化学实验教学改革建议之三|高中化学实验器材

　　摘要：深入剖析了作为初等化学教学中的一个重要知识点“溶液”所包含的极为丰富的学科内涵和科学教育的价值。详细分析了“一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制”实验体系的特点，并对该实验教学的实施提出了建议。
　　关键字：化学实验教学；溶液；溶液配制
　　文章编号：1005－6629(2012)7－0003－02
　　中图分类号：G633.8
　　文献标识码：B
　　1　为什么溶液成为初等化学中的一个重要知识点?
　　在初等化学中，“溶液”这一知识点涵盖了溶液的形成、溶液的浓度、一定浓度溶液的配制方法(包括配料计算和配制，容量瓶和天平的使用)，并延伸到溶解度和饱和溶、液(包括溶解度和温度的关系——溶解度—温度曲线的应用)、溶解过程和结晶过程等一系列知识点和实验，形成了一个知识结构完整，逻辑关系明晰的“知识板块”。只有明确了这个知识板块内知识点之间的逻辑关系，同时充分认识到有关溶液的知识在化学学科的学习和应用中的重要性，才能真正地组织好教学过程，并且其中有很多认知过程必须配合实验或实际生活中的体验才能真正地完成。
　　我们都知道，就一般化学反应而言，在选定反应物之后，常用以调控反应进程，包括速率和产物的手段，不外乎温度、浓度和催化剂。由于催化剂具有很高选择性和专一性，需要通过繁复的筛选过程才能确定，并非唾手可得，而且目前还没有发现对全部或大部分化学反应过程都有效的催化剂，因此催化剂不能归入初学者经常使用的调控手段。于是，在初等化学中，只有温度和浓度才是最常用到，也是最容易实现的调控手段。依靠酒精灯或其他方法加热时，对温度的调控一般不要求精确，也不容易做到精确，所以在实验方案中往往用加热方式和体系中发生的现象等来表述。唯有浓度，特别是溶液的浓度，才是比较容易把握并能较精确地对反应进程进行调控的因素。
　　把体积庞大、容易因扩散而泄漏的气态反应物，和因接触面积小、密度差别大、需要不断地进行强力搅拌的固态反应物，用适当的溶剂把它们转化为溶液后，既具有流动性，又可以使得反应物以分子(或离子)状态，均匀地分散在溶剂之中，这时溶液内任何一处发生的反应，都可以代表整个体系在给定浓度下的反应，与所取溶液体积无关(这就是在实验时，更应当关注反应物的大致比例，而不是所取试剂溶液体积的原因。实验讲义上建议的用量，除考虑到反应物的计量关系外，还要求初学者逐步养成用尽可能少的试剂来完成实验的习惯，做到物尽其用)。因为溶液中的化学反应是反应物以分子或离子状态参加的反应，所以只有溶液的浓度才能最直接地反映出它们在发生反应时的有效浓度。以溶液状态进行反应时，反应体系的体积不是由所在容器决定，而是由溶液的体积确定。在反应的整个过程中，虽然反应物和生成物的浓度一直在改变，但是每个瞬间的平均浓度都有“确定值”。在研究反应的动态过程时，这是一个非常重要的特点，它意味着在所涉及的瞬间，浓度不仅可知，而且可以视为“不变”。变量的减少，有助于提高实验结论的确定性。
　　由溶液浓度延伸出来的溶解过程的自发性和溶解度概念，是化学中极为重要的概念。前者属于自然界的一个普遍存在的现象，它不仅是水源组成和所处地理环境密切相关的必然结果，也是半导体掺杂、金属热处理等工艺的理论依据。表现为溶质溶解和通过扩散在溶剂内达到均匀分布过程的自发性(在高中化学选修模块《化学反应原理》中会把这个现象的本质理论化)。
　　在实验中，一定要提醒学生仔细观察和思考固体溶质(或液体溶质)在溶剂中的自动溶解、混合、扩散和均一化现象。这是溶液、气体分散系和其他分散系(如悬浊液、乳浊液、胶体溶液、阴霾、雾气等)的基本区别。后者在形成时往往要借助外力，故而属于热力学不稳定体系，在放置过程中，分散的均匀程度会自动下降(所以沙尘暴或飘尘可以成为某个局部地域的环境问题，却不会视为全球性的污染源)。增加有关实验或要求学生列举日常生活中经常见到的各类分散系，并对其形成过程和分散体系的稳定性进行比较，都可以加深对溶液的认识和提高学习的兴趣。
