中学化学实验研究(科学教育).doc

中学化学实验研究
讲义
化学（师范）专业用

秦浩正 主编

上海师大生环学院
2013.2

前 沿
化学是以实验为基础的科学。化学实验既是科研工具，也是化学教学的工具。做化学实验要多观察、多动脑，不但要关注实验原理、现象，还要注意操作技术。对于师范生，研究化学实验、做好化学实验更是科学教师的基本功。中学科学实验的化学篇向师范生提供重温和进一步巩固化学实验能力的机会，并从教学的角度重新认识那些看似不太复杂的中学化学实验。
化学篇共30课时，理论讲解、复习和仪器洗涤占6课时，其余24课时安排8个实验。其中3个来自初中、4个来自于高中，还有1个课外化学兴趣实验。从定性实验和定量实验分，有5个定性试验和3个定量实验。
怎样学好中学科学实验的化学篇呢？第一是要有认真的学习态度，其次是要做好预习。预习实验的原理、预习实验的操作要领，在预习中要强调思考，明白每一步实验的道理，避免“照方抓药”的学习方式……做化学实验是对一个人综合能力的培养和考验，希望每一位同学在修习化学篇的过程中经受住考验，综合能力得到长进。
实验一 几种常见溶液的配制
一 背景知识
配制溶液是中学化学的基本实验技能。初中化学要求学生能学会配制一定质量百分比浓度的溶液，高中化学则要求学生能够掌握配制一定物质的量浓度的溶液。本实验将帮助师范生重温配制一定浓度常见溶液的过程，体验实验过程中的操作要点，为未来指导学生实验打好基础。
二 实验目的
1 学会配置一定百分比浓度和摩尔浓度的溶液。
2 掌握实验过程中的操作要点。
三 实验内容
1 配制5%氯化钠溶液100克
2 配制5%硫酸亚铁溶液50克
3 配制1mol/L硫酸100毫升
四 实验原理
1
2
3
五 实验仪器和药品
1 仪器：托盘天平、量筒、称量纸、研钵、容量瓶、烧杯、滴管、试剂瓶、玻棒
2 药品：食盐、绿矾、浓硫酸、蒸馏水、铁钉
六 实验步骤：
1 配制100克5%氯化钠溶液的步骤
（1）计算 求算出配制100克5%的氯化钠溶液需氯化钠和水多少克。
（2）称量 称量5克氯化钠和95毫升蒸馏水。
（3）溶解 用量筒量取95毫升蒸馏水注入200毫升的烧杯内，在将前面称得的5克氯化钠加入，用玻璃棒搅拌，使其溶解，即得100克5%氯化钠溶液。
2 配制50克5%硫酸亚铁溶液的步骤
（1）计算 求算出配制50克5%的硫酸亚铁溶液需绿矾和水多少克。
（2）称量 4.57克绿矾和45.43毫升蒸馏水。
（3）溶解 用量筒量取45.43毫升蒸馏水注入100毫升的烧杯内，在将前面称得的4.57克绿矾加入，用玻璃棒搅拌，使其溶解，即得50克5%硫酸亚铁溶液。
3 配制100毫升1mol/L硫酸溶液的步骤：
（1）计算 求算出配制100毫升1mol/L硫酸溶液需浓硫酸的体积。
（2）称量 用10毫升的量筒量取所需的浓硫酸。
（3）溶解 在80毫升的小烧杯中倒入一些水，用玻璃棒将浓硫酸缓慢引流之水中，不断搅拌。
（4）转移 将硫酸溶液转移至100毫升容量瓶中。
（5）定溶 往容量瓶中加蒸馏水至离刻度1到2厘米处，改用胶头滴管至刻度线。
（6）摇匀。按住容量品瓶瓶塞颠倒摇匀，反复进行三次。
七 实验记录：
实验步骤和现象

