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中学化学趣味探究实验
作者:刘德超 文章来源:本站原创 点击数:3831 更新时间:2014/5/24 8:30:54

一、课程类型 : 学科类通修课程
二、先修课程 :化学必修(一)、(二)

三、课程性质、目的与任务
中学化学趣味探究实验》是一门独立的实验课程,学生在经过必修课程的学习基础上,在高二年级进一步学习中学化学趣味探究实验课程,其目的在于将学过的理论知识与实验知识及技能融会贯通,进一步培养实践的能力,特别是综合运用知识的能力和创新的能力。
四、教学基本要求
1.
进一步巩固和加强基础化学实验的知识和操作;
2.
感知化学实验的知识和操作在实际研究对象中的综合和灵活应用。
五、主要内容及学时安排

第一课时:化学探究性实验的设计案例

第二课时:实验主题:水柱弯曲了---水的极性与环己烷的非极性

第三课时:实验主题:双胞胎姊妹花---水与冰的不同命运

第四课时;实验主题:烧不毁的钞票---降低酒精的燃烧温度

第五课时:实验主题:""宝宝再利用---铝罐制成明矾

第六课时:实验主题:醋酸钠过饱和溶液及其结晶

第七课时:实验主题:固体酒精的制作---火锅常用的热源之一

第八课时:实验主题:许愿瓶---酸碱作用之一

第九课时:实验主题:柳橙汁变可乐,可乐变柳橙汁---双氧水的催化作用之一

第十课时:实验主题:蒸气火山 ( 模拟火山爆发 )

第十一课时:实验主题:自制电池唱歌了

六、考核方式:
每个实验根据预习、实验过程动手能力、质疑和提出问题等综合表现、实验结果和实验报告质量等方面进行综合评价,特别鼓励以实验论文(包括查阅文献能力)提交报告。
总成绩 = 各个实验成绩平均×80% + 笔试×20%

七、开课年级;

高二年

第一课时:化学探究性实验的设计案例

一、教学目的:
    1
.认识化学实验方案设计的重要性。
    2
.复习化学实验方案设计的基本要求。
    3
.化学探究性实验方案设计的原则和方法。
二、教学重点:
   
化学探究性实验方案设计的原则和方法。
三、教学难点:
   
设计化学探究性实验方案的体会和领悟。
四、课时安排:1课时
 
五、教学过程:     [引入]
   
化学实验是化学认识的源泉,是启迪学生思维、培养能力的有效途径,是培养学生科学态度、科学方法的必由之路,是培养学生创新意识和实践能力的重要手段。前面我们学习了化学实验方案设计的基本要求,请同学们归纳一下。

    [
学生回答,老师板书]
   
一、化学实验方案设计的基本要求

    1
.科学性
    2
.安全性
    3
.可行性
    4
.简约性
    [
引入]化学实验从传统的演示实验、验证性实验为主发展到探究性实验为主,教师通过启发性讲解,培养学生问题意识、实验探究和实验设计能力。
    [
板书]二、探究性实验设计的原则
    1
.科学性的原则。所设计的实验应该符合科学道理,不能凭空捏造。
    2
.对照性的原则。要设计一个对照性的实验,要想这个实验更能够说明问题,一定要有正反两个方面的实验。
    3
.等量性的原则。所设计的实验中的平行反应,试剂的取用应该是等量的。
    4
.单因子的变量原则。对某个实验的影响,会有很多的因素,实验正是要人为控制条件,使众多变量中,只能有一个因素是变量,其余几个是一样的。
    [
板书]三、探究性实验的设计
    1
.探索性探究实验的设计
   
这类实验方案设计过程重在分析比较,操作中的现象是对方案设计合理与否的检验,以及探究性结论得出的重要依据。学生对实验方案的设计思路可能会多种多样,实验方案相应也会教多,只要无明显失误或不妥,均可由学生通过实验进行验证,之后再将方案修正完善。
   
1.含有酚酞的氢氧化钠的溶液中,滴加新制氯水,边滴边振荡,直到红色褪去。对于红色消失的原因,甲同学认为是氯气与水反应生成的HClHClO中和了NaOH所致;乙同学认为是氯气与水反应生成的HClO具有强氧化性使红色酚酞变成了无色的物质。
    [
分析]:如果红色消失的原因是因为酸碱中和,则红色可能重现,如果红色消失的原因是因为被氧化,则红色不可能重现。
    [
实验设计]:向上述刚好褪色的溶液中再滴入一些NaOH溶液,若红色重现,则是因为HClHClO的酸性所致;若红色不再重现,则是因为HClO的强氧化性所致。
   
2.对于CO32
HCO3结合H+能力,甲认为HCO3结合H+能力强,理由是在等质量的碳酸钠和碳酸氢钠固体中加入等体积等浓度的盐酸,碳酸氢钠固体中产生气体速率快;乙认为CO32结合H+能力强,理由是在同一温度下同浓度碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液的pH,前者大于后者。
    [
分析]CO32
H+的反应是分步进行的:CO32 +H+ = HCO3   HCO3 + H+ = H2O+CO2,在碳酸钠和碳酸氢钠混合溶液里滴加盐酸,若CO32-结合H+能力强,则不会马上产生气泡,HCO3-结合H+能力强,马上有气泡产生。
    [
实验设计]:取相同体积、相同浓度的碳酸钠的碳酸氢钠溶液放入同一试管中,再滴加盐酸,如果马上有气泡产生,则是HCO3先结合H+;如果是滴入一定量盐酸后才产生气泡,则是CO32
先结合H+
   
