核心术语◆实验装置〓◆实验方法〓◆实验试剂〓◆实验原理〓◆实验道具〓◆实验技术〓◆实验系统

中学化学实验中总有一部分操作要求较高、环保安全性能较差而成功率又相对较低的所谓疑难实验。为对付这些疑难实验，教师必须花费较多的时间、精力进行探索和创新。教材不是“圣经”，只有根据具体情况对教材实验进行不断地改进和创新，才能使化学实验更切合教学实际，最大限度地发挥其在化学教学中的作用。下面从七个方面探讨如何优化与创新化学教材实验，以达到增强实验教学的有效性的目的。

一、 实验装置的设计与创新

面粉爆炸实验的改进张琳.面粉爆炸实验的再改进［J］.化学教学，2012(7)： 4445.

人教版《义务教育课程标准实验教科书·化学》九年级上册［实验72］面粉爆炸实验，其操作过程是： 剪去空金属罐和小塑料瓶的上部，并在金属罐和小塑料瓶的底侧各打一个比橡皮塞外径略小的小孔。连接好装置，在小塑料瓶中放入面粉，点燃蜡烛，用塑料盖盖住罐(图见本书第一章第20页)。从橡皮管一端鼓入空气(人距离该装置远一些)，使面粉充满罐，观察现象。

上述实验操作是采用鼓入空气的方法扬起粉尘。这一设计值得商榷。在密闭容器中如快速鼓入气体，即使没有面粉的急速燃烧，鼓入的空气也会使罐内气压增大，这就有可能使罐盖掀起。我们曾在一空金属罐底侧打孔，用橡皮管连接一个气囊，快速按压气囊时，罐盖能被高高掀起。如果将按压气囊的速度降低，这个实验的成功率就大大下降。分析其中原因可能是扬起的粉不够，无法集聚爆发力。总之，鼓入空气的速度很难控制。

图322〓再改进的实验罐内支架示意图

1. 实验器材

（1） 一只直径约13cm、高约17cm的有盖、密封性良好的金属罐（如奶粉罐）。

（2） 一个用铁丝制成的支架，高约17.5cm，上面覆盖60目钢丝网应正对下面蜡烛位置，平行于水平面，以保证面粉垂直落下（见图322）。

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图323〓再改进的实验装置示意图

（3） 木棒、药匙、火柴各一。

（4） 一只高约2cm的蜡烛，干燥的面粉。

2. 实验操作步骤和现象

把蜡烛固定在铁丝支架上，点燃蜡烛，将铁丝支架放入金属罐内。取2药匙的面粉轻放在钢丝网上，盖上塑料盖，迅速用木棒敲击罐盖（人离装置远一些），使面粉从钢丝网上落下。如图323所示。此时立刻能听到“嘣”的爆破声，看到罐盖被高高掀起，同时可见火光冲出罐体高达20cm以上（烛心越粗，火光越高），能直接感受面粉粉尘的燃烧爆炸。

改进后实验成功率可以近达到100%，现象明显。

3. 实验创新点

（1） 改变了扬尘方式。将鼓气扬尘变成敲击落尘，操作简单，易于掌握。

（2） 减少面粉用量，实验结束后，除罐体四周0.6m2范围内有少量面粉洒落之外，其余环境不受影响。

二、 实验方法的设计与创新

铝跟水反应的实验改进谭文生.巧做铝跟水反应的实验［J］.化学教学，2012（7）： 45.