八 思考题
1 实验室配制硫酸亚铁溶液时常加适量酸和铁钉，试说明其原因。
2 物质的量浓度是一种“体积”浓度，配制的主要步骤有哪些？
3 在配制1mol/L的氯化钠溶液时，称取58.5g氯化钠并直接溶解于1L水。这样做正确吗？
4 你认为在指导学生做配制一定浓度溶液时，应抓住哪些要点？
九 参考书目
1 化学实验精义（初中），陈耀亭等主编，四川科学技术出版社，成都，1989年12月
2 中学化学实验大全，刘正贤主编，上海教育出版社，上海，1994年12月第一版
实验二 氧气制取和性质
一 背景知识
在初中化学中，氧气历来是学习的重点。做好制取氧气和氧气性质的实验对于成功地进行教学十分重要。另外，氧气的制取还是“固体 + 加热”制取气体的典型实验。
二 实验目的
1掌握氧气制取和性质实验。
2体验实验过程中方法和操作的要点。
三 实验内容
1 以氯酸钾为基本原料制得并收集4集气瓶氧气
2 完成氧气化学性质的实验：跟硫粉反应；跟细铁丝反应；使余烬木条复燃
四 实验原理
1 氯酸钾在400℃分解产生氧气，如果用二氧化锰催化，分解温度大约降低到200℃。产生的氧气可以用排水集气法收集。
2KClO3 → 2KCl +3O2↑ (MnO2催化并加热)
2 硫、木条可在空气中点燃，在氧气中燃烧更剧烈。铁丝在空气中不能燃烧，在氧气中可以点燃。
S + O2 → SO2（点燃） 3Fe+2O2 → Fe3O4（点燃）
3 使余烬木条复燃，是检验氧气的实验室检验氧气的方法。
五 实验仪器和药品
1仪器：大试管、单孔塞、集气瓶（4只）、橡皮管、弹簧夹、铁架台、试管夹、煤气灯、燃烧匙、水槽、火柴，木条（或线香）
2药品：二氧化锰、氯酸钾、木条、细铁丝、硫磺
六 实验步骤
1 按图搭建装置，检查气密性。
2 制取并收集四集气瓶氧气（氯酸钾6g；二氧化锰2g）。
3 完成余烬木条在氧气中复燃的实验。
4 完成硫在氧气中燃烧的实验。
5 完成铁丝在氧气中燃烧的实验。
七 实验记录
实验步骤和现象

八 思考题
1 怎样做才能不浪费氯酸钾？
2 你认为在指导学生做氧气制取实验时，应抓住哪些要点？
3 改造本实验，设计一个能证明二氧化锰是催化剂的实验方案。
九 参考书目
1 化学实验精义（初中），陈耀亭等主编，四川科学技术出版社，成都，1989年12月
2 中学化学实验大全，刘正贤主编，上海教育出版社，上海，1994年12月第一版
实验三 氢气制取和性质
一 背景知识
在初中化学中，氢气历来是学习的重点。做好制取氢气及氢气性质的实验对于成功地进行教学十分重要，氢气的制取还是“固 + 液体”制取气体的典型实验。
二 实验目的
本实验将帮助师范生重温氢气制取和性质实验，体验实验过程中方法和操作的要点，以及启普发生器（包括简易装置）的奥妙，为未来指导学生实验打好基础。
三 实验内容
1 设计具有启普发生器功能的简易装置；
2 用简易启普发生器制取氢气；
3 完成氢气性质的实验：可燃性；爆鸣实验；还原氧化铜；吹氢气泡。
四 实验原理
1活泼金属与酸作用会产生氢气；实验室中通常利用启普发生器（见图1）来制取氢气，实验室常用锌和稀盐酸或稀硫酸来制取氢气，反应方程式如下：
图1 启普发生器

