驗時，將其插入H2O2中。設(shè)計O2發(fā)生器的基本思想和目的，是用簡單的實驗方法證明MnO2不是作為反應(yīng)物參與反應(yīng)，而是反應(yīng)的催化劑。8.蠟燭燃熄展示杯由學(xué)生李秋月提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，未獲獎。將蠟燭燃熄演示杯平放在桌面上。將長度為0.5厘米的小蠟燭固定在細玻璃管的頂部。在玻璃高腳杯中加入適量的大理石（或石灰石），點燃蠟燭。將稀鹽酸沿杯壁倒入高腳杯中，稀鹽酸與石灰石反應(yīng)產(chǎn)生CO2，隨著CO2量的逐漸增加，燃著的蠟燭慢慢熄滅。9.氮氣氧氣發(fā)生器由學(xué)生于玥鑫提出設(shè)想，馬永利老師協(xié)助指導(dǎo)制作完成，參加第32屆北京市青少年科技創(chuàng)新大賽，獲三等獎。將N2、O2發(fā)生器與220V電源接通，打開電源開關(guān)，調(diào)整電壓，玻璃管內(nèi)兩極間發(fā)生放電現(xiàn)象，N2、O2化合生成NO2，玻璃管內(nèi)的空氣逐漸變?yōu)樽攸S色。10.酸堿氣體檢溢器電極電極發(fā)光二極管此設(shè)計相當(dāng)于玻璃片，用時在兩個電極之間滴上一滴蒸餾水，蓋在集氣瓶上，當(dāng)氣體收集滿瓶后，氣體溶于水中，開始導(dǎo)電，指示燈亮，表示集滿。2012年在北京市教委、北京市基礎(chǔ)教育系統(tǒng)舉辦的自制教具評選活動中制作的“酸堿氣體檢溢器”優(yōu)化了酸堿性氣體收集、驗滿過程中氣體逸散的問題，榮獲一等獎。（四）化學(xué)實驗中非專業(yè)儀器的合理使用1.鈉的燃燒試驗取一根白色粉筆，用小刀在小頭兒挖出一個比綠豆略大的凹坑，放入綠豆大小的一塊鈉，直接放到酒精燈上加熱，很快就可以看到鈉劇烈燃燒起來，燃燒產(chǎn)物與白色的粉筆對比也很明顯，也免去了用坩堝做實驗之后，會在坩堝產(chǎn)生一片弄不掉的污漬的麻煩。2.氫氣、氯氣在光照條件下反應(yīng)實驗改進教材所給的是點燃的鎂條來引發(fā)反應(yīng)，但在實際操作往往需要好幾根鎂條才能引發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)不容易控制，可做如下改進：用照相機閃光燈代替鎂條作光源，使用礦泉水瓶代替集氣瓶，使用蘸有飽和食鹽水的濾紙代替，安全又快捷。3.礦泉水瓶的妙用1）瓶蓋上鉆一個小孔，灌滿水當(dāng)做洗瓶用。2）制成過濾柱演示水的凈化。把礦泉水瓶剪去瓶底，將瓶蓋換成一個帶導(dǎo)管的膠塞，然后按順序?qū)⒚藁ā⒒钚蕴?、細沙、粗沙放入瓶?nèi)，這樣就制成了一個過濾柱。圖示如下：3）礦泉水瓶可作少量氣體貯氣瓶用集氣瓶集滿氣體，加上膠塞導(dǎo)管止水夾，攜帶方便。當(dāng)需要用氣體時，打開止水夾，擠壓水瓶氣體即可導(dǎo)出。4）做鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣燃燒試驗取礦泉水瓶灌水到膠塞蓋到的位置，取膠塞安上尖嘴玻璃管，在膠塞上扎入一根針，針尖上扎上一塊鈉，蓋上膠塞，反應(yīng)開始后，不用驗純就可點燃，安全又簡捷。二、成果的應(yīng)用情況1.所有改進的實驗示例，已經(jīng)在教研中心教研活動中作專題總結(jié)，全縣各個高中校都在選用。2．典型實驗16個的視頻，已錄制成光盤，提供給縣教研中心供全縣教師選用，并且掛在密云縣教育資源網(wǎng)上，效果良好。3、實驗教學(xué)示范課