中学化学性质实验的一体化设计

龚康佳 杨发福

[摘   要]将一种自制简易综合反应器应用于铁及其化合物的性质实验，以Fe2+与Fe3+的性质为主干，设计对应的实验流程，加强知识之间的联结，实现了多个实验的一体化设计。结果表明，这一性质实验的一体化设计，具有节约、安全、高效、直观等优点，适用于教师课堂演示和学生实验探究。

[关键词]铁及其化合物;性质实验;一体化设计

[中图分类号]   G633.8        [文献标识码]   A        [文章编号]   1674-6058（2019）17-0071-03

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学实验在高中化学学习中的地位举足轻重。合理高效的化学实验能体现化学学科特点，提升学生的知识技能，培养核心素养[1]。然而笔者发现，在各个版本的高中化学教材中，铁及其化合物性质实验的设置还存在一些问题。尽管教材给出的实验能加深学生对Fe2+和Fe3+性质的理解，以及让学生认识到这是氧化还原反应的具体应用，但在实际教学中，若按教材的方法进行实验，可能会遇到以下几个方面的问题：（1）实验操作次数过多且各个实验相互独立，如教材单独列出氢氧化亚铁和氢氧化铁的生成实验、Fe3+的检验实验及Fe2+与Fe3+的转换实验，导致实验药品浪费过多，实验占时偏长[2，3]; （2）在生成氢氧化亚铁的实验中，学生观察不到白色沉淀，甚至形成“氢氧化亚铁的颜色是灰绿色的”的误解[4，5];（3）未让学生通过实验掌握硫酸亚铁溶液的制备，学生因此难以知道该溶液需要现配现用;（4）教材中的实验设计没有加强知识点的相互联结，不利于学生整体把握和综合运用;（5）在Fe2+与Fe3+的转换实验中，教材采用氯水作为氧化剂，存在一定的安全隐患。

为了解决以上问题，本文在执行教学要求的前提下，从提高教学效率的角度出发，进行实验综合一体化设计 [6-9]，对现有的简单化学仪器和常见物品进行组合，设计出了创新实验装置及实验流程，取得了较好的教学效果。该一体化设计思路不仅体现了化学试剂用量少、污染小、实验现象突出的特点，而且实验装置简单，实验操作简易，适用于演示实验和学生实验，能较为有效地激发学生的学习热情，为中学课堂实验设计提供了较好的借鉴。

一、一体化设计思路

将多种实验整合到一个装置。传统实验将物质的制备与性质的检验分为两类独立的实验，而一体化实验对两者进行整合，实现了合二为一。

通过连续的操作完成系列实验。采用管路系统将多个实验合理串联，将独立实验设计成连锁反应。

根据知识点的联系巧设系统。利用知识之间的横向、从属、因果等内在联系来设计装置的反应系统、除杂系统、废气废液处理系统及管路系统。

二、实验过程

（一）实验仪器及药品

1.实验仪器

集气瓶，注射器，塑料滴管，止水夹，滤纸，橡胶管，橡胶塞，气球，铁架台以及自制多支口玻璃管（如图1所示）。

（二）实验原理

反应方程式：Fe+ H2SO4= FeSO4 + H2↑

Fe粉与稀硫酸反应产生氢气，利用氢气在集气瓶中产生的气压差把生成物硫酸亚铁溶液沿着玻璃支管压送到各个容器（塑料滴管的吸囊部分，以下简称“吸囊”）中进行相应的化学反应。本实验涉及的铁及其化合物的转换关系如图2所示。

（三）实验操作

1.实验仪器组装

取一个干净的集气瓶，在瓶中放入用滤纸包裹的过量铁粉。用打孔器在橡胶塞上打两个约5 mm的小孔。在一个小孔中插入一根直角玻璃导气管，一端伸至瓶口处，另一端连接一个止水夹;在另外一个小孔中插入自制多支口玻璃管的最长支口，将其伸到瓶底。在四个分支口处均连接一段内含玻璃珠的橡胶管，每段橡胶管下均连接吸囊。左起第一个吸囊内滴入3～5滴的KSCN溶液;第二段橡胶管下连接两个相同的吸囊，两个吸囊之间用注射器针头连接（吸囊处要使用不小于20 mL注射器的针头，否则液体无法沿着针头流入），上下两个吸囊内分别加入适量0.5 mol/L NaOH溶液和4 mol/L NaOH溶液（上层氢氧化钠溶液要稀释且量少，否则会完全中和硫酸亚铁溶液中的氢离子，起不到缓冲作用）;第三和第四段橡胶管下连接吸囊的操作与第二段相同，在第三个支口处连接的上下两个胶囊中，分别加入适量KMnO4溶液和适量KSCN溶液（上层吸囊中的高锰酸钾一定要与药品反应完全后，方可进行下一步操作，否则高锰酸钾会干扰下层吸囊中的反应）;在第四个支口处连接的上下两个吸囊中，分别加入适量KMnO4溶液和适量淀粉碘化钾溶液;最后在末端支口处连接一个气球。打开止水夹，塞紧橡胶塞，将含有适量稀硫酸的注射器插入橡胶塞。完成仪器组装及药品添加后，装置如图3和图4所示。

2.实验步骤及现象

完成实验仪器组装后，进行试漏检验及集气瓶气密性检验，缓慢推动注射器，可观察到滤纸上慢慢产生气泡。当反应液浸没玻璃导管后，关闭止水夹，观察到集气瓶中反应溶液呈现浅绿色。继续加入适量稀硫酸，反应一段时间后，可观察到反应液体沿着玻璃管上升并流到各个支管口处。（若反應产生的气体的压强不足以把液体压入各支管口，则轻轻推动注射器，增加集气瓶中的压强，这样反应液便可沿着玻璃管流入各支管口）用左手的拇指和食指捏住玻璃珠靠上的部位，向手心方向捏挤橡胶管，使其与玻璃珠之间形成一条缝隙，溶液即可流出。当溶液流入上层吸囊3～4 mL时，停止操作。待反应完全后，轻轻移动注射器针头使得针孔浸没在反应液中，上层吸囊中的反应液会沿着针头流到下层吸囊中去，至下层吸囊中的反应结束，针头会高出上层吸囊中的溶液液面。从左到右，依次进行相同操作。用气球收集多余的硫酸亚铁溶液。最后打开止水夹，在止水夹处点燃集气瓶内气体，会听见轻微爆鸣声。实验结束后，实验现象如图5所示。