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
Zn + H2SO4 → Zn SO4 + H2↑
2氢气具有可燃性，在空气中可以被点燃。当氢气与空气混合到一定比例范围时，遇明火会发生爆炸。
3氢气具有还原性，在加热条件下可以跟一些金属氧化物反应，置换出金属。
五 实验仪器和药品
1仪器：具有支管的试管、大试管、单孔塞、长颈漏斗、橡皮管、弹簧夹、铁架台、试管夹、玻璃管、煤气灯、火柴、塑料漏网、塑料杯（自备）。
2 药品：锌粒、稀硫酸或稀盐酸、氧化铜、肥皂水。
六 实验步骤
1如图一搭建简易启普发生器，并检查气密性；
2加入30ml左右稀硫酸和约10粒锌粒，打开活塞制取氢气。
3确认氢气纯净后，再点燃。

图2 建议启普发生器
4 如图3在塑料杯中收集氢气，点燃爆鸣。

方法 一 方法二
图3 氢气爆鸣装置
5 如图4将氢气通入装有加热的氧化铜，完成氢气还原氧化铜的实验。

图4 氢气还原氧化铜装置

七 实验记录：
实验步骤和现象

八 思考和小结
1再设计一种新的简易启普发生器。
2在氢气还原氧化铜实验中，你会提醒学生注意哪些关键现象？
3对本次实验进行小结。
九 参考书目：
1《中学化学实验大全》，刘正贤 主编，上海教育出版社，上海，1994年版
2《中学教学全书》，杨德壬 主编，上海教育出版社，上海，1996年版
实验四 测硫酸铜晶体的含水量
一 背景知识
在中学化学中，测硫酸铜晶体的含水量是少数定量实验之一，具有这类实验的代表意义，在这个实验中还涉及到加热、称量等基本的试验步骤，不失为一个培养学生试验操作能力的好试验。
二 实验目的
本实验将帮助师范生熟悉测硫酸铜晶体含水量的实验，复习定量实验的基本方法和要求，为未来指导学生实验打好基础。
三 实验内容
测定硫酸铜晶体的含水量
四 实验原理
1硫酸铜的结晶水合物在加热情况下会失水，不同温度失水的量不同。258℃时完全失水成为无水硫酸铜。
2根据硫酸铜晶体样本失水前后的质量，可以求出样品硫酸铜晶体平均结晶水含量。
五 实验仪器和药品
1仪器：托盘天平、称量纸、研钵、瓷坩埚、坩埚钳、泥三角、铁架台、铁圈、煤气灯、火柴、干燥器。
2 药品：硫酸铜晶体
六 实验步骤
1 研磨：在研钵中将硫酸铜晶体研碎。
2 称量：准确称量坩埚质量和硫酸铜晶体质量（3g左右）。
3 加热：（如右图）将盛有硫酸铜晶体的坩埚放在三脚架上面的泥三角上，缓慢加热，直到蓝色硫酸铜晶体完全变成白色粉末，且不再有水蒸气逸出。然后将坩埚放在干燥器里冷却。
4 称量：冷却后，称量坩埚和无水硫酸铜的质量。
5 再加热称量：把盛有无水硫酸铜的坩埚再加热，然后放在干燥器里冷却后再称量，记下质量，到连续两次称量的质量差不超过0.1g为止。
6 数据处理和计算：处理原始数据，计算样品平均含水量。
七 实验记录
实验步骤和现象

