如何在基础化学实验教学中培养学生“想”的意识*：以量气法实验教学为例

任艳平 董志强 阮婵姿

(厦门大学化学化工学院 福建厦门361005)

多年来，高等教育一直围绕着如何培养创新型人才进行持续改革。那么，从基础教学的角度，什么是创新和创新的人才呢?按照我们的理解，创新型人才就是有“思想”的人。他们在遇到问题时，有解决问题的方法，这方法就是思想;如果这方法是以往任何时候都没有的，这就是创新。创新思想和创新意识是在学习、研究过程中逐渐形成的，是由量变到质变的结果。

许多高校除了开设基础化学实验，即所谓的经典实验或验证性实验外，还开设了研究型实验、创新型实验、综合性实验等，但不管化学实验教学的形式和内容如何变化，实验教学的目标和宗旨都是要培养学生会“想”、会“做”、会“表达”。

下面通过一个简单的实验教学实例——量气法的应用，展现我们在实验教学过程中如何启发和引导学生去“想”。

量气法利用的是封闭体系中化学反应产生的气体，通过测量反应前后的气体体积，得到反应所产生的气体体积，再根据相应定量关系计算得到待测值。量气法涉及到的知识点包括:分压定律、连通器原理、理想气体状态方程。这些知识点是学生在中学已经掌握的。量气法具有实验原理简单、操作简便、实用性强等特点，是常数测定和定量化学分析实验中常用的经典实验方法。在很多无机化学实验或无机及分析化学实验教材中都有与量气法相关的实验内容，如置换法测定Mg的摩尔质量［1］、摩尔气体常数R的测定［2-6］、气体摩尔体积的测定及CaO2含量的分析［5］等。

我们给大一学生开设的量气法相关实验是“置换法测定Mg的摩尔质量”［1］。通过实验，使学生对量气法有了感性认识。在实验结束后，我们与学生一起一步步通过设问式对实验内容、操作等问题进行了回顾、总结和进一步探讨，以此启发和引导学生去“想”。

首先，让学生思考利用本实验的装置和操作还可以测定物质的哪些物理量?

很多学生能想到的是还可以测定其他较活泼金属(如Al，Zn)的摩尔质量;也可以测定Al-Zn合金或Mg-Al合金的组成［7］以及摩尔气体常数R［2-6］。实际上，这只是“照猫画猫”。

接着就本实验的注意事项进行讨论。反应体系要密闭，反应前要将反应物隔离，本实验中，用滴管将稀H2SO4送入反应管底部，而将Mg条用水粘在反应管上端内壁。通过实验，许多学生感受到要将Mg条粘在反应管上端内壁上并不容易，若不小心，Mg条就很容易掉入酸中，造成实验失败。对于是否有较安全的方法来隔离反应物这样的问题，有学生提到可以使用甘油，因为甘油的黏附力比水强;实际上，也有教材上设计有关实验时采用了甘油［8］。还有学生说用凡士林，凡士林的黏附力比甘油更强;但实验结束后，附着在反应管内壁的凡士林不易清洗。

Mg条或Al片可以用水或甘油粘在反应管内壁，但若金属呈长丝状或刨花状或较细碎时，应该如何将其与酸安全隔离呢?在提出此问题后，虽然学生们都低头不语，但能看出他们在“想”。这时老师会拿出一根细丝状的Mg条，将其折成“又”字形后在反应管上比划一下。这时有学生会立刻明白，可以将“又”字形金属丝卡在反应管内壁。若金属呈刨花状或较细碎时，则可以借助另外一个小试管作为载体，将酸与金属安全隔离［8］。

前面讨论的是活泼金属与酸反应产生气体，使用的是量气法。如果从反应产生气体的角度考虑，还有哪些实验能用量气法呢?

