上海市建平中学李卓:化学实验,这样做才够技术范儿

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上海市建平中学李卓:化学实验,这样做才够技术范儿

图 |Junghyeon Kwon3

上海市建平中学李卓:化学实验,这样做才够技术范儿

作为一名化学老师,可以带给学生各种有趣的实验,比如各种颜色的变换、沉淀气体的生成,比如化学震荡、化学发光以及生活中奇妙的化学现象……

实验千变万化,化学反应更是不计其数,单纯地呈现实验现象、零散地教授化学知识并不能对学生今后的学习、工作、生活起到很大的作用。

更何况,信息爆炸的今天,以人的能力是无法消化吸收如此多的新知识的,因此,我们更要思考化学学科真正能够带给学生们的是什么,哪些思维方法是化学学科独一无二的能够对学生产生深远影响的,这些才是化学教学的真正意义所在。

怎么做?不妨使用一些“科技”手段:

1

数字传感器,做看得到的实验

一些传统的实验往往只能让学生明白“有什么”,而不清楚“有多少”,学生也只能对化学现象有一个肤浅的认识(定性研究),而不能在量上有一个清晰的认识(定量研究)。

这时借助传感器,实验研究结果会给学生直观的数据或图像显示,更加体现了科学的准确性。

例如二氧化锰作催化剂的双氧水分解,传统的实验操作只能了解催化剂可以加快或减慢化学反应的速率,但是应用手持技术可以准确地运用压力传感器测得所分解氧气的压力,通过做线性回归,图形的斜率就是该化学反应的速率,效果非常好。

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▲ 色度计

传感器是数据采集器、传感器和配套的软件组成的定量采集和处理数据系统的简称,能与计算机连接完成各种后期处理的实验技术系统。它可以广泛应用于理科实验中,可以方便而迅速地收集各类物理、化学 、生物 、环境等数据,如位移、速度、温度、声音、光、电、力 、pH值等。

比如,对于乙醇结构的探究,我设计了这样几个环节:

首先,利用乙醇的分子式和已知的乙烷的结构式搭出分子式为C2H6O可能的球棍模型。学生思考如何在乙烷分子的基础上加一个氧原子,可以得到C-O-C或C-O-H两种结构.

学生虽然对乙醇的结构不陌生,但是知其然,不知其所以然,因此这节课的重点内容在于学生通过讨论、实验来探究乙醇的结构。

乙醇结构的讨论部分,分别从定性实验、定量实验、核磁共振图谱的解读三个方面进行讨论。

根据乙醇与钠的反应产生氢气的现象对比乙醇在水中剧烈反应而在煤油中不反应,类比水分子结构中O-H键和煤油主要的化学键是C-H键推断乙醇中有O-H键结构,这是利用定性实验对乙醇分子结构进行的分析。

在定性实验及分析的基础上,根据乙醇结构中氢的种类数分析每摩尔乙醇与足量金属钠完全反应生成氢气的物质的量的几种可能情况,并通过气体压力传感器将压力转化为产生气体的物质的量测量一定物质的量的乙醇完全反应生成气体的量,从而从定性的角度探究乙醇的结构。

至此,乙醇的结构已经确定。

在此基础上,我最后介绍了核磁共振技术对乙醇结构的测定,引导学生解读核磁共振图谱。

另外,对于化学反应中乙醇断键位置的理解,主要在熟悉乙醇结构后,对乙醇与钠的置换反应和乙醇催化氧化两个反应进行讨论。

利用传感器技术定性确定乙醇的结构,使学生在分析过程中对“定性”“定量”有了切实体会,以压力传感器为工具,以更加高效的方式为学生提供寻找建立乙醇结构模型的证据,这更为以后学习更复杂的烃的衍生物的性质打下基础。