3.在室温下,把铜片放入浓硫酸中,没有明显的反应现象。对此,甲认为这是铜在浓硫酸里发生钝化现象;乙认为室温下铜片放入浓硫酸中看不到明显的现象,主要是因为铜与浓硫酸在室温下反应速率很慢。
    [
分析]:如果铜发生钝化,则表面会覆盖致密的氧化物薄膜,一般情形下难于反应。
    [
实验设计]:在烧杯中放入一块铜片,再加入适量的浓硫酸,使铜片浸没在酸中,稍待片刻,用镊子取出,用水洗净铜片表面的酸液。将用浓酸处理过的铜片放入盛有硝酸银溶液的烧杯中,观察现象。如果表面有白色的物质析出,溶液的颜色变蓝,说明铜在浓硫酸里没有产生钝化现象,乙的说法正确。如果表面没有白色物质析出,溶液的颜色也无明显变化,则甲的说法正确。
   
4.加热稀氨水,溶液中的C(OH)有什么变化?甲认为溶液中的C(OH)增大,理由是NH3•H2O是弱电解质,在溶液中存在平衡:  NH3+H2   NH3•H2  NH4++OH ,弱电解质的电离过程是吸热的,当升高温度后,平衡就会向电离的方向移动,所以氨水中的C(OH)增大。乙认为一般加热有利于电离,但氨水受热时反而不利于NH3•H2O 的电离,这是因为受热时氨易逸出,下列平衡:NH3+H2 NH3•H2 NH4++OH向左移动,使C(OH)减小。
    [
分析]C(OH)改变可以由酚酞试液的颜色变化来判断。酚酞试液遇碱显红色,如氨水中的C(OH)增大,则颜色变深;若氨水中的C(OH)减小,则颜色变浅。
    [
实验设计]:在试管中注入滴有酚酞的氨水,并在试管口套上小气球(防止氨污染空气),加热,如颜色变浅,则加热使氨水中的C(OH)减小,乙正确;如颜色变深,则加热使氨水中的C(OH)增大,则甲正确。
    [
板书]2.验证性探究实验的设计
   
这类实验的目的主要是验证化学假说和理论,注意说服力要强。
   
5.请结合所学知识设计实验,证实AlO2结合H+的能力比CO32强,供选试剂:NaOH溶液、AlCl3溶液、CuSO4溶液、pH试纸、NaHCO3溶液、FeCl3溶液(仪器自选)。
   
应选试剂;操作要点;(3)能证明AlO2结合H+的能力强于CO32的反应的原理的离子方程式。
    [
分析]:该实验为验证性实验,如果AlO2HCO3相遇时,生成 Al(OH)3白色沉淀,即可AlO2结合H+的能力强于CO32
 
    [
解答]
应选试剂:NaOH溶液、AlCl3溶液、NaHCO3溶液
   
2)操作要点:
取少量的AlCl3溶液于试管中;向试管中逐滴加入NaOH溶液直至产生白色沉淀恰好全部消失;向其中再滴入NaHCO3溶液至足量。
   
3)离子方程式:AlO2+HCO3+H2O = Al(OH)3↓+CO32

    [
板书]3.综合性探究实验的设计
   
6.已知镁能跟盐酸、醋酸反应,产生氢气。即:
    Mg+2HCl = MgCl2+H2↑         Mg+2CH3COOH = Mg(CH3COO)2+H2
   
请用镁粉、盐酸和醋酸为原料证明在同温同压下,当上述两种酸的物质的量相同时,反应产生的氢气的体积相同。
   
若收集到的氢气体积不同,则请推测氢气体积不同的原因。
    [
分析]
因为该实验是比较性实验,故在设计时要控制好两实验的条件(镁粉质量、盐酸、醋酸浓度体积要完全相同,产生氢气的实验装置要完全相同,实验时的外界温度压强要相同)。具体如下:

A、组装装置     

B、气密性检查   
     C
、取下反应发生装置,分别加入镁粉和盐酸或醋酸,再重新连接好装置
 
      D
、打开分液漏斗向烧杯加入100mL 0.1mol•L−1盐酸或100mL 0.1mol•L−1醋酸
   
     E
、测量烧杯中水的体积,比较两次实验结果。

   
影响生成氢气的体积大小因素有:一是产生氢气的量,所取的两种酸的浓度,量取两种酸的体积大小;实际参加反应的两种酸的量(因反应放热,两酸挥发而减小的程度不同)。二是收集氢气时的温度压强不同,由于两者酸性强弱不同,反应的剧烈程度不同,瞬间放出的热量不等,导致容器中的温度压强不同。

板书设计
    
化学探究性实验的设计案例
   
一、学实验方案设计的基本要求
    1
.科学性2.安全性3.可行性4.简约性
   
二、探究性实验设计的原则
    1
.科学性的原则
    2
.对照性的原则
    3
.等量性的原则
    4
.单因子的变量原则
   
三、探究性实验的设计
    1
.探索性探究实验的设计
    2
.验证性探究实验的设计
    3
.综合性探究实验的设计

[能力训练]
    1
.将双氧水溶液滴入含有酚酞的氢氧化钠溶液中,红色消失。甲认为这是由于H2O2是二元酸:H2O2 = H++HO2消耗了OH,而使红色消失;乙认为双氧水具有强氧化性,将酚酞氧化使红色消失。