八 思考和小结
1 有的同学加热硫酸铜晶体后，晶体变成了灰黑色固体，这是什么原因？
2 定量实验如操作不慎，常会引起“偶然误差”。那么本实验中有哪些因素会造成误差，误差是偏大还是偏小呢？请予以分析。
3 让学生动手做“硫酸铜晶体中结晶水含量测定”前，你在教学上会做哪些安排呢？
4 对本次实验进行小结。
九 参考书目
《化学》高中二年级第一学期（试验本），上海中小学课程教材改革委员会，上海科学技术出版社，上海，2003年版
实验五 水的电解
一 背景知识
在初中化学中，常通过电解水的实验帮助学生认识到水是由氢、氧两种元素组成的。同时，在这个实验中又可以复习到氢气和氧气的一些性质，而且这个实验还要用到电学仪器，因而也可以让学生体会到使用适当仪器对实验的重要意义。
二 实验目的：
本实验将帮助师范生熟悉用霍夫曼电解器（右图）完成电解水的实验，通过检验电解产生气体可以得知水是由氢元素和氧元素所构成的，同时通过氢气与氧气的体积比约为2﹕1，可得出水中氢与氧的个数比2﹕1，从而可以确定水的分子式。
三 实验内容：
1用电解法证明水中含有氢元素和氧元素；
2电解产生的氢气和氧气的体积比为2∶1，从而确定水的组成。
四 实验原理：
1水在通电情况下会发生电解，电解的阴极产物为氢气、阳极产物为氧气，其体积比为2∶1，从而确定水的组成。
2由于纯水导电能力太弱，电解速度太慢，不适合演示。为解决这个问题，通常可以加入硫酸等，增大水的导电能力。
五 实验仪器和药品：
1仪器：霍夫曼电解器、直流稳压电源、试管夹、铁圈、铁架台、煤气灯、火柴、木条。
2药品：蒸馏水、浓硫酸。
六 实验步骤：
1按右图装配好霍夫曼电解器，并检查装置的气密性；
2配制1.5%的硫酸溶液50ml。将稀硫酸装入电解器，并不能留有气泡；
3 接通电源，计时、记录阴极和阳极气体的体积；
4 分别检验阴极和阳极的气体。
七 实验记录：
实验步骤和现象

八 思考和小结：
1通过调节哪些因素可以加快电解水反应的速度？
2你会怎样利用电解水的实验来开展水的组成的教学呢？请设计一个教案。
3对本次实验进行小结。
九 参考书目：
《中学化学实验大全》，刘正贤 主编，上海教育出版社，上海，1994年版
实验六 乙酸乙酯的制取
一 背景知识
乙酸乙酯的制取是高中化学少数几个有机物制备实验之一。在实验中，学生既要体验有机物制备的一些特点，同时还要学习分离有机物的一些技术。所以，本实验具有一定的综合性。本实验将帮助师范生熟悉乙酸乙酯的制取，为未来指导学生实验打好基础。
二 实验目的
1 学习制备一般的有机物
2 学习分离有机物的一些技术
三 实验内容
1 通过酯化反应制备约10ml乙酸乙酯粗品
2 纯化乙酸乙酯
四 实验原理
1 乙酸和乙醇在浓硫酸作用下发生酯化反应，生成乙酸乙酯和水
CH3COOH+CH3CH2OH CH3COOCH2CH3+H2O
浓H2SO4

2 生成的乙酸乙酯沸点低，不溶于水，密度比水小，有特殊的香气
五 实验仪器和药品
大试管、试管、单孔塞、量筒、分液漏斗、小烧杯、橡皮管、铁架台、石棉网、试管夹、煤气灯、火柴，、温度计、乙酸（无水）、乙醇（无水）、浓硫酸、碳酸钠（固体）
六 实验步骤
方法1：
（1）按图1装配仪器
（2）在试管中加入6ml乙醇和4ml醋酸，缓缓加入4ml浓硫酸
（3）在试管中加入碎瓷片后，将试管放在沸水浴中加热5min
（4）用滴管将上层清液取出，用饱和碳酸钠溶液洗涤
方法2：
（1）按图2装配仪器
（2）在试管中加入6ml乙醇和4ml醋酸，缓缓加入4ml浓硫酸
（3）在试管中加入碎瓷片后，用小火加热
（4）将馏出的液体加入饱和碳酸钠溶液，用分液漏斗分离出上层清液

图1 图2

七 实验记录
实验步骤和现象

八 思考和小结
1 中学学生实验“乙酸乙酯的制取”有的采用直接加热法，有的采用水浴法。请予以评述。
2 用酯化反应制备乙酸乙酯，粗品中通常会有哪些杂质，如何去除？
3 对较复杂的实验装置，教师通常会为同学讲解装置的要点。本实验装置的要点是什么？
4 对本次实验进行小结。
九 参考书目
1 中学化学实验大全，刘正贤主编，上海教育出版社，上海，1994年版
2 化学实验精义（高中），陈耀亭等编，四川科学技术出版社，四川，1991年版

