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化学实验设计

2010/01/15 阅读:

在化学实验教学中,指导学生学会化学实验方案的设计与评价,是培养学生综合能力的重要的教学方法。通过实验的设计,能够提高学生化学实验知识和技能的水平,培养信息提取和加工能力、分析判断能力和创造能力。化学实验方案的设计是对于选定的化学实验内容,根据化学实验的目的和要求,分析相关的化学原理,运用所掌握的化学知识和技能,对实验的方法、过程以及需要的仪器装置和试剂所进行的规划设计。包括实验方案的设计、实验准备工作、实验的实施过程、实验数据的处理以及结果的预期。

实验评价是根据实验目的和要求,对现有的多种实验方案进行科学论证和对比评判,选择最佳方案,并且加以必要的改进。

1实验设计教学的基本要素

1.1实验设计教学的目的和要求

(1)培养学生实验知识与技能的综合应用能力。

(2)根据实验试题要求,运用掌握的化学知识设计一些基本实验。

(3)能绘制和识别典型的实验仪器装置图。

(4)根据观察到的实验现象,记录、分析和处理(计算)实验数据,作出正确结论。

1.2实验设计的原则

实验设计应遵循科学合理、简便易行、安全环保、节约快捷、效果明显等原则。

(1)符合科学性:科学性是化学实验方案设计的首要原则,要求设计中的实验原理、实验操作方法和程序没有科学性错误,并能出现预期的实验现象,产生正确的实验结果。

(2)安全性:要尽量避免使用有毒药品和进行危险性高的操作。

(3)可行性:所选的化学药品、仪器、设备等在现有的实验条件下能够获得满足。

(4)简约性:采用简单的实验装置,用较少的实验步骤和实验药品,能在较短时间内完成实验。在温度和压强方面尽量采取常规的条件,催化剂使用容易得到并且效果显著的。

(5)经济性:在不影响实验效果的前提下,要尽量减少化学药品的用量,一方面可降低实验成本,另一方面也可减少对环境的污染。应用微型实验在这方面有较大优越性。

(6)无污染:在使用易燃、易爆、强腐蚀和有毒药品进行实验时,要考虑尾气和实验废弃物的处理,最大限度地减少对环境的污染。

1.3实验设计的思维模型

实验设计是一个从信息收集整理、加工处理到付诸实践并能预期结果的完整的思维程序,如图所示:

2实验设计的一般过程

化学实验设计重在培养或考查把已有知识和技能运用于新情景的能力,所选择的课题往往是没有直接实践过的。在设计过程中时,能够从题目中接受信息,分析评价信息,选择并整合新信息与已有知识,以解决实验设计的新问题。大致过程与思路如下:

2.1信息的获取

接受、分析和筛选信息,主要是解决以下问题:理解实验课题,了解实验条件,明确设计要求。需要迅速、全面地提取题目中的重要信息,把信息归类,并对各个信息在实现实验设计中的作用进行分析和判断。根据实验目的和要求,阐明实验原理,分析现有仪器和药品的作用,选择合适的仪器和药品。

2.2实验设计构思

根据实验目的和要求,设计实验的基本思路和方法,勾画实验装置草图。通过对新旧信息的加工开发,描述实现指定的实验设计规划。根据实验设计的要求及解决问题的顺序分析,这种构思包含两个层次:一是实验方法的选定,这是从总体上考虑实验方案的设计。实验方法主要取决于实验原理,并受实验条件的制约。二是实验装置和实验操作设计。实验装置和操作的设计都是为了具体实施实验方法,完成预定的实验任务,实际上就是实验方案细节的设计,这部分的设计主要的是体现实验基础知识与基本技能的应用。

根据实验的要求,设计可行的操作步骤和观察重点,分析实验中应注意的事项(如反应过程中是否需要除去杂质及尾气处理等)。

2.3实验设计内容

(1)根据命题要求,说明设计该实验的化学原理,并画出实验装置图。

(2)列出实验所需的仪器和试剂。

(3)确定实验操作步骤,说明实验中应注意的事项。

(4)提示观察、记录实验现象,分析实验结果(包括写出有关的化学方程式)。

(5)提出实验数据的记录和处理及计算方法。

(6)拟定完成实验后对实验结果对照预期目的进行分析、评价及实验报告撰写。

3实验设计与评价能力的训练

3.1根据实验命题设计基本实验方案

设计简单实验方案,通常有:验证某个化学原理;确定某混合物中组分的实验;定性和定量分析;实验操作顺序设计等。这些简单实验的设计,综合性较强,能强化思维训练,要求学生联系所学过的实验知识和技能,进行知识迁移和重组,全面而细致地思考,才能设计出正确的方案。实例:现有浓硝酸、稀硫酸、稀硝酸、FeCl3稀溶液及pH试纸,而没有其它试剂。设计最简便的实验方法来检验CuO经氢气还原所得到的红色产物中是否含有Cu2O。