    2
.在少量Mg(OH)2悬浊液中,滴加适量饱和NH4Cl溶液,固体溶解。对于固体的溶解,甲同学的解释是:在氢氧化镁悬浊液中存在溶解平衡:
      Mg(OH)2 
Mg2++2OH 
    NH4Cl
发生水解:NH4++H2O  NH3•H2O+H+水解产生的H+Mg(OH)2电离出的OH发生中和反应,使Mg(OH)2的溶解平衡向右移动而使Mg(OH)2溶解。乙同学的解释是NH4Cl电离出的NH4+Mg(OH)2电离出的OH发生反应生成弱电解质NH3•H2O,由于COH)降低,而使Mg(OH)2的溶解平衡向右移动,导致Mg(OH)2溶解。

    3
.浓硝酸与铜反应生成NO2,稀硝酸与铜反应生成NO。浓、稀硝酸哪种氧化性强?甲认为稀硝酸的氧化性强,原因是浓硝酸和铜反应产生NO2,氮元素的化合价降低1,而稀硝酸和铜反应时产生NO,氮元素的化合价降低3,氮元素得电子数后者大于前者;乙同学认为浓硝酸的氧化性强,原因是从反应条件看,浓硝酸与铜反应时速率快,稀硝酸与铜反应的速率慢,加热时才有明显反应。
    4
.向品红溶液中通入一种常见的气体后,品红褪色。甲认为通入的是氯气,乙认为通入的是二氧化硫。

[设计参考]
    1
.向红色消失后的溶液中滴入氢氧化钠溶液,若再现红色,则为H2O2的酸性所致,甲的见解正确;若不再为红色,则是因酚酞被双氧水氧化而褪色,乙的见解正确。

    2
.向Mg(OH)2沉淀中加入醋酸铵溶液,若加入醋酸铵溶液后Mg(OH)2不溶解,说明甲同学的解释正确;若加入醋酸铵溶液后,Mg(OH)2溶解则说明乙同学的解释正确。
    3
.用排水法收集两试管NO气体,用胶塞塞好,然后用注射器向一支试管中注入一定量的浓硝酸,另一支试管里注入一定量的稀硝酸,看哪种酸能将NO氧化成红棕色的NO2。能将NO氧化成红棕色NO2的酸氧化性强。
   
化学反应方程式为:2HNO3+NO 3NO2+H2O
    4
.将褪色后的溶液加热,若红色再现,则说明通入的是二氧化硫;若红色不再现,则说明通入的气体是氯气。

第二课时:实验主题:水柱弯曲了---水的极性与环己烷的非极性

一、简介

从滴定管流出来的细水柱居然弯曲了,可是环己烷柱却没有弯曲,以此现象来介绍极性的概念

二、实验步骤

1.

将两支滴定管的尖端用细长漏斗状的尖管套住并且用胶布绑住固定

2.

分别加入接近满满的水及环己烷 (或其它非极性的溶剂) 于两支滴定管

3.

将滴定管的开关旋开并尽量转到使溶液柱变的细一点,如图一和图三所示

4.

快速的摩擦两张投影片后,立即地放到水柱及环己烷柱旁边发现水柱弯曲了,如图二所示 ; 可是环己烷柱却不会弯曲,如图四所示(请看相片中它们在蓝纸上的投影)

 

图一 : 水柱自然落下

图二 : 水柱弯曲了

图三 : 环己烷柱自然落下

图四 : 环己烷柱无弯曲

三、溶液和器材

1.

两张投影片

2.

滴定管架及两支的滴定管

3.

细长漏斗状加尖管(微量移液管用的尖管)两支。

4.

两个大烧杯

5.

水及环己烷(或其它非极性的溶液),各约 50 mL

四、原理和概念

1.

水分子具有极性,在氧原子上带着轻微的负电而且在氢原子上带着轻微的正电,如图五所示,因而水是具有极性的分子具有极性的分子就会被带有电荷的物质吸引

2.

非极性的环己烷就不会被带有电荷的物质吸引

 

图五

五、教学提示

1.

天气越潮湿摩擦起电就越不容易成功,因为摩擦出来的电荷容易被空气中的水分子中和

2.

越容易摩擦起电的东西做此实验效果会越好

3.

注意摩擦投影片后要靠近水柱时,尽量不要让水喷到投影片上 ; 若投影片上有水滴,则要擦干后再摩擦,不然静电很快会被水中和

4.

水的极性可说明其在室温下是液态的,而不是气态

5.

滴定管的尖端用细长漏斗状的尖端套住的目的是使流下的液体变的更细以便实验的操作

六、问题和参考答案

1.

水有极性,试举一个物性并加以解释

:

因为水为极性分子其分子与分子间具有偶极-偶极力,再加上水分子间有氢键的存在,所以水的沸点很高

2. 

环己烷为非极性,试举一个物性并加以解释

:

与水相比较我们可以发现环己烷挥发的相当快表示其沸点极低这是因为其分子间的作用力为诱导偶极-诱导偶极力作用力很小才会挥发的这么快

第三课时:实验主题:双胞胎姊妹花---水与冰的不同命运

一、简介

0 °C 的冰与 0 °C 的水是一对双胞胎姊妹花,虽然体内皆流着相同的血液---H2O分子,但分别遇到 H2SO4,却拥有不同的命运,0 °C 的水温度上升 30-35 °C,而 0 °C 的冰反而下降 10-15 °C

二、实验步骤

1.

取一 250 mL 烧杯内装 100 mL 0 °C 的水并放入一支温度计,如图一所示。

2.

另取一 250 mL 烧杯内装 100 g 0 °C 的冰并放入一支温度计测量温度,如图二所示。

3.

分别于此两烧杯各倒入 100 mL 9 M 硫酸,并搅拌均匀。

4.

注意观察此两烧杯的温度变化,如图三和图四所示。

 

图一

图二

图三   0 °C的水加入硫酸

图四    0 °C的冰加入硫酸

三、溶液和器材

1.