此问题需要学生逆向思维，换角度思考。老师提醒学生:“在密闭体系，反应前无气体产生，活泼金属掉入酸中才产生气体……”。老师继续引导学生，加热才反应产生气体的……，即将反应物放在反应管中，加热后产生气体，其他操作与数据处理与Mg的摩尔质量或气体摩尔常数R的测定相同。已经设计的有关实验［5］如CaO2含量的测定()，气体摩尔体积的测定()。当然可以将气体摩尔体积测定的实验设计为KClO3含量(或纯度)的测定，这比用重量法［6］测定KClO3含量的方法简单。H2O2含量的测定也可以用量气法，这比氧化还原滴定法(KMnO4法或碘量法)简单、方便，且使用试剂种类少。讨论至此，也不过是“照猫画虎”。

活泼金属与酸反应产生气体，可用量气法;某固体或液体在加热条件下分解产生气体也可用量气法。如果再考虑还有哪些实验能用量气法，我们给出了2011年土耳其第43届国际奥林匹克化学竞赛实验预备题。该题内容为分析一混合钙盐(约40%CaCO3，约55%CaSO4，约5%CaCl2)各组分的含量，其中CaCO3含量分析要求用量气法(CaSO4含量分析用重量法;CaCl2的含量用差减法得到，即w(CaCl2)=1-w(CaCO3)-w(CaSO4))，请学生思考如何用量气法实现混合钙盐中CaCO3含量测定?

要用量气法测定CaCO3含量，不外乎两种情况:①借助室温下CaCO3与HCl反应产生CO2;②借助CaCO3加热至800℃以上分解产生CO2(此时，导气管都已热化)。显然，通过加热分解CaCO3，再用量气法测定CO2的方法是行不通的。

若通过室温下CaCO3与HCl反应产生CO2，实现以量气法测定CaCO3的含量，又会涉及到粉末状固体与酸的反应。对此，学生们围绕着反应管中粉末状固体如何与酸隔离的问题展开了热烈讨论。

有学生提出可借助小试管作为载体，将钙盐放入小试管中，然后慢慢送入到装有HCl的反应管的底部。虽然这种方法在原理上是可行的。但由于CaSO4是难溶盐，会包裹CaCO3使反应不完全而产生误差，所以，在反应过程中需要不断搅拌。但由于这种隔离反应物的体系是不能搅拌的，故而用小试管作为载体的方法是行不通的。

又有学生提出用“胖肚管”，但定量的粉末状钙盐不容易完全转移至“胖肚”;此外，在搅拌过程中，固体会飞溅到反应管内壁，使反应不完全。所以，借助“胖肚管”的方法也不够理想。

对此问题，土耳其人想到了一种比较巧妙的方法——“冰冻”法，即将一定量混合钙盐和磁子一起放入反应管底部，用几毫升水冲洗反应管口及上端内壁以防残留混合钙盐，然后将反应管放入冰盐浴中冷冻，使反应管中的溶液结冰(冰要致密，没有裂缝，与反应管冻为一体)，在冰层上加HCl，然后在密闭体系中让冰融化，使HCl与混合钙盐接触，并电磁搅拌使CaCO3反应完全。这样就能巧妙地实现用量气法测定CaCO3含量。

上述实验提示我们，类似实验也可用量气法。如石灰石中Ca含量的测定［3，9］(比配位滴定或KMnO4间接滴定法简单、快速)、蛋壳中CaCO3含量的测定［10］等。

学生们通过实践发现“冰冻”法比较慢，即使用冰浓盐浴冷冻也需20min左右。同时，还要求冰层致密、均匀，没有裂缝，与反应管冻为一体。否则会导致实验失败。那么，如果不用“冰冻”法，是否有更简单、安全的隔离钙盐和酸的方法呢?

有学生提出可以在反应管上端加一分液漏斗，将酸放入分液漏斗中，钙盐放入反应管底部;对此，有学生提出不同意见:“若随着分液漏斗中的酸滴入反应管中，密闭体系由于气体产生而使酸难于再滴入反应管中。”此时，我们适时给出提示，指出这不是使用分液漏斗所产生的主要问题，需要探讨的重要问题是使用分液漏斗后，酸在分液漏斗中反应前的初始体积与酸在反应管中(反应前，酸不能放在反应管中与钙盐接触)的初始体积是否相同?二者相差多少?反应后所产生的气体体积该如何计算?

