抓住实验异常 挖掘背后成因

刘瑛

【摘  要】实验异常现象的出现，会使师生产生不同程度的认知冲突或出现情绪紧张的状态。对异常现象的应对和处理，是体现教学机智和专业素养的重要时刻。本文分析了高中化学必修第二教学中出现的几个实验异常现象，并作出了科学合理的解释，最后就合理规避或利用异常现象提出了思考与建议。

【关键词】化学实验;异常现象;认知冲突

一、问题的提出

化学是一门建立在实验基础上的学科，实验在化学教学中有着不可替代的作用。凡事预则立，不预则废，化学实验亦然。明确实验目的、分析实验原理和预测实验现象是进行化学实验前所必须完成的步骤。实验教学中的种种情况都在预设范围内，教师在课堂上就会游刃有余，得心应手。

在上现场课和公开课时，异常现象的出现会加重紧张情绪，大多数教师都愿退避三舍，敬而远之。在进行演示实验或分组实验时，执教者多期望看到预期的实验现象，对异常现象存有畏惧之心。实验异常的出现，会让教师或学生的原有观念与新经验之间产生对立性矛盾，并对异常现象产生疑惑、出现情绪紧张或不适的状态，即产生认知冲突。如何应对此种状况，是值得我们思考的地方。

二、关注异常现象，挖掘背后成因

实验教学中出现的异常现象，多与试剂来源、装置设计、反应原理和实验操作等有关，但是理论分析是一枝独秀，实际情况却是百花齐放。专业知识的大量储备和实践经验的长期积累，是应对复杂多变的课堂教学的有效保障。笔者在进行高中化学必修二的教学时，实验中出现了几个异常现象，现分析如下。

（一）“探究影响化学反应速率的因素”实验教学中的异常及应对

1.教学片段

学生在实验中发现了异常现象，标注为0.1mol/L盐酸与Zn片反应的速率竟然比1mol/L盐酸与同样大小同样形状的Zn片反应速率快。这一异常现象让笔者也紧张了起来，用“实验员可能将标签贴反了，可能是药品配制过程中出了差错，也可能是其他什么原因，老师下课了解一下”搪塞过去了，但是学生在下课聊天的时候乐此不疲地与同伴分享着这一趣事。笔者意识到这一“乌龙事件”可能会产生无法估量的蝴蝶效应，必须揭示背后成因，在课堂上与同学共同分析讨论。

2.揭示原因

实验小组所用的0.1mol/L盐酸是从药品柜中拿出来的，且从初次配制至此次使用已相隔几年时间。因滴瓶的橡胶塞全部老化开裂，故在使用前全部替换成新橡胶塞。笔者用5-8小组使用的盐酸和药品柜中保存的0.1mol/L的盐酸分别再次进行了实验，与学生所得实验现象相同;而用准备室中台面上放置的相应浓度的盐酸做实验，现象却是与预期相同的。因此，实验员贴错标签的可能性为零，造成实现现象异常的原因与盐酸在保存过程中发生的变化有关。浓盐酸具有挥发性，会使其浓度变小，按照思维定势，实验室保存的0.1mol/L的盐酸亦会变稀，实验对比结果应该不会逆转，但是实验事实确是如此，通过查阅大学《物理化学》课本找到了原因。

对于同一系统，其所含物质数量的多少随人们研究问题的出发点不同而不同，但是平衡系统的组分数却始终保持一定值，所以，组分数是表征系统性质的一个重要参数。组分数不仅与物质种数有关，还与化学反应条件、浓度限制条件等有关。组分数等于系统中的物种数减去独立的化学平衡数，再减去同一相的独立浓度限制条件数。对于HCl和H2O组成的溶液而言，若不考虑它们的电离，其平衡系统中所含的组分数是2。若要考虑，则根据反应：2H2O    H3O++OH-，HCl=H++Cl-，可知组分数=6-2-2=2，仍然不变。