两个 250 mL 的烧杯。

2.

0 °C 的冰与水各 100 g

3.

温度计两支。

4.

9 M 的硫酸水溶液:取一装 100 mL 的水,慢慢地加入浓硫酸至整个溶液为 200 mL

四、原理和概念

1.

由于硫酸加入水中进行水解,以及硫酸根和水会进行水合作用,因此为放热反应,所以温度会上升。其水解的反应式如下
  HSO4-(aq) + H2O(l) 
  H3O+(aq)   + SO42-(aq)  H<0

2.

硫酸加入冰中温度会下降的原因有二:(1) 会使溶液的凝固点下降,而且(2)以熵(entropy)的观点来看,较秩序(order)的固态H2O,溶化产生较乱度(disorder)的液态H2O,需要吸收外界的能量来改变phase(),因此会发现溶液的温度下降.

五、教学提示

1.

稀释硫酸时,注意要将浓硫酸加入大量水中,同时以玻棒搅拌溶液,使热分散。因为:(1)水的比热较大,大量的水可吸收稀释硫酸时所放出的热量,比较安全。(2)若以水加入浓硫酸,由于硫酸比热小 ( 0.329/g°C),混合后溶液的温度会迅速上升,加上水的沸点低会沸腾成水蒸气,而挟带硫酸喷出,造成溶液飞溅,亦发生危险。

2.

由于稀释为 9 M 的硫酸的过程为放热过程,温度会升高,因此应将其冷却至室温方可使用。

3.

在示范前,可要求学生先观察未加入 9 M 硫酸前的温度,并要求学生先预测加入硫酸后,冰与水的温度变化分别为如何及叙述其理由。

六、问题和参考答案

1.

加入9 M硫酸后,两烧杯内的温度有何明显的变化?

:

水加入硫酸后温度会迅速上升,上升温度约为30-35 °C;而冰那一杯则温度会先上升约10 °C再下降至零下10-15 °C

2. 

为何水那一杯温度会上升

:

由于硫酸与水发生水解和水合作用而放热,因此温度会升高。

3.

为何冰那一杯温度先升后降,且降至 -12 °C?

:

温度上升的原因乃是冰中有少许已溶化的水,而水与硫酸作用产生放热现象,所以温度先上升;至于温度会下降的原因有二:(1)加入硫酸已经改变整个溶液的凝固点,造成凝固点下降;(2)以熵(entropy)的观点来看,较秩序(order)的固态H2O,溶化产生较乱度(disorder)的液态H2O,需要吸收外界的能量来改变phase(),因此会发现溶液的温度下降啰!

4.

何谓 entropy()?

:

表明一化学反应或物理变化于一孤立系统内是否能自然发生的量称之为 entropy()

第四课时;实验主题:烧不毁的钞票---降低酒精的燃烧温度

一、简介

钞票浸润 1:1 乙醇/水的混合溶液后,点火产生火焰,但燃烧结束后钞票依旧完好如初。

二、示范步骤

1.

取三个 250 mL 烧杯依序装入 50 mL 的水、50 mL 的乙醇以及各 25 mL 的乙醇加水混合液。

2.

在各杯的液体中加入少量的 NaCl 且搅拌。

3.

用坩埚夹分别夹住一张纸,浸润上述的液体,点火并且观察燃烧情形,如图一所示。火焰熄灭后,观察纸张燃烧情形,如图二所示。

3.

以钞票代替纸张浸润乙醇加水的混合液,点火并且观察燃烧情形,如图三所示。火焰熄灭后,观察纸张燃烧情形,如图四所示。

 

图一  沾混合溶液的纸张燃烧 中

图二 火焰熄灭后纸张未燃烧

 

图三  沾混合溶液钞票燃烧中

图四 火焰熄灭后钞票未燃烧

三、溶液和器材

1.

酒精灯或打火机一个。

2.

坩埚一支。

3.

250 mL 烧杯三个。

4.

75 mL 药用酒精 (95% ethanol, CH3CH2OH)

5.

少量的固体氯化钠 (sodium chloride, NaCl)

四、原理和概念

1.

在第三杯的混合溶液中,燃烧的乙醇所产生的热量使水蒸发成为水蒸气,在此同时 部分的燃烧热被带走,此时的温度约在 230 左右, 在如此的低温下未达纸张或钞票的燃点,因此纸张或钞票无法燃烧。

2.

加入少量的 NaCl 之目的为改变火焰的颜色,钠离子使火焰的颜色呈现橙黄色。乙醇/水的混合溶液之火焰颜色为淡蓝色 ,不易观察。

五、教学提示

1.

在浸润纸张或钞票时应该确认整张都沾满液体,否则部分未润湿部分恐有烧毁之虞。

2.

可以加入不同种类的金属离子而变换火焰的颜色。

3.

重复使用混合溶液时,若发现纸张或钞票的边沿有少部分的烧黑现象,则更新混合溶液后再进行以确保纸张或钞票不会被烧掉。

4.

老师事先自备钞票或示范时向学生借用,如此可以提高学生上课注意力并且增加师生之间的互动。

六、问题和参考答案

1.

第三杯混合溶液改用其它醇类化合物是否具有相同效果?

:

一般实验室常见醇类化合物如甲醇、异丙醇等皆具有良好的燃烧性质,可以达成相同的效果。

2. 

为何使用混合溶液纸张或钞票不燃烧?

:

在第三杯的混合溶液中,燃烧的乙醇所产生的热量使水蒸发成为水蒸气,在此同时 部分的燃烧热被带走,此时的温度约在 230 左右, 在如此的低温下未达纸张或钞票的燃点,因此纸张或钞票无法燃烧。

第五课时:实验主题:""宝宝再利用---铝罐制成明矾

一、简介

铝可以和碱反应,再与硫酸作用,制造明矾结晶。

二、实验步骤

1.

