例谈初中化学定性实验的定量化设计
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定量型实验是化学实验课程教育体系中的重要组成部分，它能有效地引导学生从量的角度认识物质的组成、性质及其变化规律;但现行九年级化学课本中的实验大多是定性实验[1]，定量型实验很少（如测量空气中氧气体积含量、配制一定溶质质量分数的溶液、验证质量守恒定律等）。近年来，笔者利用一些常规仪器（如电子天平、量筒等）、替代品（如注射器、塑料瓶等）和传感器，从定量的角度对一些初中化学定性实验进行改进和优化。创新后的实验既能用于课堂演示，又能作为课外探究活动素材，而且教学效果显著。
一、“二氧化碳气体密度比空气大”的实验
各种版本的九年级化学教科书都是直接告诉学生“二氧化碳气体的密度比空气大”，并在“二氧化碳气体熄灭蜡烛火焰”的实验中顺便进行验证。笔者巧妙利用电子天平设计出了验证“二氧化碳气体密度比空气大”的实验。
（一）实验装置
改进后的实验装置见图1[2]，其中电子天平的量程为100g、精确度为10mg。
（二）实验操作
（1）在500 mL的塑料瓶里，用向上排空气法收集一瓶二氧化碳气体，再将瓶盖旋紧。
（2）把盛满二氧化碳气体的塑料瓶放到电子天平上称量，显示的测量值约是25.31 g。
（3）取下塑料瓶，打开瓶盖，倒立塑料瓶一会儿，以倒出其中的二氧化碳气体（同时空气进入瓶中）;估计塑料瓶内二氧化碳气体已全部倒出，再把盛满空气的塑料瓶放回电子天平上进行第二次称量，发现读数减小了，约为25.10g。
（三）实验结论
盛满二氧化碳气体的塑料瓶在倒出二氧化碳气体后质量明显减少，说明二氧化碳气体比同体积的空气质量大，即二氧化碳气体的密度比空气大。另外，也说明二氧化碳气体可以像液体那样倾倒。
（四）几点说明
（1）二氧化碳气体不能用排水法收集，因为潮湿的二氧化碳气体中含有的水分会严重干扰实验结果。
（2）塑料瓶尽量使用广口的，这样有利于二氧化碳气体快速、彻底地倒出。
（3）本实验两次称量的质量差（0.21g）小于理论值（0.34g），是因为向上排空气法收集的二氧化碳气体中含有较多的空气，但这并不影响实验结果。
二、“二氧化碳气体溶于水”的实验
九年级化学教科书上多用塑料瓶做“二氧化碳溶于水”的实验，这样设计需要的二氧化碳气体多，而且实验过程中学生看到的是塑料瓶略有变瘪，不能显示二氧化碳气体在一定量水里溶解的多少[3]。其实，只要把塑料瓶换成可计量仪器“注射器”，不仅能避开课本实验的不足，还能直观地显示二氧化碳气体在一定量水里溶解的多少。
（一）实验装置
改进后的实验装置见图2，其中注射器为30mL的玻璃材质注射器。
（二）实验操作
（1）取规格是30 mL的玻璃注射器，缓缓吸入10mL的二氧化碳气体，再缓缓吸入10mL刚冷却的凉开水（此时注射器活塞处于20mL刻度处）。
（2）将注射器针头扎入橡皮塞（封闭注射器针管），稍稍用力振荡针筒里的气、水混合物十来次;停止振荡后，注射器活塞会缓缓向前移动，最终停留在大约12mL刻度处。
（三）实验结论
上述实验现象说明，10mL的水约能溶解8 mL的二氧化碳气体，即1体积水约能溶解0.8体积的二氧化碳气体。
（四）两点说明
（1）所用二氧化碳气体尽量使用排水法收集，从而提高其纯度，减小实验误差。
（2）要确保活塞润滑性良好。
三、“二氧化碳气体与氢氧化钠溶液反应”的实验
目前的“二氧化碳气体与氢氧化钠溶液反应”的实验，大多通过“验证碳酸盐存在”“对比实验”等方法排除氢氧化钠溶液中水的干扰，这不失为实验良策。笔者从定量的视角，对该实验进行了创新。
（一）实验装置
改进后的实验装置见图3[4]，其中的集气瓶是60mL（实际容积约是78mL）。
（二）实验操作
（1）按图3装好药品、连好仪器，并确保装置气密性良好。
（2）先将2mL的浓氢氧化钠溶液一次性挤入集气瓶，然后轻轻振荡集气瓶，50 mL酒精很快就能全部喷入集气瓶里。
（三）现象分析
2mL氢氧化钠溶液中约含有2mL的水，这些水通常能吸收2mL的二氧化碳气体，那么另外减少的48mL二氧化碳气体无疑是与氢氧化钠反应了。
（四）两点说明
（1）实验中的酒精也能换用饱和碳酸氢钠溶液（不能用水，因为水能溶解二氧化碳气体）。
（2）本实验中只要喷入集气瓶里的酒精体积明显多于氢氧化钠溶液中水的体积，就能说明氢氧化钠溶液与二氧化碳气体发生了化学反应。