对于二组分系统而言，影响其状态的因素有温度、压力和组成。试剂是在常压下保存的，所以可以固定压力，绘制沸点（T）-组成（x）图（见图1）。由于HCl溶于水后完全电离，使得挥发性发生改变，在T-x图上出现最高点，即最高恒沸点383K，该点上气、液两相组成相同，HCl的质量分数为20.24%。373K、187.9K分别为水和氯化氢的沸点。根据柯诺华诺夫第一规则，较易挥发组分在气相中的成分大于在液相中的成分，即溶液中沸点低的组分在气相中的成分总比在液相中的大，所以T-x图的气相线总是在液相线上方。

据图可知，当组分处于左半部时，则分馏结果得到纯水和HCl-H2O恒沸混合物。当组分利于右半部分时，则分馏结果得到HCl和和HCl-H2O恒沸混合物。药品柜中保存的盐酸初始浓度是0.1mol/L，恒沸混合物的浓度约为6mol/L，故保存于药品柜中的稀盐酸在存放过程中，因滴瓶胶塞老化、密封性较差等原因，气相物质会不断挥发，且挥发出来的是较多的H2O和较少的HCl，液相组成逐渐向中间恒沸混合物移动，浓度逐渐增大。由此可知，稀盐酸（质量分数小于20%）在长期存放过程中，因较多的H2O和较少的HCl挥发，导致浓度升高，故出现异常实验现象。

（二）“乙醇的性质”实验教学中的异常及应对

1.教学片段

“乙醇的性质”教学中，通过复习巩固乙烯的性质，引出乙醇的工业制法——乙烯直接水化法，即在加热、加压和有催化剂存在的条件下，乙烯与水发生加成反应得到乙醇，继而进行乙醇的性质探究部分。为了验证乙醇与Na的反应，教师提出思考问题：实验所需试剂有何要求？乙烯水化法所得乙醇能否直接进行实验？如若不行，如何使其满足实验要求。因水可以与Na反应，学生多认为需要用纯乙醇来进行实验。乙烯水化法所得乙醇中混有水，可利用蒸馏的方法得到纯乙醇。教师给出事实证据——蒸馏法得到的乙醇浓度最高为95.6%。这一事实与学生的原有认知产生冲突，据此介绍无水乙醇的制备方法之一——将新煅烧的CaO置于95%的乙醇中，先冷凝回流一段时间后，再蒸馏，可得无水乙醇。

教學中对无水乙醇的制备进行了重点强调，但是在后期作业评价中发现，学生的掌握得并不是很好，多停留在原有认知的水平上。故需要在形成认知冲突处再下一剂猛药，让学生知其然，亦知所以然。

2.揭示原因

乙醇与水组成的溶液是二组分系统，绘制沸点（T）-组成（x）图（见图2）。由于乙醇溶于水后与水分子间形成氢键，使得挥发性发生改变，在T-x图上出现最低点，即最低恒沸点351.1K。该点上气、液两相组成相同，乙醇的质量分数为95.6%，改变温度时，气相和液相的组成均保持恒定。373K、351.2K分别为水和乙醇的沸点，气相线在液相线上方。

乙烯水化法所制得的乙醇，其组分处于图像左半部，故在蒸馏过程中，挥发出来的是较多的乙醇和较少的水，气相取出后再部分冷凝，经过多次反复降温、冷凝，气相组成将逐渐往右下端移，直至恒沸混合物。在进一步的蒸馏过程中，组成保持不变，得到的始终是乙醇-水恒沸混合物，得不到纯乙醇。所以为了得到纯乙醇，需要在高浓度乙醇的基础上，利用CaO与水的反应将微量的水除去。

（三）“乙烯的性质”实验教学中的异常及应对

1.教学片段

浓硫酸分子内脱水是实验室制备乙烯的常用方法，但是笔者亲自进行实验后发现效率低且副反应明显，故放弃了利用此法制备乙烯。有一线教师利用乙烯利来快速制备乙烯，笔者自己在花卉市场也买了一瓶乙烯利，以便进行乙烯与溴的四氯化碳反应的演示实验。