用剪刀把用过的铝罐切开成片或取若干公克的铝箔,如图一所示。

2.

刮去铝片外表的漆及内面的塑料,如图二至图三所示。

3.

把铝片切成小片( 0.5 公分长),如图四至图五所示。

4.

将切好的小片放入含有50 mL 4M KOH溶液的烧杯中,如图六所示,誏它保持反应直到氢气不再生成。

5.

过滤并收集滤液于250 mL的烧杯中,或静置取上层澄清溶液。

6.

慢慢地加入25-30 mL 9M的硫酸。

7.

于烧杯下放一冰垫,观察漂亮的结晶形成,如图七所示。

 

图一

图二

图三

图四

图五

图六

 

图七

 

三、溶液和器材

1.

铝罐一个。

2.

小刀一支。

3.

250 mL 的烧杯二个。

4.

滤纸二张。

5.

4MKOH溶液:溶解112 KOH于水中形成500 mL 的溶液。

6.

9M的硫酸:于50mL的水中加入硫酸形成100mL的溶液。(注意:稀释时,以硫酸加入水中)

7.

冰块一包。

四、原理和概念

1.

AlKOH溶液的反应可形成Al(OH)4-H2,其反应式如下
2Al(s)
2OH-(aq) 6H2O(l) → 2Al(OH)4-(aq) 3H2(g)  

2.

加入适量的硫酸可形成Al(OH)3(s) 沉淀,其反应式如下:
Al(OH)4-(aq) 
H+(aq)  →Al(OH)3(s) H2O(l)

3.

再加入多余的酸可与Al(OH)3作用形成Al3+和水的澄清溶液,其反应式如下:
Al(OH)3(s) 
3H+(aq) → Al3+(aq)3 H2O(l)

4.

加入硫酸后,生成明矾沉淀,冷却可降低明矾的溶解度,其反应式如下:
K+(aq)
Al3+(aq) 2SO42-(aq) 12H2O(l) →KAl(SO4)2
12H2O(s)

五、教学提示

1.

这一连串的反应需要一些时间,可以用等待的时间来说明这些反应方程式,以及讨论铝再利用的重要性。

2.

铝的寿命可以达100年。

3.

在美国超过90%的铝氧矿石需仰赖进口,而铝回收时所需能量只是从含铝矿物提炼出铝所需能量的5%,因此铝回收以能源的观点来看相当重要。

4.

溶液中需含有硫酸盐、三价正离子(Al3+ Cr3+)及单价离子(Na+ K+)才能形成明矾结晶(离子化合物),此结晶可再长得更大。

5.

明矾常当做纸工业、腌渍食品工业中水纯化的促凝剂。

6.

沉淀过程用冰块可以加快其结晶的速率,而且放置时间长一些,沉淀量会较多。

六、问题和参考答案

1.

请描述明矾的结晶。

答:

透明粒状。

2.

如何才能使明矾中的铝再形成金属?

答:

加入活性比Al大的金属,如NaCaMg

3.

当酸加到反应后的KOH溶液中时,会产生什么现象?

答:

先有沉淀而后变澄清。

4.

如何能使明矾"长大"?

答:

a、放入一块明矾的晶种。b、在杯子下面放冰块冷却或放久一点使之慢慢冷却。

第六课时:实验主题:醋酸钠过饱和溶液及其结晶

一、简介

澄清的溶液在播入晶体后产生大量结晶

二、实验步骤

1.

用玻棒沾少许的醋酸钠晶体。

2.

放入醋酸钠的过饱和溶液中,如图一所示。

3.

观察变化现象,如图二所示,并请学生触摸锥形瓶。

 

           图一

图二  过饱和醋酸钠溶液

三、溶液和器材

1.

过饱和醋酸钠溶液:将 50 g CH3COONa·3H2O 5 mL 的水放入锥形瓶中搅拌并加热,直到所有的醋酸钠晶体全部溶解,然后置于室温下冷却。

2.

锥形瓶一个。

3.

玻棒一 支。

3.

本生灯一个。

四、原理和概念

1.

在物理化学里,饱和溶液是一种物质不能够再溶解更多物质的溶液而且加入额外量的物质将呈现沈淀。若溶液中有杂质存在,则造成溶液为不饱和而且能够溶解更多的物质,此种溶液变成过饱和溶液。饱和溶液为溶质的溶解速率等于结晶速率之溶液,这可由饱和溶液中的晶体颗粒逐渐变大,而剩下的溶质重量却不变而得知。因此饱和溶液不宜以溶有最大量的溶质的溶液来定义。过饱和溶液较饱和溶液有更多的溶质,这种状态属于介稳态,当受到某些刺激。如:加入一些固体的晶体或晃动使其产生微小的结晶),则此状态会失去平衡,过多的溶质就会结晶出来,恢复成一个适合此时温度的稳定平衡状态(饱和溶液)。

 CH3COONa(S) = CH3COO-(aq) +  Na+(aq)

五、教学提示

1.

冷却时可以用铝箔将它包起来,避免因温度突然下降很大而于冷却的过程之中就结晶出来。

2.

若冷却之后却得到晶体,可以加少许的水后再加热,直到溶液在室温时为一澄清的溶液为止,可多试几次。醋酸钠晶体可重复使用。

六、问题和参考答案

1.

此实验发生了什么现象?

:

溶液产生了结晶,而且放出大量的热,摸锥形瓶时可感受到放热。

2. 