铝虽然是活泼金属，但由于表面上覆盖了一层致密的氧化膜，不能进一步同氧和水作用，因而具有很高的稳定性。因此如何做好铝与水的反应的实验成了中学教师研究的内容之一，许多教师利用铝汞齐破坏铝原有的表面结构，阻止氧化膜的生成的方法，使铝得以和水发生反应，虽然效果不错，但反应原理不容易让学生理解。笔者设计了如下两种实验方法，效果不错，现介绍如下。

［实验方法1］

（1） 取一小块铝片放入试管中，加水2~3mL，滴加一滴甲基橙，溶液显黄色，此时观察不到有反应发生，用酒精灯加热，再观察，仍无反应发生。

（2） 在上述试管中加入适量稀盐酸，溶液由黄色变为红色，加到铝与酸反应时，停止加酸。当铝与酸反应放出大量气泡时，可以认为铝的表面氧化膜已经去掉，可向试管中滴加氢氧化钠溶液，边加边振荡试管，至溶液颜色由红色变为黄色时停止，此时铝的反应停止，铝的表面无气泡产生。

（3） 给试管里的液体加热，可看到有气泡从铝的表面逸出，此时的反应即是铝与水的反应。

［实验方法2］

（1） 在一支Y形管的两支管中分别注入适量稀盐酸和蒸馏水，并各滴一滴甲基橙（装酸的一侧呈红色，装水的一侧呈黄色，以示区别），再注入适量液体石蜡。

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（2） 按图324（1）所示，先把铝条插入Y形管穿过液体石蜡层伸入装有蒸馏水的支管中，加热，无现象（说明铝条表面有氧化膜）。再把铝条抽出穿过液体石蜡层伸入装有稀盐酸溶液的左支管中［见图324（2）］，可以看到铝条与酸反应放出气泡，当气泡大量产生时（表明铝表面的氧化膜已经去掉），把铝条抽出至液体石蜡层，稍停留一会儿，等铝条表面的反应停止后，把铝条再次伸入右边的水中，观察铝与水的反应，若无现象，可让酒精灯微微加热水层，即可看到有气泡从铝条表面逸出，说明铝与水发生了反应。

图324〓巧做铝与水反应的实验

三、 实验试剂的设计与创新

苯、苯的同系物两个经典实验的改进官晟.经典结论的再探究［J］.教育月刊，2012（9）： 7072.

苏教版《化学2》、《有机化学基础》两个实验如下：

［实验1］观察下列实验，探究苯的性质。

在两支试管中各加入2mL苯，向其中一支试管中滴入几滴酸性高锰酸钾溶液，向另一支试管中加入1mL溴水，振荡后静置，观察发生的现象。

［实验2］下列实验能帮助我们认识苯的同系物的性质。

（1） 取一支试管，向其中加入2mL甲苯，再加入3~5滴高锰酸钾酸性溶液，振荡试管，必要时可稍稍加热，观察实验现象。

（2） 取一支试管，向其中加入2mL二甲苯，再加入3~5滴高锰酸钾酸性溶液，振荡试管，必要时可稍稍加热，观察实验现象。

根据以上实验现象，你能得出什么结论？

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1. 意外现象

严格按照教材要求进行了上述两个实验，发现进行实验1时，苯的确不能使高锰酸钾酸性溶液褪色。而在进行实验2时，第一个意外发生了： 甲苯在微热试管的同时久久不能使高锰酸钾酸性溶液褪色。正在反思上一个实验失败的原因，第二个意外发生了： 实验1中还没来得及清洗的苯和高锰酸钾酸性溶液的混合液中的紫色明显变浅了，这样的异常更让人吃惊。苯不能使高锰酸钾酸性溶液褪色，甲苯能使高锰酸钾酸性溶液褪色，这个结论显然毋庸置疑，基于这个认识，我们对异常现象的发生进行了一系列的探究。

2. 实验探究

（1） 对实验1的探究

配制0.50%（浓度约为0.031mol/L）的KMnO4溶液10.0mL，用蒸馏水稀释20倍后贮存于棕色试剂瓶中，滴入2mol/L的稀硫酸6~8滴，备用。另取化学纯苯和分析纯苯各一试剂瓶，备用。

