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1、“氯水的成分探究”实验装置改进及教学模式探究*本文系全国教育科学“十三五”规划2018年度立项课题“指向核心素养的高中化学课堂教-学-评一致性研究”（课题编号：DHA180418）的研究成果。黄翠玉1，张贤金2（1.福建省泉州市奕聪中学，福建泉州362000；2.福建教育学院化学教育研究所，福建福州350025)（此文发表在化学教学2019.4）摘要：在“氯水的成分探究”课例中,设计一套制取氯水、验证氯水性质的实验改进装置，高效、安全地完成多个氯水性质验证实验，授课中实施“提出问题形成猜想设计实验方案进行实验探究观察现象分析推理循环验证归纳总结反思与评价”探究模式，实验过程中，使用多个新意装置
2、，探究视角独特，过程性信息处理详实，获得多个比教材更丰富的实验现象，由此对物质的性质产生更多的疑问，从而进入更深层次的实验探究，获得更高层次的理论支持，本文多角度呈现了层层揭开氯水面纱的过程。关键词：制取氯水；氯水成分探究；装置改进；探究模式苏教版高中化学必修1教材中氯气实验室制法中，传统固液加热实验装置中的玻璃导管制作时需高温烧制，冷却后形状固定不可改变，使用不方便。两导管之间使用橡胶管连接，增加装置漏气的可能性。装置中各组件体积大，消耗药品多。笔者用输液器、塑料滴管等改进装置，组件轻便、材料廉价易得、装置紧凑、接头少，气密性好。模拟恒压漏斗有利于添加反应物时液体顺利流下。氯水性质验证装置全
3、密封，逐一更换25mL锥形瓶可快速完成多个验证实验。1 自制装置与苏教版必修1中氯气实验室制法装置的对比1.1原理对比苏教版高中化学必修1教材中：MnO24HCl(浓)MnCl2H2OCl2；原创装置采用以下原理：2KMnO4+16HCl(浓)=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O。1.2装置改进本文将一塑料滴管裁剪改装成三部分：导管多孔胶头漏斗，替代教材中的连接装置（如图1）；将胶头用针扎多个小孔，置于细口瓶内液面下方，可以增大气体与液体的接触面积，有利于气体的溶解或被吸收，尾部的双孔胶塞起密封和固定两根塑料管的作用，把胶头剪半，作普通漏斗之用，置于装置尾部与大气相通，防止体系压强过大
4、，预防爆炸的危险。本文将医用一次性输液器裁剪代替教材中的分液漏斗和圆底烧瓶，模拟恒压漏斗和流量控制器。图1 自制氯水实验装置示意图1.3自制氯水实验仪器医用一次性输液器，一次性塑料滴管：胶头长3.82cm，直径1.37cm；导管长13.55cm，直径0.30cm；100mL锥形瓶，120mL细口瓶，3号橡胶塞。1.4自制验证氯气、氯水性质实验装置（图2）氯气极易逸散，装置A中导管短进短出（图2左），用于验证氯气的性质，装置B中导管短进长出（图2右），用于验证氯水性质装置，在全封闭体系中挤压洗耳球，可快速完成实验。图2 验证氯气、氯水性质实验装置示意图2 探究流程以学生对氯水成分的认知为主线设计
5、以下氯水探究流程图3，其中“制定实验方案进行实验验证分析实验现象得出部分结论同时发现新问题”是个反复验证的小循环。图3 氯水成分探究流程教学过程发生了化学反应：Cl2+ H2OHClO+HCl存在Cl-、H+、Cl2、HClO巩固提升交流评价化学变化：可能存在Cl-、H+、Cl2制定方案进行实验验证物理变化：存在Cl2、H2O形成猜想提出问题分析推理发现新问题得出结论解决新问题分析新问题再次验证氯水中存在漂白性物质紫色石蕊试液、PH值试纸先变红后褪色Cl-：AgNO3 稀硝酸H+：酸的通性干、湿氯气经U型管，潮湿氯气使紫色纸条褪色产物次氯酸具备漂白性氯水使品红溶液和新鲜花瓣褪色，验证氯水具有漂
