浅谈吸热反应演示实验的改进
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作者:张丽丽
摘要：本文针对鲁科版高中化学必修2第二章第一节《化学键与化学反应》中的吸热反应演示实验中出现的实验现象不明显、氨气污染环境等问题成立探究小组进行改进。在化学核心素养指导下查阅大量资料设计出同时符合绿、少、简、显四大特征的实验改进方案，并对如何运用演示实验阐述一些新的看法。
关键词：吸热反应;实验改进;演示实验
一、 发现问题
“吸热反应演示实验的改进”选自鲁科版高中化学必修2第二章第一节化学键与化学反应。在学习本节课之前学生只关注化学反应中物质的变化，但要让学生意识到化学反应物质变化的同时一定会伴随着能量的变化，所以这节演示实验课就显得特别重要。鲁科版必修2中对该实验的描述。药品：消石灰和氯化铵，让学生自主探究，在教师演示实验中发现成功率极低。查资料得知该吸热反应常温下几乎不能进行，需要对实验进行改进。学生回家查阅的资料并且借鉴旧版鲁科版和新旧人教版对该实验的设计，都是用10g的氯化铵和20g的氢氧化钡混合后放入烧杯中，烧杯放在滴有几滴水的玻璃片或小木板上，用玻璃棒迅速搅拌闻气味，若玻璃片和烧杯粘在一起，闻到刺激性气味则说明氯化铵和八水合氢氧化钡在混合搅拌下发生吸热的反应，水结冰同时产生氨气，化学反应中既有物质变化也有能量变化。在演示实验中发现了以下三个不足之处：
（1）产生大量刺激性气味的氨气导致空气污染，让学生在不安全和不舒适的环境下上课，不利于学生的身心健康。（2）成功率低，室温为20摄氏度左右很难达到水的结冰点。具体实验操作时很多老师采用加大药品用量的方式，提高了成本，同时钡离子增多造成环境污染。（3）缺少定量实验，无法进行数据分析，实验设计单一。
我们马上成立探究小组。贯彻化学核心素养：培养学生的科学探究與创新意识，引导学生从发现的问题出发，依据改进目的，查阅资料，设计改进方案。
二、 实验改进
经过探究小组不断地努力，查阅大量的资料和文献，尝试了以下几个方案。
（一）（见图1）这个装置是利用倒扣的纸杯中间挖个孔放入试管，将试管充当搅拌器，试管内加入红墨水，红墨水结冰。证明氯化铵和八水合氢氧化钡发生吸热反应。优点是装置简单，微型化便于携带，防止氨气溢出，起到环境保护的作用。但是现象不易观察，氯化铵和氢氧化钡在混合搅拌下会变成白色糊状物包裹在试管壁上影响观察效果，不够直观。而且试管搅拌不好操作，没办法大范围搅拌，反应不充分红墨水很难结块，同时造成药品很大程度的浪费。
（二）（见图2）使用了数字温度器，优点：1. 从定量角度研究每个时刻温度的变化，收集数据建立认知模型。2. 使用废弃针筒，第一使用方便，便于操作。第二废物利用，增强学生环保意识。缺点：1. 保鲜袋易破，存在安全隐患。2. 操作不规范，演示实验不仅要达到认识物质性质的目的同时要达到示范实验操作、形成化学学科的一般过程和方法的目的。3. 失去了吸热反应原有的趣味性。强化了知识学习却忽略了发现问题、提出问题的思维训练。
（三）（见图3）根据以上出现的问题，我们研究小组最终决定还是保持原有趣味性：小木片结冰被提起。为了培养学生化学核心素养，提高学生环保意识和创新意识，确定最终改进方向：绿，少，简，显。绿指绿色环保，减少环境污染，保护环境;少指药品用量少，降低成本，避免造成资源浪费;简指操作简便，提高课堂效率;显指现象明显，便于观察。
1. 设计理念
（1）我们利用不要的泡沫自制了保温桶，在泡沫板中心挖一个凹槽，刚好可以放下锥形瓶。防止外部环境温度对反应装置的影响。提高小木块结冰被提起的成功率，同时还能进行废物利用，让学生感受化学取之于生活用之于生活。
（2）选用锥形瓶作为反应容器，操作规范且瓶底大瓶口小，增加了瓶底与小木块的接触面积。瓶口小密封效果好，选用100mL小规格的锥形瓶也能起到节约药品的作用。
（3）同样使用干净的废弃针筒，但是将酚酞溶液改为装滴了酚酞的硫酸钠溶液，这样既能通过溶液变为红色来证明发生了化学反应生成了氨气，又可以在反应结束后挤压入溶液中与钡离子反应生成沉淀，缓解重金属离子污染水体的问题，在实验的每个细节中贯彻保护环境的可持续发展意识。
（4）选用温度传感器，可以通过大屏幕看见温度连续变化的曲线，实验现象直观，便于班级每一位学生观察，更重要的是从定量上感受吸热反应温度的变化，还培养了学生图像数据处理的能力，收集证据然后通过分析和推理建立认知模型，学会运用模型解决水结冰的本质原因和化学反应伴随能量变化的规律，从热力学角度感受化学反应。