2

翻转流程,化学更美了

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▲ 酸碱中和滴定公开课

《酸碱滴定》这节课,传统的教学方式往往是先完成酸碱滴定的理论学习,再在老师的示范与指导下掌握滴定的基本操作,并在练习中掌握酸碱滴定的误差分析。

这样的方法对学生理论知识强化有着很好对效果,但是在思维能力、自学能力和科研能力的培养上有一定的局限性,同时会弱化学生的实验操作能力。

因此我采用“翻转课堂”的教学手段,尝试让学生在自学滴定操作后探索操作方法,最后完成自己实验的误差分析。

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教学过程如下:

课前

1. 观看微视频

视频包括:酸碱滴定的原理、滴定实验的操作方法

提出指示剂的选择、指示剂的变色范围与理论终点不符合的问题

2.让学生比较真实地感受到不同指示剂选择和操作不当对实验终点判断造成的影响。

独立完成滴定实验,并尝试选择不同指示剂完成酸碱溶液互相滴定过程,撰写实验报告并对实验结果进行反思。

课堂

1.知识回顾

回顾酸碱滴定的原理并总结学生实验过程中的不当操作和实验报告规范。

学生讨论,总结误差分析思路

2.酸碱指示剂对滴定终点判断的讨论

在学生有了实验体会的的基础上,引导学生总结指示剂使用的原则,并启发学生对pH—V滴定曲线的讨论最后通过理论计算和实验达到对滴定终点突跃问题的理解。

利用微视频和学生自学的形式使课堂更有针对性、更高效;通过pH传感器技术现场显示pH体积滴定曲线,能把微观世界溶液中氢离子实时的变化清晰地做了验证,使学生将宏观上指示剂颜色的变化和微观溶液氢离子浓度随着滴定剂加入的剧烈变化联系起来。这时化学,在学生眼中变得更美了。

3

“酒精检测”怎么回事?小课题研究起来

沪教版高一化学第二学期《广泛的化学平衡》和高二第二学期《乙醇》等知识点中,都介绍到:日常生活中交警使用呼气式酒精检测仪来检查司机是否酒后驾车,根据司机饮酒量多少还可以判断司机是“饮酒驾车”还是“醉酒驾车”。

怎样了解更好地这一实验课题呢?

部分教师往往会用气唧往装有酸性重铬酸钾溶液的洗气瓶中鼓入乙醇蒸汽,随着鼓入乙醇蒸汽量的变化,洗气瓶中溶液颜色也经历了橙黄色→橙色→橙红→深红棕→深棕→绿色→蓝绿这么一个变色过程。

这,是比较粗略的定量过程。

那么如何精确判断酒精的含量?一般来说,浓度不同的同种有色溶液颜色不同,颜色深的溶液浓度大。

但是不同的人在观测时会存在一定的视觉误差,所以用肉眼直接观察误差较大。

我利用色度传感器,酒精测定仪的工作原理发展设计了酒精检测的探究性实验。

【实验装置与药品】

装置:Vernier色度传感器、数据采集器、移液枪、容量管、容量瓶、比色皿、试管、试管架、擦镜纸。

药品:无水乙醇、重铬酸钾、浓硫酸、蒸馏水。

1%、20%乙醇溶液(体积分数)的配制:取1 mL无水乙醇至100 mL容量瓶中,加蒸馏水定容至刻度,即得到1%乙醇溶液。同法配制20%乙醇溶液。

酸性重铬酸钾溶液的配制:先配制250 mL 0.1 mol/L的重铬酸钾溶液,然后向其中加100 mL的浓硫酸。

【实验原理】

色度传感器的工作原理

色度传感器是一种测量某种波长的光透过溶液程度(即透光率,T)的仪器。溶液吸光度(A)与透光率(T)之间的关系为:A=lg(1/T),可由色度传感器直接测得。根据朗伯比尔定律有:A=εbc(ε为摩尔吸光系数,b为液层厚度)。因此,在一定的浓度范围内,吸光度A与溶液浓度c呈线性关系。

酒精的检测原理

在硫酸介质中,乙醇可以定量被重铬酸钾氧化成乙酸,其方程式为:

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上述反应后生成绿色 的Cr3+,查阅资料知其最大吸收波长λmax为600 nm,其吸光度与乙醇浓度成正比。据此, 可建立酒精检测的定量实验方法。