实验七 微型实验
一 背景知识
微型实验用药少、污染小，而且装置简单，易于观察，适合学生的动手。但是要设计好微型实验却不是一件简单的工作。本实验将为师范生提供一次探索微型实验的机会，发挥创造力，以提高实验设计的能力，为未来指导学生实验打好基础。
二 实验目的
1 亲身感受微型实验简单、安全等的特点
2 提高微型实验设计的能力
三 实验内容
1 微型卤素性质的实验（氯气发生，卤素互换反应）
2 微型原电池反应的实验（铜锌原电池）
3 微型铅蓄电池实验（点亮小电珠，多次重放电）
四 实验原理
1 浓盐酸与高锰酸钾反应生成氯气
2KMnO4+16HCl→2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑
2 氯气可以跟碘化钾、溴化钠发生置换反应
2KI+Cl2→2KCl+I2 2NaBr+Cl2→2NaCl+Br2
3 活泼性不同的金属跟电解质溶液可以组成原电池，将化学能转化为电能
4 铅蓄电池在充电时可以储存电能，放电时提供电能
五 实验仪器和药品
玻管、滴管、胶头、毛玻片、表面皿、电压表（微安）、直流稳压电源、浓盐酸、高锰酸钾（固）、碘化钾溶液、溴化钠溶液、碱石灰、锌片、铜片、1∶4硫酸、铅条（两根）、滤纸
六 实验步骤
1 按图制作w型管，并完成微型卤素性质的实验

HCl
KMnO4
NaBr

2 按图装置，完成原电池实验
Zn
Cu
浸满硫酸的滤纸

3 按图装置，完成蓄电池反应
Pb
Pb
H2SO4

七 实验记录
实验步骤和现象

八 思考和小结
1 用化学方程式表示本实验的实验原理
2 通过微型实验的实践，你如何认识这类实验的教学功能呢？
3 对本次实验进行小结。
九 参考书目
1 中学化学实验大全，刘正贤主编，上海教育出版社，上海，1994年版
2 中学教学全书，杨德壬主编，上海教育出版社，上海，1996年版
实验八 制作叶脉书签
一 背景知识
课外活动常选取一些有趣的实验活动。通过课外实验活动不但可以提高学生学习化学的兴趣、巩固课堂学习的知识，更可以让学生在探索的过程中学习化学，从各个方面提高学生的科学素养。
二 实验目的
1 激发学生学习化学的兴趣
2 提高学生的科学素养
三 实验内容
制作几张叶脉书签
四 实验原理
叶肉遇到腐蚀性液体就会发生腐烂。经过加热，它会腐烂得更快。叶脉比较坚韧，不容易被腐蚀。因此，可以将一些叶片坚硬、叶脉坚韧的树叶制成叶脉书签。
五 实验仪器和药品
烧杯、玻棒、毛玻片、镊子等、叶片、碳酸钠、氢氧化钠
六 实验步骤
1选叶脉粗壮、细密、叶肉较厚的叶片备用。
2将碳酸钠5g、氢氧化钠7g溶解于约200ml水中，加热煮沸。
3把叶片投入杯中，煮约10min。要用镊子翻动叶片，均匀腐蚀。
4煮完后将叶片夹出，放人清水中漂洗，然后用牙刷刷去叶片中叶脉以外的部分。
5将叶片夹在干燥的纸张中干燥。

注：可根据需要将叶脉标本染成各种颜色。
七 实验记录
实验步骤和现象

八 思考和小结
1 实验操作中有哪些是关键步骤？
2 对本次实验进行小结。
九 参考书目
1 中学化学实验大全，刘正贤主编，上海教育出版社，上海，1994年版
2 中学教学全书，杨德壬主编，上海教育出版社，上海，1996年版
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