化学性质实验优化与实践

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摘要：探究式学习在化学实验教学中占有非常重要的地位，为培养学生动手动脑等多方面能力，新课程改革对中学化学实验教学提出新要求，使得探究性实验和验证性实验的学习与教学在化学教学过程中的比重持续增加，传统的实验教学存在着实验装置复杂、操作繁琐等诸多不足。对教材中传统的Cl2制备及其化学性质的实验进行优化和完善，将Cl2的制备和其化学性质验证的实验装置设计为一套密闭的、简便的、易于操作的装置，实验步骤简单，药品用量少，实验过程连续可控，实验现象明显，装置中气球和注射器的使用还增加了实验的趣味性。

关键词：氯气；化学性质；实验教学；优化

化学作为人类生活和社会发展的基础学科之一，在生产生活中随处可见。实验是认识和学习化学的重要手段，通过实验过程观察实验现象，在头脑中将理论与实践构建、结合，可以快速学习和掌握化学知识，加深对知识的理解，真正实现了理论和实践的完美结合。高中阶段所涉及的化学原理、结论大多数是从实验中获得，实验是化学学科的灵魂。探究式实验教学可以使学生易于走进化学，提升教学效果，当学生参与到实验探究中，学生可以更加直观的观察实验现象，对于化学本质的认识，从感性上升到理性，扩大学生对于知识的接受范围，新课改中对于实验部分进行修改和完善，用活动探究代替原有的演示实验，很大程度上让学生参与到实验教学和学习中，新课标不再将三维目标即“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”细分，而是按照化学学科核心素养进行教学，这样可以更加深刻的突出实验探究在化学教学中的地位。在教学活动中，教师与学生要相辅相成，教师要根据学生的认知发展，改进教学内容，设置探究活动，代替原有部分演示实验，将学生实验和教师演示实验融为一体。学生在开放、自由、平等的环境中学习，在探究中发现问题、产生疑问，在合作中处理问题、得出结果。传统实验及其教学已不能满足新课改中对于培养学生能力和素养的要求，特别是有毒有害气体的制备及其性质类的实验教学更需要严格把控其安全性和可操作性，因此在保持实验的科学性基础上，对传统化学演示实验进行改进，使实验更具有趣味性和直观性。通过增进学生对于科学探究的理解，进而转变学生思维方式，更大程度上加强学生创新精神和实践能力。学生在实验教学中的主体地位得到充分的体现，化学实验教学的最终目的是应用于生活实践，学习教材中的知识不是主要目的，更重要的是应用到实际，解决日常生活中的问题。鼓励学生参与到实验中去，有利于学生的个性发展，激发学生探究化学知识学习化学知识的兴趣，培养学生创新实践能力，增强学生思维转换的能力。中学化学的知识体系中，Cl是重要的非金属元素，氯气（Cl2）及含Cl化合物是生产生活中重要的化学品之一，Cl位于第三周期第ⅦA族，氯原子最外层有7个电子，电子结构3s23p5，易得电子形成阴离子。Cl2是黄绿色、有刺激性气味的气体，有毒，密度比空气大，可溶于水，常温下，1体积水可溶解2体积氯气，形成黄绿色氯水，有刺激性气味。具有漂白作用，氯水主要成分是次氯酸，有强氧化性，见光易分解，常用作消毒剂、漂白剂[4]，通过实验探究Cl2的性质，使学生进一步认识Cl元素。