取试管若干，分别按照表33所示的药品用量进行实验，塞上橡皮塞连接振荡试管5min，观察实验现象，具体现象如表33所示。

表33〓不同纯度试剂苯产生的实验现象

实验序号V(苯)/mL化学纯V(苯)/mL分析纯V(蒸馏水)/mLV(KMnO4)/滴褪色时间（min）

①200333.4

②020352.3

③002392min后颜色变浅

④001（另加1mL稀硫酸）367min后颜色明显变浅

通过实验我们发现，药品的用量不同，都能使不同浓度的高锰酸钾酸性溶液的颜色发生变化，只是时间上的差异。哪怕是作为空白实验的③④两个组也能使高锰酸钾酸性溶液的颜色发生变化。此次实验探究说明，演示实验异常现象（久置之后苯使高锰酸钾酸性溶液褪色）的发生显然不能真正说明是苯使高锰酸钾酸性溶液褪色了，那么到底是什么原因呢？

通过对探究实验的分析并结合资料，笔者认为原因如下： ① 试剂的纯度。苯的工业制法分馏操作过程中难免会混入一些比苯还原性强的杂质，如微量的甲苯等。这些混入的杂质会使高锰酸钾酸性溶液褪色，探究实验①②中试剂纯度的不同导致了高锰酸钾酸性溶液褪色时间的差异可以充分说明这一因素的存在。② 硫酸加入量的多少和光照的影响。实验③④表明，硫酸加入量的不同，高锰酸钾溶液褪色的时间和程度是有区别的。

资料表明： MnO-4在水溶液中是比较稳定的，但是放置时会缓慢地按下式反应： 4MnO-4+4H+4MnO2+2H2O+3O2↑，在光线照射下这一反应会加速进行，通常用棕色瓶盛装KMnO4溶液。若MnO-4的溶液中有微量酸存在时，上述反应也能加速进行，因此MnO-4在酸性溶液中是不稳定的。笔者对此也进行了实验，即取少量高锰酸钾酸性溶液于试管中不断振荡，3min后发现溶液紫红色略微变浅，且有少量黑色粉末状固体生成，也充分说明了高锰酸钾自身分解的事实。而探究实验全部是在透明的酸性环境中进行的，且持续的时间也比较长。这些因素可能也是苯使高锰酸钾酸性溶液褪色的元凶之一。

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因此笔者建议，在演示该实验时，尽量使用纯度较高的试剂，如分析纯，有条件的学校可以选择优级纯。要严格控制实验中稀硫酸的加入量。另外，实验的时间尽量控制在5min之内，少振荡且不允许加热。

（2） 对实验2的探究

配制0.50%（浓度约为0.031mol/L）的KMnO4溶液10.0mL，贮存于棕色试剂瓶，备用。另取分析纯甲苯和二甲苯各一试剂瓶，备用。

取试管若干，分别按照表34和表35所示的药品用量进行实验，塞上橡皮塞振荡试管，必要时水浴加热，观察实验现象。具体现象如表34、表35所示。

表34〓不同药品用量甲苯使酸性KMnO4溶液褪色时间探究实验

实验序号V(甲苯)/mLV(KMnO4)/滴V(稀硫酸)/滴V(蒸馏水)/mL水浴温度/℃完全褪色时间

①2312607min

②2321603min

③23306055s

④213260127s

⑤22316083s

⑥23306055s

⑦2330室温2min有明显褪色，但10min仍没有褪成无色

表35〓不同药品用量二甲苯使酸性KMnO4溶液褪色时间探究实验

实验序号V(二甲苯)/mLV(KMnO4)/滴V(稀硫酸)/滴V(蒸馏水)/mL水浴温度/℃完全褪色时间

①2312605min

②2321602.5min

③23306049s

④213260106s

⑤22316063s

⑥23306049s

⑦2330室温2min有明显褪色，但10min仍没有褪成无色

通过对探究实验的分析并结合资料，笔者认为能影响甲苯和二甲苯使高锰酸钾酸性溶液褪色的原因如下：

（1） 硫酸溶液浓度的影响。通过表34、表35的实验①②③的对照，我们发现，由于硫酸浓度的差异，出现了甲苯和二甲苯使高锰酸钾酸性溶液褪色时间上的差异。其实不同的介质能影响高锰酸钾溶液的氧化能力。高锰酸钾是锰元素的最高价物质之一，所以它的特征性质是强氧化性，其氧化能力和还原产物随溶液的酸度有所不同。高浓度硫酸可以增大高锰酸钾的电极电势，从而增强高锰酸钾的氧化能力，加快反应。另一方面，高锰酸钾在酸性溶液中易分解，高浓度硫酸加速