设计思路:Cu2O是碱性氧化物,能跟稀硫酸反应,生成的Cu+在酸性溶液中不稳定,可发生自身氧化还原反应生成Cu2+和Cu。Cu2+在水溶液中呈蓝色,而Cu不跟稀硫酸反应。因此可以设想,若CuO被H2还原的产物全部是Cu,将其放入稀H2SO4中,将无变化;若红色产物中含有Cu2O,将其放入稀H2SO4中,会生成Cu2+使溶液变成蓝色。

分析所给试剂是否可用,因为浓H2SO4、浓HNO3、稀HNO3以及FeCl3都有较强的氧化性,不论红色产物是否含有Cu2O,在上述物质中均会被氧化为Cu2+,无法检验是否存在Cu2O。而pH试纸也不起作用。所以最简便的检验方法是取少量该红色物质放入稀H2SO4中,振荡,若溶液变为蓝色,说明产物中有Cu2O,否则说明产物中无Cu2O。

3.2实验装置的创新性设计与评价

对教材中的实验装置进行合理的改进,通常都是实验设计创新的切入点。传统的氯气实验室制法,是用浓盐酸与MnO2在烧瓶中加热,加上洗气和尾气处理,实验装置较复杂,操作麻烦,而且容易泄露尾气。

本着简便、节约、省时、环保等原则,将本实验装置改进设计如图:

实验试剂有:浓盐酸、饱和食盐水、氢氧化钠溶液、高锰酸钾固体。

反应的化学方程式为:

2KMnO4+16HC1(浓)=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O

评价:本实验设计体现了创新特点:(1)用注射器代替分液漏斗(使用时再连接),更便于浓盐酸的添加;(2)用广口瓶代替烧瓶,无需铁架台,简化了装置,且更易清洗。(3)使用高锰酸钾固体,不需加热即可跟浓盐酸反应;(4)用排水(饱和食盐水)集气法收集气体,气体净化,并容易观察;(5)几个联通管的运用便于控制添加浓盐酸、收集气体与吸收尾气,并使整个实验过程基本形成封闭系统,防止气体泄露,有利于环保。

3.3不同实验方法的对比与评价

一般来说,每一个化学实验都可以设计出不同的实验方法。采用不同的试剂、不同的反应条件以及实验步骤顺序的改变,都可以得到不同的实验方案。这就需要按照实验设计的原则,认真分析影响实验的各个因素,通过比较和评价,最终确定最佳方案。

例1:对于银镜反应实验,人们以影响实验结果的关键因素为依据提出过多种方案,各方案的要点是:(1)用乙醛作还原剂,强调试管壁的光洁度至关重要。(2)以葡萄糖为还原剂,醛基的浓度影响反应速度,是成败关键。(3)滴加NaOH溶液,适当提高反应溶液的PH。(4)用0.2%氯化亚锡溶液处理试管。设计时开展讨论,深入分析实验原理,并做参照实验加以验证,归纳得出,Ag(NH3)+2与还原剂的适当且均匀的反应速度是关键因素。对各种方案综合评价后,确定本实验的最佳方案是,在试管洁净、银氨溶液正确配制的前提下,以10%葡萄糖溶液为还原剂,在Ag(NH3)+2溶液中加入1滴NaOH稀溶液使PH约为9,在水浴加热中完成反应。运用此方案实验,成镜质量好,成功率基本上是100%。

例2:用铝、稀硫酸和氢氧化钠溶液为原料,制备一定量的氢氧化铝。设计3种不同的实验方法(以化学方程式表示),并指出哪种方案最节约原料,从每生产2molAl(OH)3所耗费的试剂用量来说明。

这是一道实验设计与评价的训练题,要点有二:一是依据铝的性质描述实验原理设计,二是根据化学方程式的计算比较评价。经讨论归纳,设计与评价结果如下:

4结束语

化学实验的设计与评价是化学实验知识和技能的综合应用,是化学实验教学的最高层次,是培养学生创新能力和综合应用能力的有效途径。要求学生具备相当的化学知识和能力基础。最初阶段宜选择设计难度较小的实验,如高中化学实验、基础化学实验中的性质实验或简单的无机化合物制备等。实验设计与评价的教学也是对教师教学能力的考验,教师不仅要有深厚扎实的化学专业知识,也要熟练掌握较全面的化学实验应用技术,还要拥有广博而丰富的相关信息资料,能够随时解决实验中出现的疑难问题,才能够做好实验设计与评价的教学的组织和指导。

化学实验设计

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