氯水的成分探究實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)及教學(xué)模式探究（

1、“氯水的成分探究”實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)及教學(xué)模式探究*本文系全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度立項(xiàng)課題“指向核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課堂教-學(xué)-評一致性研究”（課題編號：DHA180418）的研究成果。黃翠玉1，張賢金2（1.福建省泉州市奕聰中學(xué)，福建泉州362000；2.福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所，福建福州350025)（此文發(fā)表在化學(xué)教學(xué)2019.4）摘要：在“氯水的成分探究”課例中,設(shè)計一套制取氯水、驗(yàn)證氯水性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，高效、安全地完成多個氯水性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，授課中實(shí)施“提出問題形成猜想設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究觀察現(xiàn)象分析推理循環(huán)驗(yàn)證歸納總結(jié)反思與評價”探究模式，實(shí)驗(yàn)過程中，使用多個新意裝置

2、，探究視角獨(dú)特，過程性信息處理詳實(shí)，獲得多個比教材更豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由此對物質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生更多的疑問，從而進(jìn)入更深層次的實(shí)驗(yàn)探究，獲得更高層次的理論支持，本文多角度呈現(xiàn)了層層揭開氯水面紗的過程。關(guān)鍵詞：制取氯水；氯水成分探究；裝置改進(jìn)；探究模式蘇教版高中化學(xué)必修1教材中氯氣實(shí)驗(yàn)室制法中，傳統(tǒng)固液加熱實(shí)驗(yàn)裝置中的玻璃導(dǎo)管制作時需高溫?zé)?，冷卻后形狀固定不可改變，使用不方便。兩導(dǎo)管之間使用橡膠管連接，增加裝置漏氣的可能性。裝置中各組件體積大，消耗藥品多。筆者用輸液器、塑料滴管等改進(jìn)裝置，組件輕便、材料廉價易得、裝置緊湊、接頭少，氣密性好。模擬恒壓漏斗有利于添加反應(yīng)物時液體順利流下。氯水性質(zhì)驗(yàn)證裝置全

3、密封，逐一更換25mL錐形瓶可快速完成多個驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。1 自制裝置與蘇教版必修1中氯氣實(shí)驗(yàn)室制法裝置的對比1.1原理對比蘇教版高中化學(xué)必修1教材中：MnO24HCl(濃)MnCl2H2OCl2；原創(chuàng)裝置采用以下原理：2KMnO4+16HCl(濃)=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O。1.2裝置改進(jìn)本文將一塑料滴管裁剪改裝成三部分：導(dǎo)管多孔膠頭漏斗，替代教材中的連接裝置（如圖1）；將膠頭用針扎多個小孔，置于細(xì)口瓶內(nèi)液面下方，可以增大氣體與液體的接觸面積，有利于氣體的溶解或被吸收，尾部的雙孔膠塞起密封和固定兩根塑料管的作用，把膠頭剪半，作普通漏斗之用，置于裝置尾部與大氣相通，防止體系壓強(qiáng)過大

4、，預(yù)防爆炸的危險。本文將醫(yī)用一次性輸液器裁剪代替教材中的分液漏斗和圓底燒瓶，模擬恒壓漏斗和流量控制器。圖1 自制氯水實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.3自制氯水實(shí)驗(yàn)儀器醫(yī)用一次性輸液器，一次性塑料滴管：膠頭長3.82cm，直徑1.37cm；導(dǎo)管長13.55cm，直徑0.30cm；100mL錐形瓶，120mL細(xì)口瓶，3號橡膠塞。1.4自制驗(yàn)證氯氣、氯水性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）氯氣極易逸散，裝置A中導(dǎo)管短進(jìn)短出（圖2左），用于驗(yàn)證氯氣的性質(zhì)，裝置B中導(dǎo)管短進(jìn)長出（圖2右），用于驗(yàn)證氯水性質(zhì)裝置，在全封閉體系中擠壓洗耳球，可快速完成實(shí)驗(yàn)。圖2 驗(yàn)證氯氣、氯水性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2 探究流程以學(xué)生對氯水成分的認(rèn)知為主線設(shè)計

