首页 -> 2007年第4期

“设计性实验”在无机化学实验教学中的应用

作者：谢　兢

　　[摘要] 设计性实验既培养了学生的创造性思维和研究性学习的能力，又提高了教师的实验研 究和指导能力。文章以磷酸二氢钠的制备为具体案例，分析和总结了无机化学实验中设计性实验的基本教学模式的应用。
　　[关键词] 无机化学实验设计性实验教学模式磷酸二氢钠
　　
　　近几年来在无机化学实验教学中一直坚持开展设计性实验，经过三年的实验教学摸索与探讨，我们初步总结出下述实施设计性实验的基本教学模式。
　　
　　一、教师给出实验题目和设计要求
　　
　　考虑到无机化学实验是学生进入大学后的第一门基础化学实验课，要求教师所选择实验题目的难易程度要适中。
　　教师要对学生进行一定的组织。如在磷系列重要化合物的制备设计性实验中，要求以工业磷酸和碳酸钠为原料设计合理的制备方案，制备NaH2PO4-2H2O再分别以该晶体及制备母液为原料制备(NaPO3)6、Na2PO4、12H2O、Na4P2O4、10H2O我们将学生分成三人一组的设计小组来进行实验的设计。随着设计性实验的开展，学生的组织形式可从3人—4人为一组的设计小组逐步过渡到单独进行实验设计。这样不仅培养了学生的团体合作意识，对问题的分析、讨论和总结的能力，而且逐步达到了使学生能够独立思考，开展科学实验研究的能力，充分发挥和体现了学生的主体性。
　　另外，教师在提出设计要求时，不能照搬实验教材，而要根据学生已掌握的理论知识和实验技能，及实验室 的实验条件，提出合理的设计要求。如在NaH2PO4-2H2O制备的设计要求中（下文讨论中，均以该设计为例），因实验室没有工业磷酸，我们将其改为浓磷酸；而且本实验是在学生已掌握了氮族元素知识的基础上开展的，所以我们又增加了产品鉴定；同时我们还将相关教材中常量理论制取NaH2PO4-2H2O 5.0g改为5.0g—6.0g，因为若对理论产量要求为5.0g，那么通过计算知理论所需浓磷酸 2.4ml，这将非常不利于实际操作中试剂的称量和量取，所以我们允许学生在一定的理论产量要求范围内，自己设计合适的原料用量，并计算出理论产量。
　　
　　二、学生查找资料
　　
　　学生根据设计要求查阅有关资料，如原料及产物的物理、化学性质及用途等，可利于实验设计过程中问题的思考。如本例中，因为是晶体的制备，故学生还需查阅所要求制备的晶体的溶解度情况等物理数据。
　　
　　三、教师对学生进行问题启发
　　
　　教师通过问题启发的方式引导学生思考并找到实验设计过程中的关键性问题。如本文例中，我们认为可引导学生提出以下几个问题：(1)磷酸二氢钠产生的酸碱度条件如何？(2)反应温度如何控制？(3)水的用量：一方面要考虑到水量对溶液酸碱度的影响，另一方面要考虑到晶体析出时对水量的要求等。
　　
　　四、学生设计方案
　　
　　设计方案时要遵循以下几个设计原则：(1)科学性原则，即实验原理、实验操作程序和方法，必须与化学理论知识和化学实验方法论相一致；(2)可行性原则，即设计化学实验时所运用的实验原理在实施时切实可行，所选用的化学实验药品、仪器、设备和方法在学校实验室的条件下能够得到满足；(3)安全性原则，即实验设计时应尽量避免使用有毒药品和具有一定危险性的实验操作，如果必须使用，应在设计方案中详细写明注意事项，以防造成环境污染和人身伤害；(4)简约性原则，即要尽可能采用简装的实验装置，用较少的实验步骤和实验药品，在较短的时间内来完成实验。设计方案应包含目的、原理、仪器及试剂、实验步骤、理论产量、产品的检验等主要方面。
　　
　　五、组织学生讨论最佳方案
　　
　　教师还要组织学生对各种方案进行对比讨论，使学生找到自己设计方案的不足之处，提高他们分析问题的能力，促使学生自己找到最佳方案。
　　如本文例子中，我们组织学生对以下几个方面进行了分析讨论：
　　1. 原料品种和用量的选择：对于碳酸钠，有的学生选用的是无水碳酸钠，而有的是 Na₂CO₃-10H₂O经过讨论，学生一致认为选用Na₂CO₃-10H₂O较好，可以减少称量时引起的误差。