我们通过实验证实，在分液漏斗中加入液体会排出气体，使得测量体积偏大。由于实验密闭空间为分液漏斗旋栓以下的空间，实验中通过旋栓加到反应管中的酸的体积会改变密闭空间的气体体积，进而也会对实验结果产生影响。由于反应后所产生的气体体积应是测量体积减去从分液漏斗中所加入到反应管中酸的体积，但从分液漏斗加入到反应管中的酸的体积很难定量，所以，借用分液漏斗来隔离钙盐和酸不是一个好方法。

还有学生提出可用恒压分液漏斗代替普通分液漏斗。由于用恒压分液漏斗滴加液体没有气体排出(即使关闭，由于连通器的原理，密闭空间的气体体积也不会改变)，克服了用普通分液漏斗使测量体积偏大的缺点。这样即使不用“冰冻”法也可将酸与钙盐隔离，从而可以解决“冰冻”法比较慢的问题。如果巧妙借用恒压分液漏斗将酸与其他反应物隔离，也就彻底解决了上述不同形状的金属与酸的隔离问题。

讨论至此，还有学生会问，如何消除HCl的挥发以及CO2的溶解给实验结果带来的误差。如果考虑HCl的挥发给实验结果带来的误差，可以在数据处理时扣除实验温度下HCl的蒸气压(如25.0℃时，HCl(aq)的饱和蒸气压为4357Pa);至于CO2的溶解对实验结果的影响，有学生提议在量气管中加入H2SO4溶液代替纯水，以减少CO2的溶解，这个想法很好，也出乎我们的意料。

在进行量气法讨论一学期之后，很多学生还能记得量气法。如在用纯Zn片为基准物标定EDTA溶液时，发现用HCl溶解Zn片后，溶液中有黑色纸灰状漂浮物，这显然是由于Zn片不纯。这时有学生立即想到可用量气法测定Zn片的纯度，可见量气法已印入学生的脑海。又如在配位滴定法测定Al合金中Al含量［1］的实验讨论过程中，有几个学生同时提到，若能用量气法测定Al合金中Al含量，不仅操作步骤简单、耗时少，且使用试剂种类少(配位滴定法测定Al合金中Al含量时要用NH3·H2O和NH4F等8种试剂)、污染也小。上述两个例子体现出学生在有关量气法应用方面已具有“想”的意识和“想”的习惯。

对于量气法的实验结果，需要通过对照实验来了解误差大小。在实际实验时，应根据实验条件和实验要求(知识点和方法等)，对具体问题进行具体分析。

每个经典实验需要纵、横探索的内容都很多，不同实验需要“想”的问题不同，“想”的方法和思路也不同，这可以使学生从不同的实验中学会广“思”。

创新意识实际上就是“想”的习惯，一直在想、在做，就会出现意想不到的结果，这就是创新。

要教会学生勤思、善想，不仅要从教学形式上，更要结合具体实验教学内容引导学生去探究和思考。

［1］蔡维平.基础化学实验(一).北京:科学出版社，2004

［2］兰州大学化学化工学院大学化学实验中心.大学化学实验(基础化学实验Ⅰ，上下册).第2版.兰州:兰州大学出版社，2011

［3］郑春生，杨楠，李梅，等.基础化学实验(无机及化学分析实验部分).天津:南开大学出版社，2001

［4］吴泳.大学化学新体系实验.北京:科学出版社，1999

［5］沈建中，马林，赵滨，等.普通化学实验.上海:复旦大学出版社，2007

［6］吴江.大学基础化学实验.北京:化学工业出版社，2005

［7］范志鹏.大学基础化学实验教学指导.北京:化学工业出版社，2006

［8］浙江大学普通化学教研室.普通化学实验.第3版.北京:高等教育出版社，1996

［9］武汉大学化学与分子科学学院实验中心.分析化学实验.武汉:武汉大学出版社，2003

［10］赵滨，马林，沈建中，等.无机化学与分析化学实验.上海:复旦大学出版社，2008