要注意化学实验设计的科学性

    作为一门实验性自然科学，化学实验是化学教学的一个重要组成部分。通过实验可以使学生更好地掌握化学基本知识、基本理论、基本技能，有独立思考和独立工作能力，养成科学工作习惯。

        而实验教材则是实验教学的最主要依据。如果教材中某些实验设计的原本就不够科学，则无异于在给学生传递错误的信息。教材要经得住科学性的推敲，这是教材编写的首要原则。教师在教学中的第一个责任，也就是要找出这些“不科学”或“欠科学”的问题。

        在一些很典型和传统的无机化学实验教材中，还存在着某些这种应改正或改进的地方。下面仅举出几个这样的实例。

        一、“铜原子量的测定”的实验

作为一个定量的实验，还涉及分析天平的使用、氢气的制备和纯化、气体与固体反应等操作，“铜原子量的测定”是一个选用频率较高的实验。它的原理简单，所用试剂也很常见，实验步骤也没有难于理解的地方，这里就不再赘述。

其装置图如下图。

教材要求“加热至黑色氧化铜全部转变为红色铜后，移开煤气灯（或酒精灯），继续通氢气。待试管冷却到室温，抽出导气管，停止制气”，及所给的“在做完氢气的还原性实验，拿开酒精灯或煤气灯以后，为何还要继续通氢气至试管冷却”的“思考题”，都欠科学。

一方面，从停止加热到将用煤气灯灼烧后的试管及其内容物自然冷却下来，要经过很长的时间。虽可以把氢气的气流控制的稍小一些，但还是要白白消耗掉许多的氢气。

另一方面，由于是多个学生合用一套氢气发生装置（学生称量所用的时间有长有短，不会一起来进行“还原”的操作，所以可以多人共用一套制氢气的装置），学生“还原”所用的时间，还不如等其“冷却”所用的时间长。实际是“冷却”控制了整个实验的进度。

防止温度很高的单质铜与空气中的氧气接触，难道只有被动的“继续通氢气”的方法吗？当然不是。

在实验中可以用一个带有两根玻璃管及胶管（配有两个水止夹）的双孔胶塞（见下图）。

加热氧化铜时，双孔胶塞与试管间应留有较大的缝隙（便于让反应所生成的水排出）。

还原反应完成，试管口也无水滴或水痕后，盖上双孔胶塞。然后先关闭胶管A上的水止夹。再关闭胶管B（导入氢气）上的水止夹、并断开胶管B与球形干燥器的连接。

这样就可以将整个加热装置一体性地移开，任其去自然冷却。其它同学马上就可以继续使用这套氢气发生装置来进行自己的还原实验了。

当然，最后一个进行还原实验的学生，只要关闭胶管A上的水止夹就可以。此时由于试管内压力的增大，启普发生器自动就会停止制气，而在试管内则有氢气氛的正压（空气也无法进入）。

这样的改进，可以少消耗许多氢气，也加快了实验课的进度，学生也从这个改进中受到启发和教育。

另外，教材以附注的形式强调实验所用的“硬质试管”要“事先在烘箱中烘干”。似乎必要性不大，有做无用功的嫌疑。只要清洁就可以了。

二、“浓度对电极电势的影响”的实验

为验证氧化剂或还原剂浓度改变对电极电势的影响，许多专业都会选用这个实验：

在两只50ml的烧杯中，分别注入30ml 1 mol•L^-1硫酸锌和30ml 1 mol•L^-1硫酸铜溶液。在硫酸锌溶液中插入锌片，硫酸铜溶液中插入铜片组成两个电极，中间用一盐桥相通。用导线将锌片和铜片分别与伏特计的负极和正极相接。测量两极之间的电压。教材所给的示意如下左图。

在硫酸铜溶液中注入浓氨水至生成的沉淀溶解为止，形成深蓝色的溶液。观察原电池的电压有何变化。

再在硫酸锌溶液中，加浓氨水至生成的沉淀溶解为止。观察电压又有何变化。

这个实验要消耗大量的试剂。从装置图里50 ml烧杯中液面的高度就可知，如果想让所加浓氨水的反应能更充分一些、溶液的组成能随时都比较均匀，要搅拌一下该溶液都十分困难。

其实这个原电池的电动势只与电解质溶解的浓度有关，与电解质溶液的容量是没有关系的。即使电解质溶液的体积不大，由于测电压时没有多大的电流强度，其浓度在短时间内也不会有可察觉的变化，并不会影响到电动势的测量。

该实验完全可以改成微型实验（如上右图，所连接的导线与伏特计从略）。

取一个6孔的白色点滴板。在相邻的两孔穴中分别加入0.5ml 1mol•L^-1硫酸锌和0.5ml 1mol•L^-1硫酸铜溶液（约占该孔穴体积的一半左右）。

自制微型盐桥。按100 ml饱和氯化钾溶液加热溶解1g琼脂，来配制琼脂溶液。用玻璃管弯成U型管的形状，将琼脂溶液灌入（不得有气泡或空隙）；或用较粗的棉线直接粘上琼脂溶液，待其冷却凝固，再剪成适宜的长度即可（使其折弯后的两端能自然地浸入点滴板两相邻孔穴的电解质溶液中）。

