“氢气的制取和性质”实验创新设计和资源整合.pdf

24实验改进中小学实验与装备2 0 2 3年第4期第33卷“氢气的制取和性质”实验创新设计和资源整合福建省厦门市第二外国语学校(36 110 0)福建省厦门市同安区教师进修学校(36 110 0)福建省厦门市翔安第一中学(36 110 1)摘要：通过“变简易装置为微型启普发生器”“改教材验纯操作为点燃气泡”“换玻璃导管为铁制导管”“增一体化量气装置”等改进，实现氢气的制取、干燥、性质检验、验纯、收集、体积测量等一体化操作。整合和创新后的实验设计，充分体现了微型化、一体化、绿色化等特点，有利于提升学生科学探究与实践、科学思维与创新、科学态度与责任等核心素养。关键词：氢气的制取和性质；微型化；一体化；绿色化；实验改进郑明贤林丽璇洪兹田制反应的发生与停止。使用大试管直接收集氢气1问题的提出进行实验，既未实现氢气的净化，又浪费药品化学实验是科学探究的重要途径 。化学实验探究离不开化学实验装置，“工欲善其事，必先利其器”，一套设计合理的实验装置能激发学生学习兴趣，帮助学生理解化学原理。对教材实验进行创新设计及资源整合有利于培养学生的“科学探究与创新意识”素养。化学实验可从生活化、趣味化、绿色化、集约化（也称为一体化）、微型化、可视化等视角进行创新设计 2 。对化学实验装置进行“微型化”“一体化”创新设计时应注意：“微型化”实验时应确保实验绿色便捷且不削弱对现象的观察，做到“微而不弱”；“一体化”实验时应确保实验整体的科学性、简约性，做到“整而不乱”3。9年级化学教材包含了氧气、二氧化碳和氢气等三大气体的制取和性质实验。由于知识建构的阶段性和课标的要求不同，教材对“氢气的制取及性质”的介绍远比“氧气（或二氧化碳）的制取和性质”分散，主要分布在上册的第4单元课题3“水的组成”、第7 单元课题2“燃料的合理利用与开发”和下册第8 单元课题2“金属的化学性质”等课题。同时，存在制取装置不绿色、验纯操作不妥当、燃烧火焰非蓝色等缺陷，此外,还缺少氢气的还原性、密度验证的实验探究及定量测定装置。具体体现如下：1.1制取装置不绿色教材使用简易装置（如图1）制取氢气，无法控基金项目：本文为福建省中青年教师教育科研项目（基础教育研究专项）“指向证据推理与模型认知的初中化学实验教学研究”（项目编号：JSZJ21070）研究成果。一稀硫酸宣锌粒图1实验室制取氢气的简易装置1.2马验纯操作不妥当教材采用手指握住试管、拇指堵住试管口，靠近火焰，移开拇指点火来检验氢气纯度（如图2）。这种方法易烧到手，导致许多学生不敢操作。1.3燃烧火焰非蓝色教材选择在尖嘴的玻璃导管口点燃氢气（如图3）。由于玻璃中钠元素焰色试验的干扰，氢气火焰实则黄色非蓝色，与教材的实验结论不相符。图2 检验氢气的纯度图3氢气在空气里燃烧1.4还原性装置缺失教材对如何验证氢气的还原性并未过多描写，稀硫酸宣锌粒/H2第33卷教学中教师引导学生迁移应用一氧化碳还原氧化铁装置。但该装置复杂，操作困难，安全性欠缺，实验成功率低,因此教师常以视频代替演示。1.5密度验证及定量测定未涉及教材中未涉及氢气密度的验证实验，仅通过文字描述直接得出结论：氢气密度比空气小。这样的教学处理，学生无法具体感知，只能机械记忆该结论。教材也未设计一套能准确测定气体体积的装置,不利于学生定量思维发展及科学研究素养的提升。2实验创新思路实验改进与创新设计的关键在于解决问题，设计的指向应聚焦于学生实验探究能力和学科核心素养的培养 3。复习课教学时可尝试进行实验资源整合和重构设计。基于化学实验体系三要素，整合氧气、二氧化碳和氢气的制取和性质实验，帮助学生建立氢气的制取和性质实验的思维模型 4。引导学生改进教材中实验装置，进行微型化、一体化的创新设计，让学生更直观、更高效地探究氢气的制取和性质，有效提高学生科学探究的活动参与度、证据推理的思维活跃度。实验创新设计思路如下：2.1变简易装置为简易启普发生器改进后可随时控制反应的发生与停止,并以W型玻璃导管作为性质验证仪器，实现氢气的制取、净化、验纯、性质验证一体化、微型化，操作方便并节约药品，提高实验成功率、反应效率以及安全系数。2.2改直接点燃为点燃气泡按图4的改进，安全性得到提高，学生由心存畏惧变为敢于动手实验。氧化铜碱石灰锌粒稀（干燥）酸图4改进后的实验装置-2.3换玻璃导管为铁制导管按图5 的改进，点燃氢气可观察到淡蓝色火焰，避免了钠元素焰色试验颜色的干扰。2.4增一体化量取体积装置按图6 的改进，利用连通器的原理，通过调节两边液面高度，平衡装置内外压强，收集并准确测中小学实验与装备2 0 2 3年第4期碱石灰锌粒一稀（干燥）硫酸图5 改进后的实验装置一一点燃氢气定氢气的体积。氧化铜碱石灰锌粒稀（干燥）图6 改进后的实验装置一收集并测定氢气体积微型化、一体化的实验装置，将氢气的制取、干燥、性质检验、验纯、收集和体积测量一整套整合起来,达到预期的实验目的。