中新化学教材中“化学反应速率实验”的比较与分析

2017-10-09尉言勋李学强

化学教与学 2017年10期

关键词：锥形瓶新加坡速率

吴芳尉言勋,2 李学强

（1省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，宁夏大学化学化工学院宁夏银川750021；2砀山四中安徽砀山 235300）

中新化学教材中“化学反应速率实验”的比较与分析

吴芳1尉言勋1,2李学强1

（1省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，宁夏大学化学化工学院宁夏银川750021；2砀山四中安徽砀山 235300）

文章就测量反应速率的3个实验，分别对人教版高中教材选修四《化学反应原理》和新加坡教材《Discover Chemis⁃try Normal 5N》两国教材中“化学反应速率实验”进行了比较和分析。通过实验试做，从两国实验的设计和实验分析比较，结果表明：人教版“化学反应速率实验”倾向于浓度对化学反应速率的影响，注重实验和结论的分析；新加坡教材则更倾向通过实验培养学生的科学探究能力，分别用了测量某一生成物单位时间内体积的变化量和单位时间内质量的变化量来说明反应速率，给同学们提供了知识与技能提升的空间，满足了不同层次学生的需要。在教材实验的基础上，进行了分析和改进，为教学提供一定的借鉴作用。

中新化学教材；反应速率实验；比较；分析

新加坡是普通教育和技能教育的双轨制教育体制，人力资源少，却很重视人力资源的开发和利用，所以新加坡的初中教育以“精英主义”教育为主［1］。在小学三年级后，学生就开始接触化学中的一些物质的基本属性；在中学阶段，一二年级的学生都要参加科学课程的考试，其中化学占30%；在三四年级，化学作为一门选修课，学生可根据自己的兴趣和能力来选择学习。经过4～5年的初中学习，学生就可以参加剑桥大学地方考试财团编制的GCE（General Certificate of Ed⁃ucation）普通水平考试（简称O水平考试）[2]。新加坡75%是华人，有着共同的文化传承，由于近代历史和当代发展等多方面的原因，充分吸收了西方化学教育的精华[3］。本文选取的新加坡教材《Discover Chemis⁃try Normal 5N》专门为初中五年级的学生编写的，目标是通过有效的概念发展和加强促进学生学习化学。化学5N和3N/4N，提供了完整的基于最新GCE“O”水平学科教学大纲规定的新加坡中学教学的学习。在此背景下，选取了中新两国教材中典型实验“化学反应速率”进行对比，通过对比分析，能够吸取新加坡教材实验编写的部分精华，借鉴其实验设计的思路，指导和帮助我国高中化学教材实验部分作进一步改进,指导高中化学教师更好的设计实验教学，提高教学效率，完成教学目标。

一、中新教材有关“化学反应速率实验”的设计比较

1.人教版“化学反应速率”实验

人教版高中教材选修四《化学反应原理》教材中，用测量锌和硫酸反应速率的装置作为测定化学反应速率的实验，本实验需要安装两套装置，在锥形瓶内各盛有2g锌粒（颗粒大小基本完全相同），通过分液漏斗分别加入40mL1mol/L和40mL4mol/L的硫酸，比较二者收集10mLH2所用时间。把实验结果填入下表：

加入试剂1 mol/L H2SO44 mol/L H2SO4反应时间/min 反应速率/mL·min-1

图1 人教版教材实验装置

2.新加坡《Discover Chemistry Normal 5N》教材“化学反应速率”实验

教材中设计了两个实验来测定化学反应速率，第一个实验是镁和盐酸反应，测量在半分钟内产生氢气的体积，绘制T-V图，图中可看出反应速率；第二个实验是碳酸钙和盐酸反应，测定反应逸出二氧化碳后，记录一分钟内体系减少的质量，绘制T-V图，图中每一时间点的切线即该时刻的反应速率。

图2 新加坡教材实验1

（1）连好如上图2装置，用砂纸将镁条上的氧化层打磨干净，保证只有镁和稀盐酸反应，将镁条放在小试管中。

（2）晃荡锥形瓶，让镁条和酸混合，同时用秒表计时。

（3）将收集到注射器中的氢气每半分钟记录一次体积。

图3 新加坡教材实验1

（1）连好图3装置，棉花团放在锥形瓶口，被用来防止酸喷洒，也就是防止酸随着反应的发生从瓶口逸出。

（2）记录体系的质量，包括碳酸钙、稀盐酸、锥形瓶、小试管、绳子和棉花团。

（3）摇动锥形瓶混合碳酸钙和稀盐酸，同时用秒表开始计时。

（4）每隔一分钟记录一次体系的质量。

二、中新“化学反应速率实验”分析

1.中国“化学反应速率实验”分析

中国人教版的此实验更多的是偏重于浓度对反应速率的影响。实验的设计思路是，用控制变量法，让锌和不同浓度的硫酸反应，生成10mL氢气时，记录反应所需的时间，再通过计算单位时间内所生成的氢气体积，即反应速率。就实验设计来看，很符合高二学生的认知水平，通过做实验能激发学生的学习兴趣，让学生主动投身于化学学习中，还可以培养学生的实验操作能力。经过实验试做，发现此实验也存在以下的不足之处：