　　溶解虽然具有自发性，但是不同的物质在同一种溶剂中的“最大”溶解量，并不相同，即存在饱和现象(能够像水和乙醇、乙二醇、丙三醇、乙酸等这样无限混溶的体系不是很多，可暂不考虑)。于是根据溶液达到饱和时溶剂和溶质的数量(体积、质量，或物质的量)比率关系，形成了溶解度的概念，并进一步得出溶解度与体系温度间的依变关系。有趣的是，从温度溶解度曲线可以看到不同物质在水中的溶解度和温度之间的关系及变化趋势并不完全相同，因而这种差别可用于物质的分离和提纯，并成为一种普遍实用的方法。从溶解到结晶成为一种应用广泛的分离提纯方法，其间的逻辑关系和认知发展途径的脉络，十分清晰。这种思维训练，在初等化学教学中，溶液是非常难得的学科载体之一。如果只关注溶液浓度换算、溶解度计算和容量瓶配制一定质量浓度的溶液实验中的基本操作，学生不可能真正领会这个知识板块所包含的极为丰富的学科内容和科学教育的内涵。
　　2　“一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制”实验体系的特点
　　这是一个以训练使用定量类型的化学常用仪器为主的实验，重在基本操作的规范性，和培养严谨细致的科学精神与习惯。此外，这是8个必做实验中唯一的一个使用多种定量仪器的实验。配制一定溶质质量分数的溶液，既要求溶质的质量确定(精度由称量手段决定)，也要求溶液的体积确定(由容量瓶的精度决定)。其次，原则上实验用的溶质和溶剂都应当是纯净物，溶剂为水时，要用蒸馏水(这个条件是否太苛刻了?因为配制后的溶液没有实际用途)。所以有条件的实验室，可以考虑把溶质换成其他实验可用的试剂。如果并不要求精确，也可以不用容量瓶。改用量筒与有刻度的烧杯(和日常生活中的配料方式相似，差别仅在于浓度值的精度)也未尝不可，但是配制溶液时所需计算和基本步骤仍然应该有要求。
　　3　关于“一定溶质质量分数的氯化钠溶液的配制”实验实施方案的建议
　　农村可以把溶质改成某种化肥或专用药液(如种子浸泡液等)，最好不要配制农药。如果配制的是某种功能溶液，建议进行和功能效果相结合的探究活动。即有计划地配制不同浓度的溶液，以备实验之用。探究主题可以包括污水处理、金属腐蚀或防腐措施、植物培育、菌株培育或杀灭等等。
　　如有可能，可以把粗盐提纯实验安排在此实验后进行，和课堂教学起到互补的作用，探究j生学习的全过程都可以体现。其中以形成溶液时溶解的自发性和用结晶法提纯时结晶条件的控制最为有趣。
　　4　其他探究活动的建议
　　(1)建议部分学生探索配制溶液(包括稀释、不同浓度溶液相混)时可行的速算法(如十字交叉法、绘制速算表等)。
　　(2)如果进行探究性实验，溶液浓度影响应纳入实验总结，并鼓励用图形表述。这类实验可用以验证浓度的影响。例如农药浓度对虫害的抑制作用——有效浓度的范围，化肥溶液浓度在使用对象不同时的合理范围等均可成为与本实验相关的探究性活动内容。
　　(3)至于常见酸碱溶液浓度对某些化学物质作用(如反应速率、反应产物、过程与现象等)的影响，建议放在酸碱性质的实验中进行。
　　5　几点补充
　　(1)溶液浓度对化学体系变化过程影响的认识，可以扩展为浓度对某个特定效应影响的认识。这种扩展之所以重要，因为目前能够观察到的化学现象，实际上是由大量微粒的变化共同提供的，当微粒(包括反应物和产物)数量达不到现有仪器设备检出极限(或极限浓度)时，实验值只能定为零，亦即认为无效应或其效应可以忽略不计。应当认为，这种处理方式意味着化学实验结论必然存在着不确定性。这类事例在科学史上并不罕见。所以也可以认为，化学的进步和观测极限的逐步推进密切相关，体现了科学和技术之间的相互促进的关系。
　　(2)建立“有效浓度”的概念，是初等化学的基本任务之一，而且只有建立了物质的微粒观之后才能实现。所以，物质的量单位的学习和运用、溶液配制的实验，都应当着眼于微粒观和有效浓度概念的形成。
　　(3)“有效”浓度(或组成比率)通常以某个确定的范围表示，如可燃气与空气混合物的爆炸极限、食品医药中化学成分含量标准等，并非仅指范围的下限。所以平常所说的“有效”同时包括浓度的上限和下限。例如药物用于治疗时，如果剂量介乎有效范围之内，均可视为有效，高于上限时将产生毒性效应；低于下限时，则认为无益于治疗。这是正确认识和处理环境保护、食品医药卫生安全等问题的基础。