高锰酸钾的分解，表35中的实验③④的对照也能说明。（2） 高锰酸钾的浓度。对照表34、表35中的实验④⑤⑥，显然高锰酸钾浓度的不同对实验现象的差异起了作用。（3） 温度的影响。甲苯和二甲苯是不溶于水的，当甲苯和二甲苯和高锰酸钾水溶液放在一起时，很快就会分成两层——有机层和水层，因此不能充分反应，虽经过振荡，但加热还是必须的。

3. 实验启示

因此建议，在演示该实验时，首先在试剂的选择和配比时应该做充分的考虑，比如高锰酸钾的浓度多少合适，硫酸的添加量是多少，等等。经过笔者的反复实验认为，高锰酸钾的浓度宜控制在0.2%左右，硫酸的浓度为1∶1。并且要注意甲苯或二甲苯与高锰酸钾溶液相对量的多少，高锰酸钾宜少不宜多，若高锰酸钾过量，过量的高锰酸钾会呈现紫色，使实验现象“异常”。另外，还应该增加有机物和高锰酸钾水溶液的接触面积，除了振荡和必要的加热外，还尝试性地在该实验中加入了少量的洗洁精（含有表面活性剂），结果显示能明显提升高锰酸钾溶液的褪色速度。

综上所述，在进行演示实验前，教师事先在准备室一定要单独进行实验，探究实验成功的关键因素，以确保实验成功，从而达成教学目标的落实。而对许多的化学问题我们不能凭主观感觉去臆测得到结论，化学是一门实验科学，更多的时候我们应该运用实验的手段来进行验证，通过实验，让事实来说话，否则可能得到的结论是错误的甚至是荒谬的。

四、 实验原理的设计与创新

AgSCN沉淀溶解平衡的实验设计李发顺.探究AgSCN沉淀溶解平衡的实验设计［J］.化学教学，2013（2）： 4344.

苏教版高中化学选修教材《化学反应原理》在原有化学平衡、电离平衡和水解平衡基础上增加了难溶物的沉淀溶解平衡。痕量的变化通过肉眼直接很难观察，甚至根本看不到到底是否溶解，教材选用PbI2固体加水固液共存，在上层清液中滴加AgNO3检验有I-电离，说明存在沉淀溶解平衡，笔者认为只能证明PbI2能少量溶解在水中，而无法证明PbI2在水中存在沉淀溶解平衡。在实践中怎样将痕量变化以较明显的颜色变化显示出来呢？试着从典型的颜色变化去寻找，经过实践与思考，最后确定用中学实验常见的AgNO3和KSCN反应产生的白色沉淀，溶液中也一定存在极少量的Ag+和SCN-，通过增加或减少Ag+浓度实现平衡移动，以外显的红色变无色和红色加深来显示，既便于观察，又直观地证明了沉淀溶液平衡的存在。

1. 实验目的

通过分析现行苏教版《化学反应原理》教材发现，教材中的难溶物是选用PbI2。我们虽能证明PbI2固体能部分溶于水，但由于溶解量的变化很小，较难观察到溶解平衡移动的明显现象。为了能证明难溶物存在沉淀溶解平衡，笔者将教材实验进行改进，选用AgNO3与KSCN反应生成的AgSCN白色沉淀为例，通过化学平衡移动来证明难溶物存在沉淀溶解平衡。