　　2. 磷酸二氢钠生成的酸碱度控制：NaH₂PO₄ 的［H+］=(Ka1-Ka2)1/2=2.16X10-5mol-L-1,PH=4.66。要使不生成Na₂HPO₄，显然需控制,PH≤4.66。但实际实验中，测定PH的精密试纸是以0.5或 0.6为一个间隔，所以经过讨论，学生最后得出PH需控制在4.0-4.5的结论。
　　3. 温度的控制：由磷酸二氢钠在水中的溶解度表知，可用重结晶法在40℃以下得到NaH₂PO₄-2H₂O晶体，50℃时得到的NaH₂PO₄-H₂O，所以需将反应液温度加热到60℃以上。通过讨论，学生得出为使反应充分，且有利于重结晶，应将反应温度控制在80℃左右，温度太高则使溶液蒸发过快且易喷溅，并且浓缩选用蒸气浴较为合适。
　　4. 水的用量：当用浓磷酸2.5ml时，若全部生成磷酸二氢钠，在80℃时需水2.2ml，显然实际用水量要远大于此。这是因为：首先，反应温度较高，且该反应是中和反应，反应过程放热，使反应中水分蒸发较快；其次，反应中有二氧化碳生成，易引起砰溅。所以需较多水量，才有利于实验的操作。但水量也不宜太多，否则会使后面操作中溶液的浓缩时间过长。经过讨论，学生得出水量可在30 ml—40 ml之间。
　　5. 加料顺序及实验过程设计：总结学生的设计，并结合以上讨论的实验结果，我们大体得出两类方案：方案1：量取浓H₃PO₄（2.5ml）于100 ml烧杯中，加入30ml水溶解，加热至80℃，搅拌下分批加入Na₂CO₃-10H₂O（约需10.7g），交替使用广泛和精密pH试纸，调pH为4.0-4.5。方案2：量取浓H3PO4（2.5ml）于100ml烧杯中，加入30ml水溶解 ，加热至80℃，搅拌下分批加入Na₂CO₃-10H₂O，测pH值，再用滴管吸取浓H₃PO₄反滴溶液，使pH至4.0-4.5。
　　6. 产品的后处理：要得到晶体，关键是结晶温度要得到NaH₂PO₄-H2O，需将浓缩液迅速冷却。而得到晶体后，为能够较准确地计算产量，可利用NaH₂PO₄-H₂O极易溶于水，难溶于醇及醚的性质，在抽滤过程中用少量无水乙醇洗涤。
　　7. 产品的检验：学生的设计方案中对磷酸二氢钠产品的检验总体说来有两种方法：方案1：取少量产品溶于水后，测其PH是否在4.0-4.5之间；方案2：取少量产品溶于水后，滴加氨水，若无白色沉淀，说明产品是磷酸二氢钠，无杂质磷酸一氢钠的生成。经过讨论，学生得出了两种检测方案都做较好，这样可以较全面检测磷酸二氢钠。
　　经过以上的组织讨论与问题分析，学生自己得出了最佳实验设计方案。
　　
　　六、组织学生讨论实验中出现的问题，分析原因解决问题，并以此来修正设计方案
　　
　　该实验的产品NaH2PO4-2H2O，应为白色、透明的晶体。可在实验中，有的同学得到了晶体，有的同学却做失败了，得到的是粘稠液，一经冷却，在某一瞬间迅速形成块状物，产品检验自然也不合格。分析其原因，可能有以下几种：(1)反应时溶液的酸碱度未控制好；(2)在浓缩时，有的同学是直接进行加热浓缩，又没有控制好温度，致使温度太高，产品过分浓缩，导致结晶时水分不够，形成的不完全是二水结晶化合物，可能有一水了满意的结果。通过这一系列步骤的实验，学生自己的设计得以实践、修正、总结并重新验证，使学生充分理解到辩证唯物主义理论中科学是“理论——实践——理论——再到实践”的循环过程。 同时，通过实验研究报告的撰写，让学生总结如何设计实验，使学生掌握自主设计实验的原则、方法以及步骤。
　　综上所述，设计性实验与传统实验相比教学内容大不相同。设计性实验教学的方法不同于一般实验。它更要体现出以教师为主导，以学生为主体。整个过程中，教师要对其初步方案进行审查，对关键内容的内容。这首先可加深学生对相关专业知识的理解和记忆，更可激发学生的实验兴趣，还可启发和培养学生将专业知识应用于实际的意识和能力，有助于培养学生成为创新型人才。
　　
　　参考文献
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