6、白性经典题、实验评价题微课氯气溶于水发生了什么变化？情景导入学生使用改进装置制取氯水视频实验评价与反思Cl2：具有强氧化性，使用湿润的淀粉碘化钾试纸检验 3 实验现象呈现，数据收集处理首先从物理性质角度观察氯水颜色，猜测氯分子的存在。再从化学变化的本质有新物质生成，锁定氯离子为第一个验证实验；其次是氢离子的检验，学生根据图4中酸的通性，选择镁条和pH试纸进行实验。图4 氢离子的检验3.1实验一：镁条与新制氯水作用实验现象：用砂纸打磨后的镁条与氯水剧烈反应，镁条表面产生很多小气泡，镁条逐渐溶解变薄，由反应剧烈程度可知新制氯水中氢离子的浓度不大。3.2实验二：pH试纸与新制氯水作用实验操作：将pH
7、试纸内置于图2装置B中干燥洁净的锥形瓶内，挤压洗耳球，新制氯水滴落在pH试纸上；实验现象如图5，图中加粗的两条曲线示意反应中两条最明显的红色轮廓线，以下现象描述中简称“短红线”和“长红线” 。28秒40秒56秒几分钟后12秒110秒图5 新制氯水滴入pH试纸随时间的变色示意图现象描述：反应进行至12秒时，与氯水直接接触的pH试纸中下部位微红，长红线显示出氯水滴在pH试纸上的痕迹，潮湿氯气向上扩散，试纸干湿交界处短红线明显。28秒至110秒这段时间里，短红线以上区域试纸变红且颜色逐渐加深，与此同时，短红线以下区域逐渐褪色，几分钟后整张pH试纸褪色。实验表明：氯水作用于pH试纸时：湿度大、时间长漂
8、白现象更明显；湿度小、时间短红色现象明显；氢离子的扩散速率比次氯酸分子快。学生从实验中观察到物质褪色新现象，了解到褪色现象与湿度和时间有关，得出实验结论：氯水中含氢离子。教师引导学生从实验中提炼新疑问：褪色原因与氯水湿度有关，追问学生是否设计干、湿氯气漂白效果对比实验？漂白性物质是什么微粒？引导学生从元素守恒观以及可逆反应的特点等理论分析：漂白性物质可能是氯分子或者是次氯酸分子。根据认知水平，学生知道：氯气是黄绿色、有刺激性气味气体，具有强氧化性，使用湿润的淀粉碘化钾试纸可以检验氯分子。3.3实验三：淀粉碘化钾试纸与新制氯水作用实验操作:将淀粉碘化钾试纸内置于图2装置B中干燥洁净的锥形瓶内，挤
9、压洗耳球，新制氯水滴落在试纸上；淀粉碘化钾试纸随时间的变色示意图如图6，加粗轮廓图形内部为试纸变蓝色区域，外部区域为无色；实验中截取 45秒时二次滴入氯水时呈现的示意图如图6所示：45秒60秒95秒206秒130秒图6 新制氯水滴入淀粉碘化钾试纸随时间的变色示意图现象描述：45秒时图上可见试纸下部较潮湿，新制氯水使淀粉碘化钾试纸变蓝后褪色，45秒至206秒时间里，褪色范围扩大。实验结论：氯水中含有强氧化性物质氯单质。分析过程性变化原理：2KI+Cl2=2KCl+I2，生成碘单质使淀粉变蓝；过量的氯气与碘反应生成无色物质，I2+5Cl2+6H2O2HIO3+10HCl，褪色原因是碘离子被氧化为无
10、色的碘酸根离子。由于次氯酸不稳定，需要验证时大多是间接获得，于是设计干湿氯气漂白性对比，对比实验设计在型管中进行，有新意且方便观察现象。左右两边分别放两条紫色纸条，型管底部装有氯化钙干燥剂，将两纸条隔开，将图2装置A中的锥形瓶换成型管，型管左端密封，右端通入潮湿的氯气，很快地观察到右端的纸条褪色，而左端纸条颜色无明显变化，由此得出次氯酸分子具有漂白性。再一次用品红溶液和新鲜花瓣验证次氯酸的漂白性,两者均褪色。学生小结次氯酸的漂白性、强氧化性、弱酸性、不稳定性等。教师表格呈现新制氯水与久置氯水的区别，并用四道微课习题巩固提升。4 实验评价与反思4.1如何防止气体泄漏防止气体泄漏从三个环节进行（图
