乙醇中碳、氢元素的检测探究实验

刘国豪

摘要： 设计乙醇中碳、氢元素的检测实验。从实验原料的选取、实验环境干扰因素的排除等方面入手，有针对性地对传统实验方法进行改进。改进后手持技术的运用使得实验操作更简单，现象更直观，数据更精确，取得了较好的实验效果。通过此系列改进，构建了物质元素组成实验探究的思维模型，有助于提高学生的思考能力和实验探究能力。

关键词： 乙醇; 碳、氢元素检测; 手持技术; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）08007004

中图分类号： G633 8

文献标识码： B

1  问题的提出

《义务教育化学课程标准（2011年版）》对初中学生提出了“知道科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据”、“认识到科学探究既需要观察和实验，又需要进行推理和判断”[1]等要求。但目前在初中化学实验教学中常常存在以下问题： 重视实验结果或结论，更强调获得并记住实验结论，而忽视对实验过程的探索。至于素质教育所提倡的科学思想、科学品质、科学态度等的教学和培养，在实际教学中则更少涉及。

杨砚宁、沈兆刚和丁小勤等人[2～4]指出，基于证據推理的化学实验教学能促进学生增进对科学探究的理解，培养科学探究实验能力。以“证据推理”、“实验教学”等关键词在CNKI学术期刊全文数据库中进行文献检索。通过筛选、整理和分析，发现基于证据推理的化学实验教学研究主要集中于以下几个主题： （1）物质成分的探究[5～7];（2）物质性质的验证[8，9];（3）常规实验的改进[10];（4）物质变化的实验探究[11～13]。其中部分实验引入手持技术传感器，利用手持技术数字化改进实验[14～16]，教学效果佳，值得借鉴。但暂未发现从证据推理角度进行物质组成元素检测的实验教学研究，因此，本研究以乙醇中碳、氢元素检测的实验教学为例，旨在解决以下问题：

（1） 如何从证据推理角度建立物质元素组成的实验探究模型？

（2） 如何利用手持技术进行物质元素检测的实验？

2  解决问题的思维模型

2.1  物质元素组成实验探究的一般思维模型

在初三化学的学习中，学生已学习了几个探究物质元素组成的实验，如蜡烛燃烧、水的组成、氢气和甲烷的元素组成等，通过燃烧、通电等引发反应，进而检测反应产物，根据质量守恒定律实现对物质元素组成的推理，这是探究物质元素组成的一般思路。由证据推理角度整理得到图1的思维模型，即通过未知组成的物质发生的化学反应，进行反应产物的检验并收集实验证据，最后根据产物的元素组成推测原物质的元素组成。

2.2  乙醇中碳、氢元素检测的实验探究模型的建构

乙醇是一种常见的化学燃料，在人教版九年级《化学》上册教材中并没有探究乙醇元素组成的实验活动，而是直接给出化学式，学生对该部分的学习处于被动接受的状态。因此笔者在实际教学中，尝试让学生进行乙醇元素组成的探究实验设计。学生根据探究物质元素组成实验的一般思维模型，模仿课本中原有的对蜡烛、氢气和甲烷燃烧产物的探究实验，设计了如图2所示的实验1——烧杯收集法实验。该实验用到的实验器材有酒精灯、火柴、滴瓶和烧杯，实验药品为澄清石灰水。实验过程中，干冷烧杯内壁迅速出现白雾，将烧杯倒过来，加入澄清石灰水后，石灰水变浑浊的现象并不明显，对实验证据的分析推理如表1所示。

步骤1  在燃着的酒精灯火焰上方罩一个干冷烧杯

步骤2  迅速倒转烧杯，倒入澄清石灰水、振荡

实验证据直接推理间接推理

烧杯内壁出现白雾燃烧产物中有H2O乙醇中含有氢元素

倒入澄清石灰水后变浑浊

现象不明显无无

在实际教学过程中，学生在实验后填写实验报告并进行小组讨论，发现本实验有3个不合理之处： （1）澄清石灰水变浑浊的现象不明显，无法推理;（2）酒精灯中的酒精是工业酒精，含有水分，白雾可能是酒精灯中的水蒸发液化而成，推理不严谨;（3）酒精灯芯也同时在燃烧，对酒精成分的推理造成干扰。

针对以上三个问题，教师引导学生进行深度思考，并结合实验证据和实验环境，从严密逻辑推理的角度，讨论并总结出乙醇中碳、氢元素检测的实验探究模型，如图3所示。引导学生需要从选取纯净的实验原料、设置排除干扰的实验环境、有针对性地检测产物三个方面进行实验方案的改进。

3  基于严密逻辑推理的实验改进

3.1  改进： 锥形瓶收集法检测酒精中碳、氢元素

3.1.1  改进实验设计

基于对实验1的不足之处的分析，教师引导学生设计具体的改进实验（实验2）方案如下： （1）改工业酒精为无水乙醇，排除水的干扰;（2）改酒精灯为燃烧匙，排除酒精灯棉芯的干扰;（3）开放体系实验改为密闭体系实验，便于收集产物进行检测。图4为改进实验的实验步骤及装置示意图，实验器材及药品有： 燃烧匙、酒精灯、火柴、