四、“一氧化碳的还原性”实验
按照九年级化学教科书上的方法做“一氧化碳还原性”实验，困扰教师的最大问题是，不能及时知道玻璃管内的空气何时排完。为了保证实验安全，实验者大都较长时间地通入过量的一氧化碳气体，这样既浪费药品，也影响课堂教学效率。笔者对该实验的“排空气操作”进行定量化设计后，圆满地解决了这个疑难问题。
（一）实验装置
改进后的实验装置见图4，其中的长柄V形玻璃管是用外径10mm的硬质玻璃管加工而成的微型仪器[5]，其容积约是20mL。
（二）实验操作
（1）按图4装好药品、连好仪器，确保装置的气密性良好。
（2）轻轻推动注射器活塞，向长柄V形玻璃管里缓缓通入一氧化碳气体（由于玻璃管较细，一氧化碳气体能充满整个玻璃管，从而有利于空气的排出）;当通入20mL一氧化碳气体时（这部分一氧化碳气体穿过石灰水后进入小气球中储存起来），说明长柄V形玻璃管内的空气已经排完。
（3）点燃酒精灯加热氧化铜，继续缓缓推入一氧化碳气体;约1分钟后澄清的石灰水变浑浊，约3分钟后氧化铜全部变红。
（4）此时熄灭酒精灯，停止通入一氧化碳气体;让红色粉末在充满一氧化碳气体的玻璃管中逐渐冷却（石灰水不会倒流）;等到玻璃管冷却至室温，拆开实验装置，处理尾气（直接点火烧掉）。
（三）两点说明
（1）长柄V形玻璃管尽量细一些（用外径9 mm左右的玻璃管加工），这样有利于空气排出。
（2）也可以使用如图5的实验装置，其中的排空气操作是：
轻轻打开玻璃旋塞少许（注意控制气流），气球中的一氧化碳气体能自动地缓缓进入长柄V形玻璃管内（这部分一氧化碳气体穿过石灰水后进入注射器针筒里储存起来）;当注射器活塞移至20mL刻度时，说明长柄V形玻璃管里的空气已基本排完，此时可以对氧化铜进行加热了。
五、“探究分子运动”的实验
按照九年级化学教科书上设计的方法探究分子运动时，虽然实验现象明显，但氨水的用量大、实验不够环保。笔者借助于氧气传感器去探究分子的运动情况，不仅再现了分子运动，还反映出影响分子运动快慢的外界因素，从而帮助学生直观认识微粒的基本性质。
（一）实验装置
改进后的实验装置见图6，其中的氧气传感器是朗威牌、数据处理软件是DISLab 6.9。
（二）实验操作
（1）用向上排空气法在500 mL塑料瓶里集满氧气，再旋紧瓶盖;然后按照图6所示，将实验用品连接起来。
（2）打开瓶盖，保持塑料瓶的瓶口向上，点击氧气传感器“开始”按钮，数据处理软件能将氧气体积分数的变化情况，通过计算机真实地记录下来。
（3）约130s后，用双手紧握塑料瓶外壁（仍保持瓶口向上），微热瓶内氧气，通过数据处理软件记录氧气体积分数的变化情况。
（4）约250s左右，松开双手，把塑料瓶翻转180°，继续通过数据处理软件记录氧气体积分数的变化情况。
（5）将采集的实验数据绘成“氧气体积分数随时间变化”的曲线（见图7）。AB段（常温下瓶口向上）：氧气的体积分数逐渐降低，即氧气不断逸出塑料瓶。BC段（常温下瓶口向上微热氧气）：氧气逸出塑料瓶的速率明显加快。CD段（常温下瓶口向下）：氧气逸出塑料瓶的速率进一步加快。
（三）实验结论
（1）上述实验数据充分说明，分子在不断运动;温度升高，分子运动速率加快;密度比空气大的气体，其分子向下运动的速率大于向上运动的速率。
（2）延伸可知，密度比空气大的气体要用向上排空气法收集，盛有密度比空气大的气体的集气瓶必须正立。
（四）一点说明
本实验中的氧气也可以更换为二氧化碳气体，利用二氧化碳传感器也能完成实验。
六、结束语
总之，把初中化学定性实验定量化处理，设计成科学、新颖、有趣的定量型实验，既能引导学生对化学概念和原理进行精确化延伸，又能有效地启发学生运用适当的数学方法从定量的角度分析、解决有关的化学问题。
参考文献：
[1] 陈萍.初中化学实验中学生定量思维培养策略的研究[D].北京：首都师范大学，2013.
[2] 李德前.二氧化碳性质实验的改进二则[J].实验教学与仪器，2004（12）：14-15.
[3] 李德前.“CO2溶于水”的实验设计[J].化学教学，2003（6）：12.
[4] 陈立铭，李德前. 基于量的角度设计“氢氧化钠溶液与二氧化碳反应”的实验[J].化学教育，2014（23）：50-51.
[5] 李德前，杜玉芬. 巧用长柄V形玻璃管改进和设计化学实验[J].化学教学，2013（8）：41-43.