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2. 实验仪器及试剂

3支试管、胶头滴管、试管架、2支5mL注射器。0.005mol·L-1 AgNO3和0.005mol·L-1 KSCN溶液，2mol·L-1 Fe(NO3)3溶液、3mol·L-1 AgNO3溶液、3mol·L-1 KI溶液、蒸馏水。

3. 实验原理

AgNO3+KSCNAgSCN↓+KNO3，AgNO3与KSCN按物质的量之比1∶1时恰好完全反应，所以实验采用等浓度等体积的AgNO3和KSCN溶液混合，产生的AgSCN是一种白色沉淀。实验通过检验AgSCN白色固体在水中溶解产生SCN-及其浓度变化，证明存在AgSCNAg++SCN-，利用SCN-显色反应原理，在清液中滴加2mol·L-1 Fe(NO3)3溶液，观察溶液颜色变化。

298.15K，Ksp（AgSCN）=1.1×10-12，溶液中c(SCN-)=c(Ag+)=1.05×10-6mol·L-1，滴加2滴2mol·L-1 Fe(NO3)3溶液时，溶液出现血红色，再滴加3mol·L-1 AgNO3溶液5滴，上层液颜色变浅，直至褪色，反应很灵敏，因为增加溶液中Ag+浓度，AgSCN的沉淀溶解平衡向沉淀方向移动，溶液中SCN-浓度降低，使得Fe(SCN)3减小直至痕量；滴加3mol·L-1 KI溶液5滴，红色加深，因为I-与Ag+结合生成更加难溶的AgI［298.15K，Ksp(AgI)=8.5×10-17］，使得AgSCN沉淀溶解平衡正向移动，溶液中SCN-浓度增大，使Fe(SCN)3浓度增大，故颜色加深。

4. 实验步骤与现象（见表36）

表36〓实验步骤及现象

步骤一步骤二步骤三步骤四

操作取三支试管，编号1、2、3，各加入1mL 0.005mol·L-1 AgNO3溶液向三支试管中各加入1mL 0.005mol·L-1 KSCN溶液，静置1分钟向三支试管中各滴加2滴2mol·L-1 Fe(NO3)3溶液，观察现象向试管1中滴加5滴蒸馏水，试管2中滴加5滴3mol·L-1 AgNO3溶液，试管3中滴加5滴3mol·L-1 KI溶液，振荡静置2分钟，观察现象

现象得到无色澄清溶液出现白色浑浊出现红色试管2分层，上层是无色澄清溶液，下层白色沉淀，试管3溶液变深红色

结论无色澄清溶液出现AgSCN白色沉淀溶液显红色，生成Fe(SCN)3，AgSCN能少量溶解增加Ag+浓度，AgSCN沉淀溶解平衡逆向移动，降低Ag+浓度，AgSCN沉淀溶解平衡正向移动，证明存在沉淀溶解平衡

5. 改进的意义

将教材原实验改用AgNO3和KSCN反应产生白色沉淀，溶液中也一定存在极少量的Ag+和SCN-，通过增加或减少Ag+浓度实现平衡移动，以外显的红色变无色和红色加深来予以展示，其原因有三。首先，让学生从溶液中颜色变化能直观（感性）感受到平衡在移动，说明沉淀溶解平衡的存在易于观察与理解；其次，实验中选用的试剂对学生来说也比较熟悉，实验现象（Fe3+与SCN-结合显血红色）也是高中学生已知的知识；再次，选用的试剂也在中学化学实验室常见，取用时也比较方便。

五、 实验道具的设计与创新

利用注射器巧做苯和溴代反应实验赵立国，等.利用注射器巧做苯的溴代反应实验［J］.化学教育，2011（8）： 56.