5、以下氯水探究流程圖3，其中“制定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出部分結(jié)論同時發(fā)現(xiàn)新問題”是個反復(fù)驗(yàn)證的小循環(huán)。圖3 氯水成分探究流程教學(xué)過程發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)：Cl2+ H2OHClO+HCl存在Cl-、H+、Cl2、HClO鞏固提升交流評價化學(xué)變化：可能存在Cl-、H+、Cl2制定方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物理變化：存在Cl2、H2O形成猜想提出問題分析推理發(fā)現(xiàn)新問題得出結(jié)論解決新問題分析新問題再次驗(yàn)證氯水中存在漂白性物質(zhì)紫色石蕊試液、PH值試紙先變紅后褪色Cl-：AgNO3 稀硝酸H+：酸的通性干、濕氯氣經(jīng)U型管，潮濕氯氣使紫色紙條褪色產(chǎn)物次氯酸具備漂白性氯水使品紅溶液和新鮮花瓣褪色，驗(yàn)證氯水具有漂

6、白性經(jīng)典題、實(shí)驗(yàn)評價題微課氯氣溶于水發(fā)生了什么變化？情景導(dǎo)入學(xué)生使用改進(jìn)裝置制取氯水視頻實(shí)驗(yàn)評價與反思Cl2：具有強(qiáng)氧化性，使用濕潤的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn) 3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)收集處理首先從物理性質(zhì)角度觀察氯水顏色，猜測氯分子的存在。再從化學(xué)變化的本質(zhì)有新物質(zhì)生成，鎖定氯離子為第一個驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；其次是氫離子的檢驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)圖4中酸的通性，選擇鎂條和pH試紙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4 氫離子的檢驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)一：鎂條與新制氯水作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用砂紙打磨后的鎂條與氯水劇烈反應(yīng)，鎂條表面產(chǎn)生很多小氣泡，鎂條逐漸溶解變薄，由反應(yīng)劇烈程度可知新制氯水中氫離子的濃度不大。3.2實(shí)驗(yàn)二：pH試紙與新制氯水作用實(shí)驗(yàn)操作：將pH

7、試紙內(nèi)置于圖2裝置B中干燥潔凈的錐形瓶內(nèi)，擠壓洗耳球，新制氯水滴落在pH試紙上；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5，圖中加粗的兩條曲線示意反應(yīng)中兩條最明顯的紅色輪廓線，以下現(xiàn)象描述中簡稱“短紅線”和“長紅線” 。28秒40秒56秒幾分鐘后12秒110秒圖5 新制氯水滴入pH試紙隨時間的變色示意圖現(xiàn)象描述：反應(yīng)進(jìn)行至12秒時，與氯水直接接觸的pH試紙中下部位微紅，長紅線顯示出氯水滴在pH試紙上的痕跡，潮濕氯氣向上擴(kuò)散，試紙干濕交界處短紅線明顯。28秒至110秒這段時間里，短紅線以上區(qū)域試紙變紅且顏色逐漸加深，與此同時，短紅線以下區(qū)域逐漸褪色，幾分鐘后整張pH試紙褪色。實(shí)驗(yàn)表明：氯水作用于pH試紙時：濕度大、時間長漂