3实验实施过程3.1实验用品(1)实验器材：微型启普发生器、单孔橡胶塞、W型玻璃管、胶皮管、酒精灯、球形干燥管、玻璃导管、铁制导管、小木条、打火机、烧杯、止水夹、水准管、量气管。（2)实验药品：锌粒、稀硫酸、氧化铜、碱石灰、无水硫酸铜、洗洁精液、水。3.2实验步骤3.2.1连接装置并检查装置气密性按改进后的实验装置连接好仪器，从简易启普发生器的长颈漏斗加入水形成液封，利用止水夹关闭连接玻璃导管的胶皮管,继续加水形成一段稳定水柱，说明该装置气密性好。3.2.2装入药品，准备开始实验无水硫酸铜在微型启普发生器隔板上放锌粒,球形干燥管（验证还原产物）中装碱石灰。W型玻璃管左端加人氧化铜,右端加人无水硫酸铜（如图7）。一一验纯25氧化铜无水硫酸铜（验证还原产物）无水硫酸铜（验证还原产物）3.2.3探究氢气的密度并验纯往微型启普发生器的长颈漏斗中加人稀硫酸，松开止水夹,反应开始。将洗洁精液涂在玻璃导管尖嘴口,鼓出氢气泡泡，当泡泡足够大时，轻轻吹动气泡，让氢气泡泡脱离管口，观察到氢气泡泡向上飞。用木条点燃氢气泡泡，可以看到空气中燃烧的火团（扫图8 观看实验视频）。该实验不仅可以验量气管26锌粒证氢气的密度比空气小，而且完成了氢气的爆炸实验。将气体通人洗洁精液中，形成气体泡泡，用燃着的木条点燃泡泡，听到爆鸣声，说明氢气不纯（扫图9 观看实验视频）；听到声音很小，说明氢气纯净（扫图10 观看实验视频），可以开始进行氢气的性质验证。图8 氢气密度验证图9 验证氢气及爆炸实验纯度(不纯)图10 验证氢气纯度(纯）3.2.4探究氢气的可燃性用铁制导管代替玻璃导管，点燃氢气。观察到导管口有淡蓝色火焰，火焰上方罩一干冷的烧杯，发现烧杯发烫，内壁有水雾生成，说明氢气具有可燃性，且燃烧生成水蒸气。3.2.5探究氢气的还原性点燃酒精灯，先对W型玻璃管预热后对准黑色氧化铜固定加热。2 0 s后观察到氧化铜固体由黑色变红，无水硫酸铜由白色变蓝（扫图11观看实验视频），说明氢气具有还原性。反应结束应及时移开并熄灭酒精灯，避免玻璃管炸裂或熔化。3.2.6收集并准确测定氢气体积关闭止水夹，液面逐渐下降至锌粒的下方,反应停止。排出连通器左侧水准管及导管的空气后，再连接至装置后端。打开止水夹，反应开始，水准管液面下降，量气管中液面上升，开始收集氢气。值得注意的是，测定产生氢气的体积，应先调整连通器两边使液面高度相平后再进行读数。中小学实验与装备2 0 2 3年第4期4实验创新设计反思碱石灰无水硫酸铜氧化铜图7 改进后的实验装置药品第33卷4.15安全保障，培育科学探究与实践能力本实验装置集氢气的制取、干燥、性质检验、验纯、收集、体积测定等多种功能于一体，实现了实验装置的微型化、一体化、绿色化。使用点燃气体泡泡的方法进行验纯，简单方便，解决了可燃性气体爆炸的安全问题,使教师易于演示,学生敢于操作，提升了知识的直观化,探究的趣味化。改进后的实验仪器“微而不弱”，装置更加简洁，操作更加方便,现象更加明显，安全更有保障。让学生充分参与、体验、理解、改进、创新实验，达成自我体验、自我感识、自我提升，培养学生尊重事实、勇于创新、敢于探索的科学素养，培育学生科学探究与实践能力。4.2逻辑整合，发展科学思维与创新意识本实验装置将教材零散、孤立的实验进行逻辑整合，2 0 s即可观察到氢气还原氧化铜反应现象，提高课堂效率的同时增强实验的可信度,增进学生对学科知识的学习理解。改进后的一体化实验仪器“整而不乱”，有助于学生建立常见气体制取、净化、验纯、性质验证、收集以及定量测定的思维模型。引导学生依据该模型探究氢气实验，并对实验证据加以分析推理,对不同的方案与观点提出自己的见解，发展学生的科学思维与创新意识。4.3绿色理念，增强科学态度与责任担当本实验装置药品用量少，实现低成本、污染少，达到实验现象明显、高效、安全的要求，帮助学生逐步形成绿色化学观念，培养学生节约资源、保护环境的可持续发展观念。验纯操作的改进，培养学生的动手能力，提升学生安全意识和严谨求实的科学态度，增强学生的科学态度与责任担当。参考文献图11氢气还原1中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2 0 17氧化铜实验年版2 0 2 0 年修订）M.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2洪兹田，陈女婷.初中化学实验创新设计的新视角J.实验教学与仪器,2 0 15,32(0 2)：35-36+5 6.3刘贝贝，严文法.中学化学实验改进与创新设计的误区及应然路径 J.化学教学,2 0 2 0（12）：6 7-7 2.4洪兹田,罗德炳，张贤金.基于学科核心素养培养的高三化学复习教学重构：以“有机制备实验”复习教学为例 J.化学教学,2 0 19(0 6):6 0-6 5.收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 9