（1）收集气体用的注射器，刚开始气体的压强不足以使活塞移动，慢慢地随着反应进行，压力较大，使活塞猛地跳动，动态装置，不易测量。

（2）分液漏斗加液体的体积不好控制。

（3）注射器的内壁与活塞之间的摩擦力较大，且不知道摩擦系数，使收集到的气体体积不准确。

（4）随着反应的进行，硫酸浓度减小，反应速率减慢，而实验测定的是一段时间内的平均反应速率，但是在实验中没有说明这一点，让有些学生比较迷惑。

2.新加坡“化学反应速率实验”分析

新加坡此实验设计思路是：实验1，镁条和盐酸反应，每隔半分钟时间记录一次氢气体积，将记录的数据绘制T-V曲线图，曲线的坡度越陡，反应速率越快；实验2，碳酸钙和盐酸反应，每隔一分钟记录一次体系的质量，计算放出二氧化碳的质量，绘制T-V曲线图，曲线的坡度越陡，反应速率越快。这两个实验相比较而言，通过二氧化碳质量的减少来测量反应速率，更加直观具体，且装置是静态变化，更有利于测量，测量误差相比较而言也小。但两个实验也有其不足之处：

实验1的不足之处：

（1）用绳子绑住小试管，晃荡锥形瓶，让小试管里面的镁条和锥形瓶里面的盐酸反应，晃荡锥形瓶有可能将玻璃管和注射器相连的橡皮管挣脱开，导致实验失败；

（2）跟人教版教材中注射器的误差一样，动态变化不好控制。

实验2的不足之处：

（1）二氧化碳的密度比空气的密度大，在反应时，会先排出空气，使刚开始记录的二氧化碳的质量里面混有空气。

（2）晃荡锥形瓶，让小试管里的大理石和锥形瓶里的盐酸反应，不好控制。

3.中新两国“反应速率”实验的比较分析

测量化学反应速率实验本身就有很大的意义，在实验室和工业上，可以帮助化学家用既快又便宜的方法合成化学药品。中新两国教材中“反应速率”实验设计各有特点，人教版教材更多地注重实验和结果的分析，对实验数据用表格的方式呈现，知识和技能的介绍比较多；而新加坡的“反应速率”实验体现了新课改的基本理念向探究性学习方式转变，能激发学生的学习兴趣，开拓学生的思维，培养学生的创新能力和创新意识。实验数据用曲线图绘制，更加直观具体地看出一段时间内反应速率的变化。

三、“反应速率”实验改进

1.实验改进

仪器：25mL吸量管两支，锥形瓶，玻璃棒，橡胶塞，铁架台，橡胶管。

煤矿井下通风监控系统是为保证煤矿井下作业安全所设计实施的一种煤矿作业安全自动化控制系统。通常情况下，煤矿井下通风监控系统主要是采用单片机控制形式、以总线挂接式结构设计实现的。在该系统的通信控制应用中主要是应用CAN现场总线通信控制技术，通过各种通信监控传感器，实现对于煤矿矿井作业中各种通风指标进行运行监控，对保证煤矿井下作业的安全有着极大的积极作用和意义。

实验步骤：

（1）实验准备阶段，自制量气体体积装置，将两支吸量管用橡胶管连起来，制成量气筒。反应发生装置，橡皮塞打两个孔，一个连接玻璃导气管，一个连接玻璃棒。

（2）连接好如图4所示装置，量气筒中注入水至0刻度，锥形瓶中倒入0.1mol/L的盐酸14.7mL，将打磨干净的镁条紧紧缠在玻璃棒上，慢慢摇动锥形瓶，让镁滑落和盐酸反应，此过程一定要注意装置的气密性。

（3）每隔一分钟记录一次水上升的体积。

图4 实验改进后装置

数据记录：

时间/min 体积/mL 单位时间体积变化/mL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 9 0 5 4 12.1 13.9 15.1 15.9 16.1 16.1 3.1 1.8 1.2 0.8 0.2 0

注意事项：

U型管的设计过程中，一定要注意吸量管的尖头朝上，圆头用橡皮管连接，这样气密性好。如果橡皮管连接尖头，连接处的缝隙有气体，气密性不好，导致实验失败。

2.改进优点

改进后的装置，将镁条缠绕在玻璃棒上，慢慢滑动玻璃棒，避免了上述实验中分液漏斗和振荡小试管的误差；而且此装置用了U型管，为静态变化装置，由于压强差，产生的气体将左边水面压下去，用连通器的原理，右边的水面升上来，升上来的水的体积近似可以看成产生气体的体积。此装置理论上也有误差，由于水的压强、大气压强和反应器的压强差，导致所收集的气体体积不太准确，但是在反应结束后，U型管的两液面基本保持相平，说明收集到的气体还是比较准确的。

四、结论

总之，化学是一门研究物质及其变化规律的自然科学，它的形成和发展都是以科学实践为基础，即化学是一门以实验为基础的学科。中新两国教材都很重视学生科学素养的培养，化学教材中的实验也显得尤为重要，实验的探究能够激发学生对科学的强烈兴趣，对未知事物的好奇心和求知欲，促使学生将兴趣转化为求知的内在动力。中国教材“反应速率实验”注重于知识和技能的训练，而新加坡注重于实验探究，合理地吸收和借鉴中新两国化学教材中实验的优点，取其精华，提出改进建议，吸收国外先进的教学理念，提高教学效率。

［1］［2］李南方,王祖浩.“精英教育”的化学课程内容及评价方案改革——2008新加坡GCE化学A水平考试大纲解析［J］.化学教育,2009,30（2）:12-16

［3］熊催明.高一化学现行教材中化学反应原理内容设置的比较研究［D］.北京：首都师范大学,2013