1.Cl2制备及其性质实验现存的主要问题及改进现状

实验室常采用MnO2和浓HCl在加热条件下制取Cl2，实验装置如图1所示。所需的实验时间长，MnO2是黑色固体粉末且难溶于水，反应混合物整体呈黑色，不利于观察实验现象，而且反应后二氧化锰会吸附在仪器内壁，难以洗涤。实验中Cl2制备及其化学性质验证实验涉及实验装置多，操作繁琐。实验中的尾气收集装置处于半敞开状态，易出现Cl2的泄漏，污染大气环境，危害人体健康。化学实验应既要“绿色”化不产生新的污染，又要保证实验成本廉价实验过程易行。对传统实验的改进和优化则必不可少，例如：使用胶头滴管、胶塞、球缺形罩、半片培养皿、细口瓶玻璃塞、细口瓶瓶盖等器材制成简易装置，用于Cl2的制备以及化学性质验证实验，可观察到明显的实验现象，使实验微型化、系列化便于操作，也增加了实验的安全性，且在一套装置中可以完成多个验证实验。同样可将带盖培养皿分区，以白纸为底，辅以胶头滴管完成验证Cl2的强氧化性和氯水的漂白性，同时观察到所有的实验现象；还可以巧用U型管、注射器和球型干燥管制成简便装置，用于证明Cl2的强氧化性和氯水的漂白性，改进后的实验装置简化、操作简单，增强了学生的探究能力。实现装置一体化，经济环保，便于课堂教学。在U型管的两端分别实现Cl2的制备，和Cl2的化学性质的验证实验，除减少仪器数量外，还可以做到残气的零排放。Cl2的制备及性质实验的改进较多见，在实际应用过程中，结合实际情况，我们对该实验进行了进一步优化和完善，设计了一组“绿色”、安全、便于操作、节约资源的综合型实验过程。

2.Cl2制备及其化学性质实验的优化

(1)实验装置和实验过程图2优化后的Cl2制取及其化学性质实验装置图本实验选用KClO3和浓HCl为反应物在常温下制取Cl2，与传统实验室制取Cl2相比，减少了加热装置，可增大实验安全性缩短反应时间，可操作性强。尾气的处理采用注射器为容器按需加入吸收液，可大量减少碱液的使用。图2为优化后的Cl2制取及其化学性质实验装置图。按图2组装好所需装置，使用前先检查装置气密性，拉动任意一侧注射器活塞，若活塞能自动复原，说明装置气密性良好。分别将pH试纸和湿润的淀粉-KI试纸粘贴在A瓶的内壁下侧，再固定好装有少量蒸馏水的气球，使气球与pH试纸在同侧便于润湿试纸。将滴有FeSO4和KSCN溶液的滤纸粘贴在B瓶内壁下侧。关闭弹簧夹。装有KClO3的平底试管放入A瓶中，将吸有浓HCl的注射器，伸入A瓶的试管口上方，滴加浓HCl与KClO3充分反应。当有黄绿色气体产生后，观察湿润的淀粉-KI试纸和pH试纸的变化。片刻后，用注射器针尖将装蒸馏水的气球扎破，使蒸馏水沿瓶壁流下，再观察湿润的pH试纸的变化。将装有AgNO3溶液的注射器插入A瓶，并滴加AgNO3溶液至瓶底溶液中，认真观察实验装置现象。打开弹簧夹并观察B瓶中滴有FeSO4和KSCN溶液的滤纸的变化。将吸取NaOH溶液和酚酞指示剂的混合溶液的注射器插入B瓶中，缓慢推动注射器，观察实验现象。(2)实验原理及现象当KClO3与浓HCl反应后，立刻产生黄绿色的Cl2：KClO3+6HCl(浓)=KCl+3H2O+3Cl2↑，湿润的淀粉-KI试纸遇到Cl2后先变成蓝后又很快褪色，发生了化学反应：Cl2+2KI=2KCl+I2，淀粉遇I2变蓝，同时干燥的pH试纸无明显变化。生成的Cl2与蒸馏水反应，溶液沿器壁流下，pH试纸湿润后先变为红色后褪色，发生化学反应：Cl2+H2O=HCl+HClO，探究式学习了氯水的成份和性质，说明氯水中存在酸性物质，并且具有强氧化性，可使pH试纸褪色。Cl2不具有漂白性，而氯水具有漂白性。将AgNO3溶液加入到A瓶中，观察到有白色沉淀生成，证明溶液中存在氯离子，Ag++Cl-=AgCl↓。滴有FeSO4和KSCN溶液的滤纸先出现血红色后褪色，因为3Cl2+6FeSO4=2Fe2(SO4)3+2FeCl3，Fe3+与SCN-显血红色，进一步说明Cl2具有强氧化性和氯水具有漂白性。NaOH溶液与Cl2反应生成NaClO，NaClO可使酚酞褪色，观察到溶液由红色变为无色，继续滴加NaOH溶液，直至瓶口处无颜色变化为止，则Cl2被完全吸收，Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。