用蒸馏水校正,利用色度传感器给定的4个检测波长(430 nm、470 nm、565 nm和635 nm)测量酸性重铬酸钾溶液和酸性硫酸铬溶液(配制方法同本实验中酸性重铬酸钾溶液的配制)的吸收情况。测量发现,Cr3+分别在565 nm和635 nm波长处吸收较大,且吸光度(A)几乎一致,而酸性重铬酸钾溶液在635 nm 波长处几乎无吸收。为了减少反应后溶液中重铬酸钾对Cr3+ 的干扰,本实验中选用635 nm作为检测波长。

酒精测定仪中的化学平衡

在酒精测定仪中还要加入硫酸,硫酸除了使重铬酸钾在酸性条件下生成绿色的硫酸铬Cr2(SO4)3外,同时阻止了重铬酸钾转变成铬酸钾K2CrO4,以防止对前一个反应颜色变化的干扰。

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【实验步骤及结果讨论】

(1) 数据采集器设置与色度计的校正

将色度传感器与数据采集器连接后,选用635 nm 作为检测波长。打开软件,将加有2 mL 酸性重铬酸钾溶液和1 mL蒸馏水的比色皿放入色度传感器中,关闭色度传感器盖子。接下来,按CAL按钮,开始校准程序。当红色的灯开始闪烁时,松开CAL 按 钮,此 时 吸 光 度 为0.000。当红色的灯停止闪烁时,校准工作完成,可以开始采集数据。

(2)1.0%乙醇溶液与酸性重铬酸钾溶液反应

准确吸取2 mL酸性重铬酸钾溶液于1支洁净的比色皿中,向其中加入1 mL1.0% 乙醇溶液,迅速将比色皿放入色度传感器中,于波长635 nm处测吸光度(A)。随着反应的进行,生成的绿色的Cr3+逐渐增多,溶液的吸光度也逐渐增大,反应完全时吸光度稳定在635 nm。

分析所得曲线,发现随着反应的进行,曲线的斜率越来越小,也即该反应的速率随着反应的进行越来越小,从而加深了学生对于化学反应速率的理解。学生对乙醇溶液与酸性重铬酸钾溶液的反应有了直观的、定量的认识,尝试采用该实验方法探究不同浓度的乙醇溶液与酸性重铬酸钾溶液的反应。

(3)标准溶液的配制:

在1-10号洁净干燥的100 mL容量瓶中,分别按照表1中的剂量取不同体积的20%乙醇溶液(体积分数),配制不同浓度的标准溶液。

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表1 标准溶液的配制

(4)绘制标准工作曲线

按本实验方法,分别测定2mL 酸性重铬酸钾溶液与1mL不同浓度的乙醇标准系列溶液反应完全时的吸光度(A)。反应完全时,1-10号(从左至右)比色皿中溶液的颜色越来越深,溶液的吸光度(A)越来越大。以乙醇浓度(体积分数)与对应的吸光度(A)绘制关系曲线,获得标准工作曲线。

(5)酒样中酒精含量的测定

分别取2种酒样2 mL于100 mL容量瓶中,加蒸馏水定容至100 mL。分别取1 mL样品稀释液,按本实验方法测定完全反应时溶液的吸光度,再通过查找工作曲线计算乙醇浓度(体积分数)。

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表2 酒样中乙醇含量

这个课题是学生根据书上的酒精测试仪原理以及分析化学色度计原理相结合,设计的酒精含量测试方法,很好地将基础化学原理和现代的科研工具相结合。

教学方式变了,学生有了更多的思考方向,也有更多人通过化学课堂的学习愿意走进化学实验室,课余时间进行科学研究,还成立了魔幻化学社、松鼠社等化学趣味社团,部分学生撰写的科研论文在上海市创新大赛等奖项中获得了优异的成绩,同时也有同学对于理论研究产生了浓厚的兴趣,在校期间继续学习大学课程,在化学奥林匹克竞赛中崭露头角。

利用新技术,更容易将化学学科的核心素养传承给学生们。

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– END-

作者| 李卓(上海市建平中学

编辑| 田佩

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