这个反应是物理变化抑或是化学变化?

:

若物理变化及化学变化的分野端视反应是否产生新物质来定,则此实验应包括物理变化和化学变化。
以食盐溶于水为例,NaCl(S) = Na+(aq) + Cl-(aq)虽然一般将溶解解释为物理变化,但是细究之后,不难发现食盐在溶解之后,其离子便会与水产生水合离子,由微观的观点来看,溶解前后的物质并不相同,应视为化学反应,可见溶解的过程同时包含物理及化学变化。同理,结晶的形成应与溶解相似,其过程应同时包含物理及化学变化。

3.

制备过饱和溶液时,为什么要包覆铝箔让温度慢慢冷却?

:

避免因温度差异大而有晶体于冷却的过程就结晶出来。
市面上有一种热敷包,其运用的原理即是利用过饱和溶液结晶时会放出大量的热,再次使用时只要将它置于沸水中,使用时只要将热敷包中一个弹簧的金属掣片拨弄即会发生结晶的现象并放出热来。(其目的在让CH
3COO-Na+ H2O有较大的机率以特定的方位碰撞在一起,形成晶体当作晶种。)
注:市售的热敷包并不便宜,一般依其大小而有不等的价格约NT$500---1000元不等。

第七课时:实验主题:固体酒精的制作---火锅常用的热源之一

一、简介

市售的酒精块(固体酒精)并不是用酒精制作而成,其原料为工业酒精(甲醇、渗入红色色素以及醋酸钙制作而成。工业酒精具有毒性,改用乙醇以便让学生了解固体酒精的制作。

二、示范步骤

1.

7 的醋酸钙溶于 20 mL 的水中,并搅拌促使溶解,如图一所示

2.

滴加 23 滴色素或酸碱指示剂使之变色,如图二所示

3.

100 mL 95%乙醇到醋酸钙溶液,如图三所示

4.

观察凝结的变化情形,如图四所示

5.

用药匙取出少量的酒精块,置于一个倒置的烧杯上,如图五所示

6.

点火燃烧酒精块,观察火焰颜色的变化情形,如图六所示

 

图一   醋酸钙溶于水中

图二   滴加色素

 

图三   加乙醇 到醋酸钙溶液

图四   观察凝结的变化情形

 

图五   酒精块在倒置的烧杯上

图六   观察火焰颜色的变化情形

三、溶液和器材

1.

醋酸钙 7

2.

烧杯二个和量筒二个。

3.

药用酒精(95%乙醇)。

4.

色素或指示剂少许。

四、原理和概念

1.

胶态酒精(酒精块)的形成是由于酒精分子与醋酸钙之间以氢键以及金属偶极吸引力之物理静电力结合在一起。

2.

点火酒精块燃烧,火焰颜色由淡蓝色变成淡红色。淡蓝色是酒精燃烧的焰色;淡红色是钙的的焰色。

3.

直接用液体酒精燃烧,火会越烧越大,可能大到无法控制,而且酒精越烧越快,一下子就烧光了。胶态酒精(酒精块)燃烧可以慢慢释出酒精,火源稳定又持久。

五、教学提示

1.

点燃胶态酒精(酒精块)时要注意周围是否有其它可燃物,以免酿成灾害。

2.

酒精块(胶态酒精)是日常用品,常用于火锅加热,因此胶态酒精的安全性就显得相当重要。由于胶态酒精属于高度易燃化学物质,在添加胶态酒酒精之前,一定要火势完全熄灭后 再行添加;否则未熄灭的火苗容易顺着添加的胶态酒精燃烧。

六、问题和参考答案

1.

制作胶态酒精(酒精块)的过程为何?

:

适量的乙醇加入饱和醋酸钙溶液即得。

 

2.

形成胶态酒精(酒精块)的原理为何?

:

胶态酒精(酒精块)的形成是由于酒精分子与醋酸钙之间以氢键以及金属偶极吸引力之物理静电力结合在一起。

 

3.

酒精块燃烧的火焰颜色为何?

:

点火酒精块燃烧,火焰颜色由淡蓝色变成淡红色。淡蓝色是酒精燃烧的焰色;淡红色是钙的的焰色。

 

第八课时:实验主题:许愿瓶---酸碱作用之一

一、简介

准备一杯呈粉红色的溶液,让学生轮流对着锥形瓶许愿,当溶液色时愿望就会实现。

二、实验步骤

1.

25 mL 的蒸馏水装250 mL 锥形瓶,如图一所示。

2.

内加 2 滴的苯酚红指示剂及1滴的 0.5 M 的氢氧化钠溶液 ,如图二所示。

3.

让学生轮流对着锥形瓶瓶口许愿,许完愿后立即盖上瓶盖并摇动锥形瓶。

4.

观察溶液何时有颜色变化,如图三所示。

5.

魔术师的扮演:借着与学生说话的时候,偷偷换上沾有少量氢氧化钠溶液的瓶盖,可再度使该溶液再变成粉红色,经摇动后会再度呈现无色或甚至淡黄色,如图四和五所示。

 

图一  蒸馏水

图二   碱液中滴酚红指示剂

图三  许愿应验了

 

图四  变魔术

图五  变魔术

 

三、溶液和器材

1.

250 mL 锥形瓶一个。

2.

配制 0.5 M 的氢氧化钠溶液:约 3 颗半粒状氢氧化钠固体溶于 20 mL 的蒸馏水

3.

苯酚红指示剂:取约 0.0333 克的酚红Phenol red固体溶于 250 毫升的蒸馏水,再加入 5 滴的0.5 M 氢氧化钠溶液即可。(亦可直接以氢氧化钠溶液来配制)

4.