3.实验优化的意义

(1)系统性改进和完善后的实验装置更加简便和安全，助力课堂实验教学。优化后的实验装置将Cl2的制备及其化学性质实验，即氯气与水的反应、次氯酸漂白性及酸性、检验氯离子存在等实验，整合在同一实验装置中，连贯有序的进行实验操作，使实验更加系统化，便于学生学习和理解Cl2以及其化合物的性质，利于将物质的各种化学性质知识的学习从宏观上串联起来，更好的掌握物质之间的转化规律及其化学性质。(2)绿色安全性新课改要求将绿色化学过程融入化学实验教学中，组合实验是化学实验绿色化改进方法之一，查找相关化学实验间的联系与区别，通过合理调整实验顺序，将孤立的实验进行整合，充分利用各个实验之间的关联，使前一个实验的产物或副产物作为后一个实验的反应物，加大化学物质的使用率，降低废物排放。因Cl2实验涉及有毒气体，所以要严格控制实验装置的气密性，防止产生新的污染物，本实验装置处于封闭状态，通过注射器的平衡状态间接监控装置的气密性，不会造成有毒气体的逸出。尾气处理也采用NaOH溶液吸收Cl2，通过颜色变化准确判断Cl2是否被完全吸收，确保实验无Cl2存留。在学生学习的过程中，可以树立环保观念，增强安全意识，在细节处提升学生的化学核心素养。(3)简约性对比各个实验室制氯气的方法，可知在生成等物质的量氯气情况下，用KClO3制备所需浓HCl最少，表1为实验室制氯气浓盐酸用量比较。浓HCl为易挥发刺激性物质，用量减少利于保护环境和人身健康，因此用KClO3替换MnO2制备氯气的方法更为合理，增加了安全性，也提高了原子利用率，使得所需药品量少于传统的实验用量。同时对反应原料的市场价格进行调查，改进后实验室制氯气所需原料市场价更低。而且取消加热装置，减少了实验装置中仪器的使用数量，可以缩短实验时间，提高课堂教学效果。实验过程简约、连续、方便、可控性强，可任意停留在实验的每个环节，便于开展探究式学习。(4)趣味性实验所用气球、注射器等为生活中常见的物品，将生活与化学巧妙的衔接起来，将枯燥单一的实验操作为贴近生活的实验过程，使学生积极主动的参与到实验中去，增强学生探究学习的兴趣。本实验装置将原有的半封闭体系转换为全封闭体系，有利于学生进行分组实验和分节操作，更加符合新课改中让学生成为学习的主体的要求，能激发学生对于化学实验探究的求知欲，培养学生的化学素养。(5)普适性根据化学实验的特点将本实验装置进行微调，可用于SO2制备及其性质的实验。浓HCl和KClO3分别替换为H2SO4和Na2SO3，通过该装备便可完成SO2气体制备及验证SO2气体的漂白原理、酸性、氧化性等性质的验证性实验的演示。

4.总结

在使用中改进优化实验装置和实验过程，使实验更加适合学生学习，更加符合时代要求，化学实验是提高学生的探究能力和学科素养的途径之一。以科学性为前提，依照实验原理，进一步优化和完善了Cl2的制备及其化学性质实验的装置和操作过程，实验便于操作，药品用量少，实验过程连续可控，实验现象鲜明，使用注射器和气球增加实验的趣味性，贴近了生活，有助于化学实验的探究式学习，开拓了学生的思维。实验的整体性和操作一体化，可控性强、绿色安全、简约简便，符合新课改要求。对教材中某些实验的改进优化可以解决教学实际问题，利用演示操作，激发学生的创新思维和能力，还可以提高化学实验的教学效果和效率，保证教学和学习的质量。

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作者:刘佳莹 刘晶 任冬梅 赵岩 夏云生 单位:1.渤海大学化学化工学院 2.北票市尹湛纳希高级中学