苯的溴代反应是苯的重要化学性质之一。利用一次性注射器，设计出了全封闭式的“苯的溴代反应”实验装置。

1. 实验材料

（1） 一次性注射器10mL 1支、20mL 3支；注射器针头2个；2号、3号橡胶塞各1个；钢锯条1根；粗铁丝8cm；脱脂棉若干。

（2） 苯；溴；粗铁屑（车床下来的铁刨花）；0.1mol/L硝酸银溶液；蒸馏水。

（3） 分别取10mL、20mL一次性注射器各1支，用钢锯条将装针头端锯掉（如图325所示）。

（4） 取1个3号橡胶塞，靠一侧穿入1根8cm长的粗铁丝后，小头端的铁丝端弯成一个小钩，牢固地钩挂住一个约5g左右的粗铁屑（铁刨花）。

2. 实验方法及其现象

（1） 将加工好的20mL注射器的注射栓调整到刻度为10mL处，向注射管中注入苯4L、液溴1mL，然后将带有粗铁丝和粗铁屑（铁刨花）的橡胶塞紧紧塞在注射器的注射管口处（如图326所示）。

图325〓去尖嘴端的注射器

图326〓苯的溴代反应器

图327〓吸入溴化氢气体

图328〓向反应器中注入蒸馏水

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（2） 用力将粗铁丝下推，使粗铁屑与苯和溴的混合物相接触，片刻可观察到反应进行，液体中有气泡生成，注射栓慢慢下移，产生的气体被完全密封在注射管内。

（3） 待反应停止后，上提粗铁丝，使粗铁屑离开液面后，将装有用四氯化碳润湿的脱脂棉的20mL注射器的针头插入到橡胶塞中（如图327所示），慢慢上推作为反应器的注射器的注射栓，上提注射器的注射栓，使产生气体通过浸有四氯化碳的脱脂棉（起到吸收溴蒸气的作用）进入注射器的注射管内。

（4） 将10mL去尖端的注射器的注射栓调整到刻度为5mL处，向内注入2mL 0.1mol/L的硝酸银溶液，然后管口处用2号橡胶塞紧紧塞住。将吸有气体的注射器取下，迅速将其针头插入到该注射管的胶塞内，并将注射管内的气体慢慢注入注射管内的硝酸银溶液中，可观察到盛有硝酸银溶液注射管内的注射栓下移，溶液中立即产生淡黄色沉淀。由此说明苯与溴反应产生的气体是溴化氢气体。

（5） 取另外1支20mL注射器，吸入10mL蒸馏水后，将针头插入作为苯溴代反应器的橡胶塞内，下拉反应器的注射栓，下推盛有蒸馏水的注射器的注射栓，向下方的注射管内反应混合物里注入10mL蒸馏水（如图328所示），可观察到在水的底部有褪色油状物产生，说明苯与溴反应时除生成溴化氢气体外还生成了溴苯。

3. 实验优点

（1） 此实验由于均在密闭容器进行可防止溴蒸气、溴化氢等有害气体外逸而污染环境。

（2） 由于实验装置小，药品用量小可以节约药品，是一个典型的微型化学实验。

（3） 此实验装置取材容易，制作简单，操作方便，效果明显，可用于演示实验和分组实验。

在中学化学教学中，使用一些特殊的小道具能将实验以新的面目出现，从而给学生耳目一新之感，激发了学生的兴趣和热情，达到了较好的教学效果。

六、 实验技术的设计与创新

电解过程离子在磁场作用下的定向运动实验设计孙黎颖.电解过程离子在磁场作用下的定向运动［J］.化学教学，2013（1）： 4446.

电解反应是高中化学的重要原理，但以往的实验很难观察到电解时离子的微观变化运动过程，也不易判断电极产物规律。英国经典中学化学实验“Movement of ions during electrolysis（电解中的离子运动）”用溴甲酚紫试液和培养皿等微型仪器，观察到电解过程离子的微观变化和磁场中的定向运动，直观地体现了现代化学分析仪器质谱仪等的工作原理。

1. 实验方案介绍

英国的实验设计巧妙，现象鲜明有趣，但有以下不足：

（1） 没有说明实验的工作电流强度，带来实际操作困难。

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（2） 磁铁产生的磁场不稳定，实验效果极易受影响。磁铁放在培养皿的上方还影响观察现象。