6 号橡皮塞二个

5.

蒸馏水若干。

四、原理和概念

1.

苯酚红指示剂的呈色:

pH 

颜色 

 

 

 

 

 

 

2.

未许愿前,因溶液为碱性,故呈粉红色。 许愿时,因讲话通入二氧化碳,而使溶液呈现酸性,故溶液的颜色会从粉红色转变成无色,再转变成淡黄色。但因所吹的二氧化碳的量未足以使酸性小到pH=56,故未能呈现很明显的黄色。

3.

通入二氧化碳后而使溶液呈现酸性,是因二氧化碳溶到水中会产生碳酸,进一步地再释出H+的原因。

五、教学提示

1.

此反应需时约2分钟

2.

配制氢氧化钠溶液要小心,若不小心接触,要马上用大量的水冲洗。

3.

吹气的过程中要提醒学生不要倾斜溶液,以免碰到氢氧化钠溶液。若误触,则要以大量的水漱口多次。

4.

演示过程中可借着与学生说话的时候,偷偷换上沾有少量氢氧化钠溶液的瓶盖,可再度使该溶液再变成粉红色,经摇动后会再度呈现无色或甚至淡黄色,但事后应告知详情。

5.

本实验所使用的氢氧化钠溶液之浓度不可太高,否则实验进行时间会太长,甚至不成功,应事先演练过。

六、问题和参考答案

1.

本实验的颜色变化顺序为何?

:

粉红色,经摇动后会呈现无色或甚至淡黄色。

2.

为什么我的愿望不实现?

:

切纯属不巧合,不巧合之因系二氧化碳在溶液中之量不足而未达到使指示剂变色的某一特定酸度值。

3.

所选用的指示剂有什么限制?

:

变色范围之pH以在68为宜。

4.

所选用的碱溶液有什么限制?

:

浓度不可太高,否则所呼出的二氧化碳量不足而无法中和。

第九课时:

实验主题:橙汁变可乐,可乐变橙汁---双氧水的催化作用之一

一、简介

以重铬酸钾当催化剂,加入双氧水中,观察颜色及型态的变化。

二、实验步骤

1.

1 g 重铬酸钾 100 mL 的水于锥形瓶中,如图一所示。

2.

滴加 0.5 mL 35% 的双氧水,如图二所示。

3.

摇荡一下,观察变化。

4.

五分钟后再观察一次,注意与先前有何不同,如图三所示。

5.

再过五分钟后再观察一次,注意与先前有何不同,如图四所示。

 

图一

图二

图三

图四

三、溶液和器材

1.

重铬酸钾K2Cr2O7potassium dichromate2 g

2.

35% 双氧水(H2O2hydrogen peroxide0.5 mL

3.

蒸馏水若干。

四、原理和概念

 

以重铬酸钾当催化剂,与双氧水反应时,会产生氧气及黑褐色的的中间产物(intermediate),经过 10 分钟后,黑褐色的中间产物会消失,表示双氧水的分解反应停止了。        
      K2Cr2O7  +  2H2O→  K2Cr2O9 +  2H2O
                                       
(黑褐色)
      K2Cr2O→  K2Cr2O7 + O2

                       
(橘黄色
总反应:2 H2O2 (aq)       O2 (g)   +    2H2O (l)

五、教学提示

 

当改变双氧水的浓度,分别以 3%、 6% 和 20%试之,则反应完全所需的时间与浓度之间并无太大的关系,均在 10 分钟左右即可恢复为原来的橘黄色。

六、问题和参考答案

 

为什么会有黑褐色出现?为什么最后又变回橘黄色? 

:

中间产物 K2Cr2O9 为黑褐色,且在此实验中重铬酸钾是做催化剂用,故最后会恢复为原来的颜色。

第十课时:实验主题:蒸气火山 ( 模拟火山爆发 )

一、简介

想要模拟火山爆发吗? 这个实验其实非常简单,操作容易又能达到不错的效果。

二、实验步骤

1.

准备一个干净的浅底盘,放一个 250 mL 的锥形瓶在此盘上。

2.

把约 50 mL 的双氧水倒入瓶内。

3.

盖上事先制作好的纸火山,如图一所示。

4

从火山口加入一包市售酵母粉(可使用漏斗倒入),如图二所示。

5

使用玻棒来搅拌酵母粉和双氧水(也可用手摇晃均匀),如图三所示。

6

若作用太慢也可事先在浅底盘倒入一些热水,加快反应速率。

7

不久即可看见水蒸气的泡沫从火山口冒出,如图四所示。

 

图一  纸火山的外观(装有双氧水   的锥形瓶被罩在内部)

图二   准备市售酵母粉

图三 用玻棒搅拌后迅速将纸圆锥盖上

图四 结果冒出大量的泡沫, 看起来很像火山冒出蒸气

三、溶液和器材

1.

大的浅底盘一个。

2.

双氧水 ( 50%) 200 mL

3.

锥形瓶 250 mL (或维他命瓶子)一个。

4.

热水少许。

5.

褐色厚纸板 (做纸火山用)一张。

6.

酵母粉一包。

7.

小漏斗一支。

8.

玻棒一支。

四、原理和概念

1.

过氧化氢遇到酵母混合物会快速分解产生氧气和水蒸气泡沫,其反应式如下:
2 H2O2 (aq)  2 H2O(g) + O2 (g)
H<0

2.

酵母混合物所扮演的角色是催化剂,加速过氧化氢的分解反应。

3.

所产生的气体是氧气和水蒸气。

4

该化学反应除了冒泡、蒸气和嘶嘶声外,同时还释放了大量的热。

五、教学提示

1.