8、白現(xiàn)象更明顯；濕度小、時間短紅色現(xiàn)象明顯；氫離子的擴(kuò)散速率比次氯酸分子快。學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中觀察到物質(zhì)褪色新現(xiàn)象，了解到褪色現(xiàn)象與濕度和時間有關(guān)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：氯水中含氫離子。教師引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中提煉新疑問：褪色原因與氯水濕度有關(guān)，追問學(xué)生是否設(shè)計干、濕氯氣漂白效果對比實(shí)驗(yàn)？漂白性物質(zhì)是什么微粒？引導(dǎo)學(xué)生從元素守恒觀以及可逆反應(yīng)的特點(diǎn)等理論分析：漂白性物質(zhì)可能是氯分子或者是次氯酸分子。根據(jù)認(rèn)知水平，學(xué)生知道：氯氣是黃綠色、有刺激性氣味氣體，具有強(qiáng)氧化性，使用濕潤的淀粉碘化鉀試紙可以檢驗(yàn)氯分子。3.3實(shí)驗(yàn)三：淀粉碘化鉀試紙與新制氯水作用實(shí)驗(yàn)操作:將淀粉碘化鉀試紙內(nèi)置于圖2裝置B中干燥潔凈的錐形瓶內(nèi)，擠

9、壓洗耳球，新制氯水滴落在試紙上；淀粉碘化鉀試紙隨時間的變色示意圖如圖6，加粗輪廓圖形內(nèi)部為試紙變藍(lán)色區(qū)域，外部區(qū)域?yàn)闊o色；實(shí)驗(yàn)中截取 45秒時二次滴入氯水時呈現(xiàn)的示意圖如圖6所示：45秒60秒95秒206秒130秒圖6 新制氯水滴入淀粉碘化鉀試紙隨時間的變色示意圖現(xiàn)象描述：45秒時圖上可見試紙下部較潮濕，新制氯水使淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)后褪色，45秒至206秒時間里，褪色范圍擴(kuò)大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：氯水中含有強(qiáng)氧化性物質(zhì)氯單質(zhì)。分析過程性變化原理：2KI+Cl2=2KCl+I2，生成碘單質(zhì)使淀粉變藍(lán)；過量的氯氣與碘反應(yīng)生成無色物質(zhì)，I2+5Cl2+6H2O2HIO3+10HCl，褪色原因是碘離子被氧化為無

10、色的碘酸根離子。由于次氯酸不穩(wěn)定，需要驗(yàn)證時大多是間接獲得，于是設(shè)計干濕氯氣漂白性對比，對比實(shí)驗(yàn)設(shè)計在型管中進(jìn)行，有新意且方便觀察現(xiàn)象。左右兩邊分別放兩條紫色紙條，型管底部裝有氯化鈣干燥劑，將兩紙條隔開，將圖2裝置A中的錐形瓶換成型管，型管左端密封，右端通入潮濕的氯氣，很快地觀察到右端的紙條褪色，而左端紙條顏色無明顯變化，由此得出次氯酸分子具有漂白性。再一次用品紅溶液和新鮮花瓣驗(yàn)證次氯酸的漂白性,兩者均褪色。學(xué)生小結(jié)次氯酸的漂白性、強(qiáng)氧化性、弱酸性、不穩(wěn)定性等。教師表格呈現(xiàn)新制氯水與久置氯水的區(qū)別，并用四道微課習(xí)題鞏固提升。4 實(shí)驗(yàn)評價與反思4.1如何防止氣體泄漏防止氣體泄漏從三個環(huán)節(jié)進(jìn)行（圖

11、7）：增強(qiáng)裝置氣密性。中途添加藥品防止氣體外逸?？刂蒲b置內(nèi)的壓強(qiáng)；減少連接裝置的接頭以增強(qiáng)氣密性。中途添加濃鹽酸時，準(zhǔn)備好一團(tuán)蘸有氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)，在注射和抽離針筒時堵在進(jìn)料口周圍。使用流量控制器，實(shí)驗(yàn)時先關(guān)后開，避免反應(yīng)物接觸瞬間氯氣外逸，更好保護(hù)實(shí)驗(yàn)者。減小反應(yīng)物的濃度、疏通導(dǎo)管防堵塞等方面控制裝置內(nèi)的氣壓，確保氣流平穩(wěn)產(chǎn)生。防泄漏裝置氣密性實(shí)驗(yàn)中添加反應(yīng)物氣壓過大流量控制器防堵塞反應(yīng)物濃度裝置注意點(diǎn)用浸氫氧化鈉溶液的棉花團(tuán)堵住進(jìn)料口減少接頭圖7 防止氣體泄漏的思路4.2如何避免儀器對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾醫(yī)用一次性輸液器中的金屬針頭與濃鹽酸反應(yīng)，生成亞鐵鹽，溶液呈淺綠色，繼而被氯氣氧化為鐵鹽