（3） 导线的尖嘴夹作电极。含铁的尖嘴夹作阳极时参加反应失去电子很快被“腐蚀”。

（4） 实验没有深入探究多种材料作电极的产物规律，化学学科性不足。

针对以上不足，对实验进行了如下改进：

（1） 使用合理的工作电压和电流，实验现象迅速出现。

（2） 电流产生磁场。电流产生的磁场稳定，所以培养皿中的实验现象也稳定。

（3） 特制的透明有机玻璃支架确保良好的实验观察视野。

（4） 探究多种离子的电离及电极产物规律。铜片、石墨作电极。除了溴甲酚紫，还使用氨水、pH试剂显示铜离子、氢离子和氢氧根离子。改进后的实验不仅保留了英国实验的优点，而且实验现象更稳定，更贴近我国化学教学要求。改进后的实验旨在探究多种材料作电极时的电极产物规律，观察多种离子的电解微观变化过程以及在磁场中的定向运动。

2. 实验仪器和装置

第一部分： 电流产生磁场的装置。螺线管，滑动变阻器（1.5A 50Ω，使用的有效电阻为10Ω），直流电源（工作电压24V，工作电流3A），有机玻璃支架，双刀双掷开关，导线。

第二部分： 电解装置。铜片，石墨棒，培养皿（Φ＝90mm），导线，0.5mol/L的硫酸钠溶液，1%的溴甲酚紫试液（1g溴甲酚紫溶解于100mL 95%的酒精），0.5mol/L的稀硫酸，氨水（V水∶V浓氨水＝2∶1），pH试剂。

两部分实验装置并联在电源上。改进实验增加了第一部分装置，电流产生的磁场更稳定。第二部分电解装置中增加了铜片和石墨棒等。玻璃支架上面放置培养皿，下面固定一个铁芯螺线管，螺丝管在被观察电极的正下方，不遮挡视线。

实验整体装置图及仪器的组装见图329和图330。

图329〓实验整体装置图

图330〓培养皿俯视图

3. 实验原理分析

这个实验的电解溶液为硫酸钠溶液。根据观察的离子选取不同的指示剂。

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（1） 阴极产物判断

电解时阴极处的氢离子得到电子生成氢气，阴极附近溶液中有大量的氢氧根离子。溴甲酚紫试液捕捉到氢氧根离子的变化过程。溴甲酚紫（化学式C21H6Br2O5S，pH变色范围5.2黄色~6.8紫色）的摩尔质量为540g/mol，远远大于酚酞（化学式C20H14O4）的摩尔质量318g/mol。这样含有大量氢氧根离子的溶液不仅呈现鲜艳的紫色，而且显色后不易扩散。

（2） 阳极产物判断

非惰性电极和惰性电极作阳极时电解产物不同。非惰性电极（指金属活动性顺序表Ag以前的金属）是电极材料本身失去电子，如作阳极的铜失去电子变为铜离子。检验铜离子的常用方法是氨水和铜离子形成绛蓝色的铜氨络离子。惰性电极（指Pt、Au、石墨）则是溶液中阴离子失去电子。溶液中氢氧根离子较硫酸根离子易失去电子生成氧气，阳极附近生成大量的氢离子。pH试剂可测pH在4~10之间的无色溶液酸碱性。pH不同，则溶液颜色不同。酸性呈黄色，中性呈绿色，碱性呈蓝色。

（3） 离子在磁场中的定向运动原理分析

实验所需的磁场由电流产生。根据右手螺旋定则（安培定则），电流产生磁场。电流产生的磁场比较稳定。溶液中的离子自由扩散运动。电解时产生的离子还受到电解槽中电流形成的电场力，电场力使离子获得了运动的初速度。阳离子运动方向与电流方向一致，阴离子运动方向与电流方向相反。即氢氧根离子从阴极向阳极运动，铜离子和氢离子从阳极向阴极运动。磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力。洛伦兹力能改变离子运动的方向，根据左手定则可以判断洛伦兹力的方向，即运动改变的方向。如果阴极附近产生的氢氧根离子在N极向上的磁场中运动，它会向阳极顺时针螺旋运动。如果磁场变为N极向下，它会变为逆时针螺旋运动。磁场中电解反应产生的离子，同时受到电场力、洛伦兹力、扩散等诸多因素相互影响。只有洛伦兹力占据主导地位时，才可以成功地观察到预期的实验效果。