11、7）：增强装置气密性。中途添加药品防止气体外逸。控制装置内的压强；减少连接装置的接头以增强气密性。中途添加浓盐酸时，准备好一团蘸有氢氧化钠溶液的棉花团，在注射和抽离针筒时堵在进料口周围。使用流量控制器，实验时先关后开，避免反应物接触瞬间氯气外逸，更好保护实验者。减小反应物的浓度、疏通导管防堵塞等方面控制装置内的气压，确保气流平稳产生。防泄漏装置气密性实验中添加反应物气压过大流量控制器防堵塞反应物浓度装置注意点用浸氢氧化钠溶液的棉花团堵住进料口减少接头图7 防止气体泄漏的思路4.2如何避免仪器对实验现象的干扰医用一次性输液器中的金属针头与浓盐酸反应，生成亚铁盐，溶液呈浅绿色，继而被氯气氧化为铁盐
12、，溶液颜色加深，为了避免该现象的干扰，将不再使用金属针头，建议使用玻璃针筒。为了控制反应速率，固体高锰酸钾配制成浓度适中的溶液，它将与浓盐酸均匀接触，生成氯气气流平稳。4.3装置改进点与氯水浓度的思考继续增加创新点，将细口瓶改为广口瓶，橡胶塞变大可以钻更多的孔，方便设计氯水制取和验证为一体的实验装置。实验中观察到制取氯水的液面上方聚集了大量黄绿色气体，瓶中氯水呈黄绿色，就定性地判断氯水已经饱和，还未定量分析与测量氯水饱和时的浓度有多大，这是影响氢离子检验实验现象的一个因素，装置中使用塑料导管，易被氧化，时间久了老化变白，所以做完实验，待反应物完全反应后，装置需在通风厨中及时清洗。5 课例反思本
13、课例的亮点在于针对有毒气体自制了两套实验装置，实验装置往简约化，试剂往微量化方向设计，实验操作安全方便，易携带，方便做现场实验；实验视频自己录制，按反应时间截取视频图片获得数据及现象。教学设计以学生使用改进装置制取氯水视频引入教学，PPT呈现物质实验探究的一般方法，设计问题串，启发探究思维，学生实验探究过程中新旧问题交替出现，师生对现象分析由表及里层层深入，拨开疑问，直至揭示氯水多重性质。对学生而言，实验现象远比教材中描述的更多变，情况更复杂。如氯分子检验中，按学生认知水平，理论现象是湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，实验中是先变蓝后褪色，由此激发学生的疑问，从而进入新的探索；氢离子的检验中，新制氯水
14、与大理石、碳酸钠反应现象并不明显，表明氯水中氢离子的浓度较小。学生不做实验会以氯水中含有盐酸来预判其强酸性。往平放着的pH试纸中滴加氯水，滴氯水处褪色，外围变红，变色速度很快，先后顺序不明显,本文中pH试纸竖放，氯水向上扩散须克服重力作用，这将影响实验现象。多种色素分别与氯水作用，是为了强调氯水漂白对象是有机色质，继而引导学生查阅对比资料，深入分析次氯酸的漂白原理，如次氯酸不稳定，生成氯化氢和新生态氧：HClOHCl+O,O的氧化能力很强，能破坏有机色素的结构达到漂白的效果3。本实践侧重培养学生实验探究基本方法、收集数据、处理数据、环保意识、创新思想、质疑精神、求真知等化学学科素养。参考文献：1罗小艳,马建播.氯水性质检验的微型实验设计J.化学教育,2014,(3):76 77.2嵇中波.氯水的简易制备装置J.中学化学教学参考,2017,(4):51 52.3罗玛,丁伟氯气性质实验中的漂白作用解析与探究J.化学教学,2013,(2):45 46.4马善恒,夏建华,姚如富.运用数字实验探究氯水中化学平衡的存在J.化学教学,2017,(7):71 73.5吴孙富,严志蓉探析次氯酸与碘化钾等盐溶液的反应及次氯酸的比例J.化学教学,2015,(4):87 89.