橡胶塞、注射器、锥形瓶、滴瓶、无水乙醇（分析纯）、澄清石灰水，对实验现象的分析推理见表2。

实验证据直接推理间接推理

锥形瓶内壁出现白雾燃烧产物中有H2O乙醇中含有氢元素

挤入澄清石灰水后变浑浊燃烧产物中有CO2乙醇中含有碳元素

3.1.2  评析改进后的实验

小组讨论后，很多学生觉得实验2还有一处推理不严谨： 据了解，在1个标准大气压下，酒精的沸点为78.50℃，比水还低，因此，燃烧后锥形瓶内产生的白雾有可能是酒精蒸气液化而成。如何有针对性地检测燃烧产物H2O成为进一步改进实验必须解决的问题。

3.2  创新： 手持技术数字化实验法检测酒精中碳、氢元素

3.2.1  应用手持技术进行创新实验设计

前两个实验难以有针对性、一步到位地检测生成物，而用手持技术数字化实验设备则能很好地解决这个问题。手持技术是可以定量采集各种常见数据，并能与计算机连接的实验技术系统[17]，具有便携、实时、准确、综合、直观等优点[18]。在本实验（实验3）中，用湿度传感器和二氧化碳传感器检测乙醇燃烧产物。实验用到的器材有： 威尼尔手持设备Labquest2、 CO2传感器、湿度传感器、燃烧匙、酒精灯和火柴;实验药品有： 无水乙醇（分析纯）。实验装置及步骤见图5。

3.2.2  实验数据与结果分析

在乙醇燃烧后，手持技术数字化实验设备检测到三颈烧瓶内CO2和H2O的含量迅速上升（图6中上图为二氧化碳含量变化，下图为相对湿度变化），其中，二氧化碳含量由原空气中含量约1000ppm最终上升到

约10000ppm，相对湿度由原空气的55%上升到83%。通过直接推理，即可推出乙醇的元素组成中含有碳、氢元素（见表3）。

实验证据直接推理

三颈烧瓶内CO2的含量迅速上升乙醇中含有碳元素

三颈烧瓶内H2O的含量迅速上升乙醇中含有氢元素

3.3  评析： 认识手持技术创新实验的优势

通过对比（见表4）我们发现，燃烧法检测可燃物元素组成的实验，需要注意两点： （1）要在密闭体系里进行实验，防止气体生成物逸出导致检测现象不明显的情况;（2）实验的方案务必排除无关因素的干扰，注重证据推理的严谨性。另外，手持技术数字化实验应用于产物的检测不仅具有操作简单、现象明显、推理严谨等特点，而且使实验由定性检验上升为定量检测，具有更多的学科价值。

序号收集产物方法检测产物CO2和H2O的方法优点不足

实验1  烧杯收集法检测酒精中碳、氢元素烧杯

（开放体系）澄清石灰水和

观察水雾装置简单现象不明显

推理不严谨

实验2  锥形瓶收集法检测酒精中碳、氢元素锥形瓶

（密闭体系）澄清石灰水和

观察水雾装置简单

现象明显推理不严谨

实验3  手持技术数字化实验法检测酒精中碳、氢元素三颈烧瓶

（密闭体系）传感器操作简单

现象明显

推理严谨

定量检测

4  教学反思

4.1  从证据推理角度设计探究实验——结论的推理更严谨

在平时的实验教学中，学生往往只需按照教材中设计好的实验步骤进行操作，因此很多学生在实验结束后仍不清楚实验目的，也缺乏对实验方法的整体认识。本研究通过乙醇中碳、氢元素检测的实验探究活动，根据实验现象推理乙醇元素的组成，从证据推理的角度进行物质组成的实验探究，更有利于培养学生的科学素养，促进和帮助学生快速、准确地设计好严谨的实验方案。

4.2  从严密逻辑推理角度改进实验探究方案——学生的思考更深入

在实验的实际操作过程中，往往会出现新的、没有预想到的问题，使学生理解构思和实践之间有一定的差距。学生实验结束后经过书写实验报告，反思实验不足，再重新改进实验方案，变学生被动地操作实验为主动地设计实验和改进实验，增强了实验教学的思维容量，培养了学生深度思考的能力。

4.3  手持技术数字化实验进行物质组成的探究实验——现象的显现更科学

本研究使用手持技术数字化实验对无水乙醇燃烧的产物進行检测，实验现象明显，实验数据可靠，操作更为简单，可重复性强，使推理严谨，同时让实验由定性检验上升为定量检测，根据数据的变化，还可以让学生展开更深层次的探究，拓宽了探究的维度。基于手持技术数字化实验在初中化学实验的应用，还有很多有待开发的空间，需要广大的基础化学教育工作者共同开展理论和实践的研究。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2011： 10.

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[3]沈兆刚. 证据推理让教学回归本真——以“化学反应中的质量关系”为例[J]. 化学教学， 2018， （10）： 45～50.

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[9]张旭东， 杨玉琴. 浅析“证据推理”在元素化合物探究教学中的应用[J]. 案例研究， 2019， （4）： 45～49.

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[11]罗一方， 吴文中. 基于证据推理和模型认知的创新实验——以实现常温下乙酸乙酯碱性完全水解为例[J]. 中学化学教学参考， 2018， （11）： 28～31.

[12][16]周萍， 肖中荣. 基于证据推理增加分子作用力演示实验[J]. 实验教学研究， 2018， （7）： 21～23.

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[18]钱扬义， 王祖浩， 陈建斌等. 信息技术与化学课程整合研究[J]. 课程·教材·教法， 2004， （7）： 63～67.