12、，溶液顏色加深，為了避免該現(xiàn)象的干擾，將不再使用金屬針頭，建議使用玻璃針筒。為了控制反應(yīng)速率，固體高錳酸鉀配制成濃度適中的溶液，它將與濃鹽酸均勻接觸，生成氯氣氣流平穩(wěn)。4.3裝置改進(jìn)點(diǎn)與氯水濃度的思考繼續(xù)增加創(chuàng)新點(diǎn)，將細(xì)口瓶改為廣口瓶，橡膠塞變大可以鉆更多的孔，方便設(shè)計氯水制取和驗(yàn)證為一體的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中觀察到制取氯水的液面上方聚集了大量黃綠色氣體，瓶中氯水呈黃綠色，就定性地判斷氯水已經(jīng)飽和，還未定量分析與測量氯水飽和時的濃度有多大，這是影響氫離子檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一個因素，裝置中使用塑料導(dǎo)管，易被氧化，時間久了老化變白，所以做完實(shí)驗(yàn)，待反應(yīng)物完全反應(yīng)后，裝置需在通風(fēng)廚中及時清洗。5 課例反思本

13、課例的亮點(diǎn)在于針對有毒氣體自制了兩套實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置往簡約化，試劑往微量化方向設(shè)計，實(shí)驗(yàn)操作安全方便，易攜帶，方便做現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)視頻自己錄制，按反應(yīng)時間截取視頻圖片獲得數(shù)據(jù)及現(xiàn)象。教學(xué)設(shè)計以學(xué)生使用改進(jìn)裝置制取氯水視頻引入教學(xué)，PPT呈現(xiàn)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，設(shè)計問題串，啟發(fā)探究思維，學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究過程中新舊問題交替出現(xiàn)，師生對現(xiàn)象分析由表及里層層深入，撥開疑問，直至揭示氯水多重性質(zhì)。對學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象遠(yuǎn)比教材中描述的更多變，情況更復(fù)雜。如氯分子檢驗(yàn)中，按學(xué)生認(rèn)知水平，理論現(xiàn)象是濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，實(shí)驗(yàn)中是先變藍(lán)后褪色，由此激發(fā)學(xué)生的疑問，從而進(jìn)入新的探索；氫離子的檢驗(yàn)中，新制氯水

14、與大理石、碳酸鈉反應(yīng)現(xiàn)象并不明顯，表明氯水中氫離子的濃度較小。學(xué)生不做實(shí)驗(yàn)會以氯水中含有鹽酸來預(yù)判其強(qiáng)酸性。往平放著的pH試紙中滴加氯水，滴氯水處褪色，外圍變紅，變色速度很快，先后順序不明顯,本文中pH試紙豎放，氯水向上擴(kuò)散須克服重力作用，這將影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。多種色素分別與氯水作用，是為了強(qiáng)調(diào)氯水漂白對象是有機(jī)色質(zhì)，繼而引導(dǎo)學(xué)生查閱對比資料，深入分析次氯酸的漂白原理，如次氯酸不穩(wěn)定，生成氯化氫和新生態(tài)氧：HClOHCl+O,O的氧化能力很強(qiáng)，能破壞有機(jī)色素的結(jié)構(gòu)達(dá)到漂白的效果3。本實(shí)踐側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究基本方法、收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、環(huán)保意識、創(chuàng)新思想、質(zhì)疑精神、求真知等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)：1羅小艷,馬建播.氯水性質(zhì)檢