高中化学定量综合实验的设计要素及其教学策略

摘要：定量实验是在定性实验基础上展开的，要想很好地设计或解决定量实验问题，必须了解定量综合实验设计要素，并有针对性地采取相应的教学策略。

关键词：定量综合实验；要素；教学策略

文章编号：1008-0546（201１）０８-00８１-0２中图分类号：G６３３．８文献标识码：Ｂ

doi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１１．０８．０３９

化学综合实验有定性和定量两大类，定性实验通常包括：①物质的制备、分离和提纯，②物质的检验，③性质探究等；而定量实验通常包括：①物质组成的测定，②物质（一般为有机物）结构的测定，③重要物理量的测定（如摩尔质量、阿伏加德罗常数等），④性质比较等。显然定量实验是在定性实验基础上展开的，它是化学实验的最高境界，因此能力要求将有所提升。要想很好地设计或解决定量实验问题，首先必须了解定量综合实验的设计要素，并有针对性地采取相应的教学策略。

一、实验目的——化学实验的方向指南

每个化学实验都有它的目的，所以在设计或解决定量实验前必须首先把握实验目的是什么，它是我们设计的方向指南，后面所有的设计都应当紧紧围绕实验目的展开进行。实验目的一般可描述为：①制备（或分离、提纯）×××②检验×××③探究×××④测定×××等。当然，实验目的是有层次的，我们可以将大目的分解为若干个小目的，小目的最终要服务于大目的。在设计实验方案时我们还要知道每一步的操作意图。

二、实验原理——化学实验的理论依据

在设计实验时，我们要发散思维，充分利用物质的性质、化学反应速率与化学平衡、电化学等知识，为达到某个实验目的而寻求最佳实验原理。在定量综合实验原理的设计教学中，教师要引导学生掌握常用的三种思路方法：

１．沉淀法

顾名思义，沉淀法就是通过反应生成沉淀，然后测量沉淀的质量，进而求出最终所需物理量。在沉淀法中必然会涉及到“生成沉淀→过滤→洗涤→干燥→称量”等一系列操作。所以在教学中我们要引导学生学会解决下列一系列问题：①如何判断沉淀是否完全②如何洗涤沉淀③如何判断沉淀是否洗净④如何判断沉淀是否已完全干燥……显然，在沉淀法中要采集的数据就是固体的质量，可用天平进行称量。

２．气体法

气体法就是通过反应生成气体，然后测量气体的质量或体积，进而求出最终所需物理量。

（１）测气体的质量

测定气体质量的方法一般采用差量法。如果是非气态的反应物发生反应只产生一种气体时，可以通过测定反应体系反应前后质量的差异，确定气体的质量（反应体系反应前的质量减去反应后的质量即为气体质量）。其他情况一般采用合适的吸收剂（如浓硫酸、碱石灰）和实验装置（如洗气瓶、干燥管）来吸收，通过测量吸收装置吸收前后质量差得到气体的质量（吸收后吸收装置的质量减去吸收前吸收装置的质量即为气体质量）。此时要特别注意：必须用其他无关气体将反应生成的气体全部赶入吸收剂中被吸收，而且通常要防止空气中的成分（如ＣＯ２、水蒸气等）干扰实验，所以一般要在尾部再接一个装有碱石灰的干燥管。

（２）测气体的体积

测量气体体积的方法一般采用排水量气法，要求气体不溶于水，知道气体体积后往往还要转化为气体的物质的量，故而还要知道当时的温度和压强。通常不会去测定所收集到气体的温度和压强，容易测定的是实验室的温度（Ｔ）和压强（ｐ），所以在读数前都要先将气体恢复到当时实验室的温度和压强。显然用这种方法时需采集的数据有Ｖ（气体）、Ｔ和ｐ。常用于排水量气的装置有以下三种（如图１～图３）：

在运用这些装置量气时，当实验结束时，要待恢复至室温后，再移动相关仪器，使两侧（或内外）液面相平，使气体的压强等于外界大气压。这三种装置中尤以图３为最佳，在用图２实验时，要特别注意在恢复至室温的过程中，一定要保证进入量筒的玻璃导管高于液面以防倒吸。如果在反应过程中需向反应容器内滴加溶液，最好采用恒压滴液装置（如图４），既保证溶液能顺利滴下，又不会因滴入溶液而影响到气体的体积。

３．滴定法

滴定法的基础是酸碱中和滴定，还可以迁移到氧化还原滴定等。运用这种方法时往往会涉及到溶液的配制、指示剂的选择、滴定操作和终点判断等问题。

三、实验用品——化学实验的基本保障

实验原理确定后，化学试剂也就确定了，再结合实验操作选择所需实验仪器。在教学时，教师要引导学生掌握实验中的操作及其相应装置，比如：（１）分离提纯类：溶解、过滤、蒸发、蒸馏、萃取、分液、灼烧（酒精灯、三脚架、泥三角、坩埚、坩埚钳、玻璃棒）等；（２）溶液配制类：配制一定质量分数的溶液、配制一定物质的量浓度的溶液；（３）滴定类：酸碱中和滴定、氧化还原滴定等。为减小定量实验中的测量误差，尽可能选择精度比较高的计量仪器，如量体积选用滴定管，称质量选择电子天平或分析天平等。

四、实验步骤——化学实验的进行程序

实验步骤是化学实验得以顺利进行的保障，所以在设计实验步骤时要特别严密，要有身临其境之感，假想当时自己在做这个实验，想象它的过程。设计时要注意控制实验条件，如浓度、温度、压强、催化剂、光、溶剂、固体颗粒大小、试剂、纯度、状态、用量、酸碱度（ｐＨ）、反应时间、环境气氛、变量控制、仪器等。为保证定量实验的准确性，要重视测量实验中的“恒量”操作和重复测量，即在重复测量时，要确保两次量之间的差异符合实验要求。在教学时，教师可以精选几个定量实验，给出实验原理和实验用品，请学生设计实验步骤，然后让学生分组讨论、完善方案，教师再结合学生暴露出的问题进行点评提升，经过几次这样的练习，学生的实验设计能力就会明显提高。

五、处理分析——定量实验的最终归宿

实验过程中需及时记录实验现象和数据，最后要进行数据处理和问题讨论分析。在处理数据时，首先要对几次的平行实验数据进行筛选，舍去有明显偏差的，再将合理的数据求算平均值，计算出最终结果。在进行问题讨论分析时，首先要对实验过程中的意外情况进行分析，此外还要进行误差分析，分析测量值出现误差的可能原因或由于不规范操作将导致的实验误差。在教学时，教师要让学生掌握误差分析的一般思路：先根据实验原理得出目标物理量的计算式，然后分析不规范的操作使得哪个物理量发生了变化，再分析这个变化导致目标物理量如何变化。

把握了定量综合实验的设计要素，并采取针对性训练，一定可以更顺利地解决定量实验中的疑难问题。目前较为流行的是定性与定量相结合的实验，制备实验自然成为命题趋势。它首先涉及到物质的制备、分离与提纯，这可以用工艺流程图表示，然后再进行组成的定量测定，这样既要求学生要有解工艺流程的经验方法，又要具备解决实验题的知识、方法与能力，显然是考查学生的一类好题。学生在解题过程中既扩大了知识视野、了解了化工生产，又提高了解决问题的能力。