将伏特计两端分别相连上两根接有鱼尾夹的导线。将鱼尾夹分别夹上铜片及锌片作为电极。手持鱼尾夹，让电极慢慢插入相对应的电解质溶液中，就构成了一个原电池。从伏特计就可以读出该原电池的电动势。

加浓氨水的操作要用胶头滴管来滴加。可用轻微晃动铜片或锌片的方法来进行溶液的搅动与混合。

采用这一方法可以使试剂的用量大为减少，而实验效果则完全相同。

同时还能让学生知道，即使没有进行微型实验的条件，这个实验所用的电解质溶液也是少一些为好。即使只能用50 ml的烧杯，电解质溶液的量也应以能触及盐桥的两个端口为度。

三、氨气的“喷泉实验”

在氨气的喷泉实验中有如下的一组图。对图画的比较“随意”。

    图4-1的问题：

第一、导出氨气的玻璃导管过短，伸入不到圆底烧瓶的底部，不利于较快地收集到一瓶较纯的氨气。

第二、不应该用试管夹来夹持圆底烧瓶，应该用铁架台来固定它。因为还要有加热、检验气体是否充满等操作需要操作者来进行。

其实，即使没有这些操作，也是用铁架台来固定圆底烧瓶才好。因为这样才安全，同时也与其后的一些实验步骤有一个接续与传承的关系（烧瓶始终要倒置，其后续的操作也是都在铁架台上进行才较为方便）。

图4-2的问题：

第一、1、2图中的圆底烧瓶完全没有两次颠倒过来的必要。最好一直就瓶口向下。

第二、2图中的由尖嘴的玻璃管在圆底烧瓶中插入的长度太短（连烧瓶的球体中心位置都没有达到）。这样，当喷泉喷出的水淹没过尖嘴后，就不会再看到喷泉现象了。

四、“一氧化碳的性质”实验

在制得一氧化碳后。教材安排了其纯度检验、与银氨溶液反应、可燃性，这样依次进行的三个实验。即，先检验纯度后，再做后两个实验。

其实这个实验顺序是有问题的。因为验纯要耽误一些时间，并放掉一些不够纯的一氧化碳。而一氧化碳与银氨溶液反应并不需要多么纯净的一氧化碳，且观察到反应现象也总还要花费一段时间。

所以先进行一氧化碳与银氨溶液的反应后，再验纯。在验纯后，再点燃。以这样的顺序来安排这一系列实验才最为合理。

五、有些实验装置图不够规范、表述的文字不够严谨

     除了实验设计欠科学之类的问题以外，在实验教材中还要注意实验装置图的规范性问题。不要给学生进行错误绘图的“示范”。

 最常见的是，在一张装置图中，有平面图与立体图混用的现象。

 例1，在如下的制取二氧化碳装置图中，二氧化碳的制备和纯化部分是平面图，而收集部分则是立体图。有拼凑起来的痕迹。

    该实验还要求要两次收集和称量二氧化碳，并规定学生“两次质量可相差1-2mg”。这个数据的表述有错误。难道两次称量结果间相差小于1mg了，还不合格？应改成≤2mg。

 例2，在如下的二氧化硫的制备和性质实验的装置图中，制取气体的部分是平面图，而性质实验部分的试管架则是立体图。

例3，在“溶液的配制”实验的“课堂练习”中，对后两个需要用容量瓶来配制的两份准确浓度溶液的名称，表述也不够科学。

在“配制100ml 0.500 mol•L^-1草酸标准溶液”这段文字中，溶液浓度的有效数字位数被人为地减少了一位。并且，准备用于滴定实验的溶液，只要其浓度数值有足够的精度（四位有效数字）即可，不见得一定要正好是0.5000。宜将这句话改为“配制100ml 浓度为0.5000 mol•L^-1左右的草酸标准溶液”。

“用已知浓度为2.00 mol•L^-1的醋酸溶液配制50 ml 0.20 mol•L^-1的醋酸溶液”也有类似的问题。

原溶液的浓度为2.00，就让人感觉怪怪的。在一般化学实验中很少会遇到这样的有三位有效数字的溶液。它是如何配制的？有什么用处？

如果是用移液管和容量瓶来进行这个溶液的配制操作，稀释后的溶液怎么又能将浓度的有效数字降低了一位，而变成是0.20 mol•L^-1了呢？

例4，在“气室法检验NH₄⁺离子”的实验中，要求学生“在表面皿中心粘附一小条湿的红色石蕊试纸”，也有操作不够规范的嫌疑。试纸一般不宜成条的使用，在这个很微量的实验中更是这样。有一小块试纸就可以了。

参考文献

北京师范大学等校. 无机化学实验（第二版）. 高等教育出版社. 1991年