实验猜想：根据乙烯的结构特点，类比甲烷的性质，乙烯和溴的四氯化碳能反应吗？若反应，可以观察到什么现象？若反应，属于什么反应类型，是取代反应吗？如何用实验进行验证？实验验证：教师进行演示实验，将乙烯利与NaOH混合，现场制乙烯，并将其通入到溴的四氯化碳溶液中，溶液褪色;再向溶液中滴加几滴HNO3酸化的AgNO3溶液，产生白色沉淀。

产生白色沉淀这一实验现象属异常现象，与学生通过预习所得认知相冲突，与教师预期现象亦有不同，属于课堂生成问题。

2.揭示原因

出现的白色沉淀的成分必是AgCl，唯一引入Cl-的部分唯有乙烯利与NaOH的反应。通过查阅资料，乙烯利制备乙烯的原理是：

+ 4NaOH → CH2=CH2↑+NaCl+

Na3PO4 +3H2O

该反应中，NaOH溶于水大量放热，且演示实验中所用分液漏斗管口处离底部较近，导致乙烯气体快速生成时，溶液中的NaCl随气流一起进入后续装置，即HNO3酸化的AgNO3溶液中。故要排除NaCl等因素的影响，可将气流进行降温处理，使得NaCl进入液相，不随气相一起进入后续装置。为了避免干扰，笔者进行了实验改进，提前将乙烯制备好并收集在储气袋中，再进行实验，未观察到沉淀生成。另外，考虑到HBr难溶于CCl4，易挥发，且溴可与水反应生成HBr干扰实验结果，所以向通入乙烯之后的溴的CCl4溶液中加入HNO3酸化的AgNO3溶液来检验HBr的存在有不合理之处。在第二个教学班进行教学时，做出了改进，即将乙烯与溴的CCl4溶液反應后的气体先通入CCl4中除去可能挥发出来的溴蒸气，再通入HNO3酸化的AgNO3溶液中。在出现异常现象的教学班中，对产生异常的原因做了详尽的分析，并引导学生改进了设计方案，以实现培养学生科学探究的能力，并强化学生的证据推理意识。

3.点击高考

对“乙烯的性质”实验教学中异常现象的分析，并非闭门造车、自圆其说，实则有理可依、有迹可循。在2020年浙江卷中，浓硫酸与浓盐酸混合制备HCl时，生成的气体通入硝酸钡溶液中产生白色沉淀。分析其原因，亦是因二者混合过程中放热，HCl气体将硫酸带出，使其进入硝酸钡溶液中产生白色沉淀。

在2019年北京卷中，Cu与浓硫酸在加热条件下反应制备二氧化硫，生成的气体通入硝酸银溶液之前，用饱和亚硫酸氢钠除去SO2中的杂质，其作用亦是除去可能被气流带出的硫酸。

三、对“异常现象”的教学思考

对实验异常现象的应对和处理，是体现教学机智和专业素养的重要时刻。当学生因实验异常现象产生认知冲突时，多会产生主动探究的欲望。教师可因势利导，顺势而为，在解决冲突的过程中提升学生的认知水平和学科能力，帮助学生形成敢于质疑、勇于创新、崇尚真理和严谨求实的科学态度。当教师因实验异常现象产生认知冲突时，应当有自觉探究的意识。平时教学中的意外实验现象背后都隐藏着必然，严谨的科学态度是教师需要教会学生的珍贵品质。

【参考文献】

[1]范楼珍，王艳，方维海.物理化学[M].北京：北京师范大学出版社，2009：131-165.

[2]陈兆先，高俊.初中化学恒沸现象探析——以加热通有二氧化碳的石蕊溶液未能恢复紫色为例[J].化学教育，2019（11）：79-81.

[3]应春晓.乙烯性质实验的再改进[J].化学教学，2019（04）：69-71.