（5）由于实验室的玻璃搅拌器比较大而且要保证整个装置的气密性，氨气不会泄露，保证实验的安全性和科学性。所以我们就用铁丝自制了搅拌器，这样既保证了整个装置的密封效果，防止污染空气，同时又保证了实验原有的趣味性，但是还有一点不满意的地方就是还没有办法充分搅拌，导致药品的浪费。所以我们做最后的改进，把自制搅拌器改成磁力搅拌器，充分搅拌使药品充分反应。意外的发现充分搅拌后可以起到节约药品的作用，经过不断地探究发现只要加入6g的氯化铵和12g的氢氧化钡就能有很好的实验效果，溶液变红，接触面产生足够多的冰块将小木块粘住。药品使用量是原来的一半，大大地节约了成本。
2. 具体实验步骤和现象
（1）实验器材及药品
药品：八水合氢氧化钡、固体氯化铵、蒸馏水、酚酞、硫酸钠溶液。
仪器：100mL锥形瓶、双孔橡胶塞、温度传感器、电脑、磁力搅拌器、自制泡沫保温桶、洗涤干净的废弃针筒。
（2）实验步骤
①在泡沫板凹槽中滴入3到4滴的蒸馏水。
②称取6g的氯化铵和12g的氢氧化钡固体，研细后用纸槽放入锥形瓶底，往固体混合液中加入几滴蒸馏水，放入搅拌磁子迅速塞紧活塞。 ③将锥形瓶放进泡沫凹槽里，锥形瓶底部和水接触，将温度传感器连接教室电脑，将传感器探头固定在橡胶塞其中一个孔隙中与锥形瓶内药瓶接触，针筒内装有酚酞和硫酸钠混合溶液固定在橡胶塞另外一个孔隙中。
④将锥形瓶放在磁力搅拌器上，打开磁力搅拌器，让固体混合物充分反应直到变成糊状。在反应过程中引导学生观察电脑显示屏中温度传感器的变化曲线。
⑤反应结束后，将锥形瓶从泡沫板中取出，观察瓶底的现象。然后将装有酚酞和硫酸钠混合溶液的针筒往上抽气，观察针筒内颜色变化。
⑥最后将针筒内的溶液挤压入锥形瓶中进行重金属钡离子的处理，同时水溶液吸收氨气。
（3）实验现象
①通过大屏幕可以看见温度曲线一开始不变化，到某一时刻温度迅速下降然后又趋于平缓的曲线图像。定量显示该反应为吸热反应。
②水结冰，木块贴着锥形瓶底被提起，木块被牢牢固定。定性感受该反应为吸热反应。
③针筒中溶液由无色变成红色。说明该过程发生反应，产生了氨气。并且全程没有闻到任何的刺激性气味，安全环保。
（4）注意事项
實际教学中要注意以下几点：
①实验前要检查装置气密性，保证气密性良好防止氨气泄漏。
②选用的小木片比玻璃更容易成功，木片要选用薄片，大小和锥形底差不多大小即可。
三、 反思与评价
（一）该改进实验全程贯穿着化学核心素养的培养，演示实验改进完同时实现了：绿色环保、药品用量少、操作简便、现象明显四大特征。全程没有闻到任何的刺激性气味、减少药品用量节约资源、残液中加入适量硫酸钠生成难容硫酸钡，除去钡离子。这种绿色环保的观念在我们化学核心素养5中有明确要求，要培养学生节约资源、绿色环保的可持续发展观念，同时让学生学会将微观的变化转化为宏观的外在表象，更直观的感受能量的变化。学会从宏观和微观相结合的视角分析解决实际中出现的问题。同时保持了实验原有的趣味性，增加学生学习兴趣。
（二）发现问题，在教师的引导下学生成立研究小组对学习中存在的问题通过查阅资料，进行化学实验等方法进行实验探究。能够敢于质疑，相互合作，敢于创新，这种精神是当老师的我们需要进行鼓励的，并且进行正确的引导和培养，从而提高学生“科学探究和探究意识”的化学核心素养。
（三）定性实验和定量实验相结合，利用手持技术温度传感器和磁力搅拌器优化实验设计节约能源。让学生感受新技术在实验中的优势，同时培养学生图表分析能力，具有证据意识。多维度、动态的分析化学变化，便于培养学生的发散思维和严谨求实的科学态度。
（四）从生活中取材，做到废物利用。让学生学会变废为宝，观察生活中的化学。
（五）同时该反应也让我对演示实验的价值有了新的看法。
化学演示实验是展开教学活动很好的工具。任何一种对未知物质的认识都是从最直观、最真实的情景下的实验或对演示实验中细微现象的深入研究。演示实验能通过示范实验操作形成化学学科的一般过程和方法，从而达到认识物质性质的目的，一定要引起高度的重视。也许多年以后你的学生会不记得你讲过什么知识点，但是对于壮观、新颖的演示实验倒是记忆犹新。但是我们演示实验让学生记忆犹新是一方面，更重要的是能引发学生的思考，让他产生疑问，从而发现问题，动脑去思考问题，不断查阅资料，收集信息去解决问题。解决问题的过程才是形成科学素养的重要途径。
参考文献：
[1]罗先进，李喆喆，伍晓春.吸热反应演示实验的再改进[J].化学教学，2014（5）：52-53.
[2]罗佳美，严文法.“冰山红莲”：高中化学吸热反应演示实验的再改进[J].中学化学教学参考，2018（19）：39-40.
作者简介：张丽丽，福建省建瓯市，福建省建瓯一中。
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