若使用维他命罐要够大,才足以装过氧化氢及酵母粉,但注意必须能全部放进纸圆锥底下 。

2.

用褐色厚纸板作圆锥时可用胶带或回形针固定好,剪掉末端的尖角,让圆锥能直立在浅底盘中。

3.

倒入酵母粉后要充分搅拌,再把纸火山锥盖上,而且动作需非常迅速。

六、问题和参考答案

1.

如何证明所产生的气体是氧气?

:

由于氧气具有助燃性, 拿一根带火星的木条测试产生的气泡,观察是否有助燃现象。如果有,则该气体很有可能是氧气。

2. 

如何使火山冒蒸气的速率加快?

:

a.可增加温度以提高反应速率。b.使用较高浓度的双氧水。

第十一课时:实验主题:自制电池唱歌了

一、简介

利用氧化还原反应装置成一个电池,并且使音乐盒发生声响。

二、实验步骤

1.

取约 25 cm的镁带,折成三折并迭成约 8 cm长,然后用约 20 cm的铜线缠于上头。

2.

用一透明玻璃纸做成容器状,用橡皮圈绑住上头(不用绑紧,只要束着就好),然后插入一根约 30 cm的铜线,插入的一端最好先把它折成环状以防刺破玻璃纸,如图一所示。

3.

50 mL 硫酸铜溶液加入 100 mL 的烧杯内,将 250 mL 硫酸钾溶液加入 500mL 的烧杯内。

4.

把步骤 350 mL 的硫酸铜溶液倒入做好的玻璃纸袋内,并将它置于另一个 500 mL 的烧杯中,然后将步骤 1 之镁带也放入烧杯中,如图二所示。

5.

然后将步骤 3250 mL 的硫酸钾溶液徐徐倒入 500 mL 的烧杯中(注1如图三所示。

6.

将音乐盒接上,立即有音乐(注 2),如图四所示。

 

1.

不可将绑有镁带的铜线浸到硫酸钾的溶液中,进行步骤 5 之前,须事先让同学听听已装 1.5V 电池的音乐盒的声音大小及响了几声,以作为比较之用。

2.

正负极接错,声音不会响。

 

图一

图二

图三

图四

三、溶液和器材

1.

0.5 M 的硫酸铜溶液:
6.3 g 硫酸铜(CuSO45H2Ocupric sulfatepenthydrate)晶体溶于 50 mL 的水中。

2.

0.5 M 的硫酸钾溶液:约 21.8 g 硫酸钾(K2SO4potassium sulfate)固体溶于 250 mL 的水中)。

3.

铜线一条(约 30 cm长)。

4.

玻璃纸一张(约 625 平方厘米)。

5.

铜线一条(约 20 cm长)。

6.

镁带(约 25 cm长)。

7.

100 mL 的烧杯一个。

8.

500 mL 的烧杯 2 个。

9.

橡皮圈一条。

10.

音乐盒一只。

四、原理和概念

1.

本实验的半反应式分别为:
 Mg
s →  Mg2+aq  +  2e-
 Cu2+
aq +  2e →  Cus
全反应式为: Mgaq +  Cu2+  →  Mg2+ +  Cus

2.

电化电池的表示法:
   
电极  ∣溶液离子  ∥ 溶液离子  ∣  电极
    ________________     ________________
    
阳极                              阴极
以本实验为例:Mg∣Mg2+∥Cu2+∣Cu  可简写为Mg — Cu2+电池。

3.

电化电池的阳极:发生氧化,电子流出,氧化电位大者(还原电位小者)。
电化电池的阴极:发生还原,电子流入,还原电位大者(氧化电位小者)。

4.

氧化电位:失去电子的倾向,以伏特为单位表示;氧化电位愈大,表示失去电子的倾向愈大。
还原电位:获得电子的倾向,以伏特为单位表示;还原电位愈大,表示获得电子的倾向愈大。

5.

盐桥的功用:使电流畅通,让阴阳离子能够流通,保持电中性,防止任一个半电池积存净电荷。
盐桥的组成:为盐类的饱和溶液,且不与两个半电池之溶液发生反应者。本实验系利用玻璃纸当作半透膜,可让阴阳离子能够流通亦有盐桥的功能。

五、教学提示

1.

铜线最好先用磨砂纸磨过,再进行反应。

2.

镁带反应前先用 1 M HCl浸洗一会儿,然后迅速取出再使用。

3.

若时间许可的话,可将多个自制电池串联或并联,驱动需要更大功率的负载。

六、问题和参考答案

1.

本实验什么物质被氧化?什么物质被还原? 

:

Mg被氧化成 Mg2+,而 Cu2+ 被还原成 Cu

2. 

本实验阳极是什么?阴极是什么?

:

阳极是 Mg Mg2+、阴极是 Cu2+ Cu

3.

为什么硫酸钾溶液徐徐倒入时,不可淹没镁带与铜线连接的位置?

:

因为淹没了就成了阴极是铜,阳极也是铜的情形,电位差为零,音乐盒就不会响了。

4.

本实验产生电压有多少?

:

依标准电位计算:
                Mg
s →  Mg2+aq  +  2e-      E0 =  2.37V
          +)      Cu2+
aq +  2e →  Cus       E0 =  0.34V
    __________________________________________________
    Mg
aq  +  Cu2+  →  Mg2+ +  CusE0 =  2.71V
但实际上不是 2.71V,因为电位的大小会受浓度及温度的影响,而本实验的焦点不在探讨电位大小,要测量电位的话,可拿伏特计或万用表测量看看。

 

 
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