4. 氢氧根离子定向运动实验

（1） 实验前准备及说明

［按照装置图组装电路和器材］

第一部分装置中，根据右手螺旋定则（安培定则），使电流形成的磁场N极向上。第二部分装置中，导线一端连接电源，另一端的尖嘴夹把铜片固定在培养皿的边缘，如图331所示。

［调配电解质溶液］

观察氢氧根离子时使用溴甲酚紫试液。取30mL硫酸钠溶液，加入10mL水，再加入约6至8滴溴甲酚紫试液，无色溶液变为紫色。最后向溶液中滴入约3滴稀硫酸，使溶液恰好酸化变为黄色。酸化调色旨在获取良好的视觉效果。

（2） 实验操作步骤和现象结果

① 向培养皿中倒入硫酸钠混合溶液，静止片刻。打开直流电源。

② 实验现象： 阴极产生大量气泡。阴极附近出现紫色的溶液，向阳极顺时针运动。黄色的溶液中渐渐形成紫色的螺旋。

③ 通过双刀双掷开关改变第一部分电路中电流方向，磁场变为N极向下。

④ 实验现象： 顺时针运动的紫色螺旋溶液迅速倒退，变为方向相反的逆时针运动。如图332所示。

〓〓

实验结果： 电解时阴极附近形成大量的氢氧根离子，使溴甲酚紫试液变为紫色，氢氧根离子带负电荷。运动的氢氧根离子受到磁场中洛伦兹力的影响运动方向发生偏转。

图331〓氢氧根离子顺时针定向运动〓〓〓〓图332〓氢氧根离子逆时针定向运动

（3） 多种离子定向运动实验总结

这个实验装置还可以观察铜离子定向运动以及氢氧根离子和氢离子共同定向运动。三个实验总结见表37。实验录像见http://www.tudou.com/programs/view/A_mCYMuSOmk/。

表37〓三个实验总结

实验名称条件实验1〓氢氧根离子定向运动实验2〓铜离子定向运动实验3〓氢氧根离子和氢离子共同定向运动

电解槽培养皿培养皿培养皿

电解液30mL硫酸钠溶液和10mL水30mL硫酸钠溶液30mL硫酸钠溶液和10mL水

指示剂溴甲酚紫试液和稀硫酸10mL氨水pH试剂

电极铜片铜片石墨棒

现象

N极向上

N极向下

阴极附近的紫色溶液向阳极顺时针螺旋运动

变为逆时针运动

阳极附近的绛蓝色铜氨络离子向阴极逆时针螺旋运动

变为顺时针运动阳极附近的黄色溶液和阴极附近的深蓝色溶液，共同逆时针螺旋运动

总结电解时，硫酸钠溶液是电解质溶液，阴极生成氢氧根离子，带负电荷。阳极为非惰性电极则金属本身失电子，阳极为惰性电极则溶液中离子失电子，氢氧根离子较硫酸根离子易失电子。这些运动的离子在磁场中受到洛伦兹力定向运动

5. 教学实践的体会

经过本土化改造的实验既吸收了英国经典化学实验的长处，又体现我国实验设计和教学的优点。这个实验案例在华中师范大学开设的《英国剑桥化学实验》拓展课中教学效果良好。学生感受到了科学之美。这个实验现象生动有趣，色彩对比鲜明，化学和艺术结合，激发了学生的兴趣。学生通过实验观察到电解过程中多种离子的产生、运动和电性，探究电解的微观过程和电极产物规律。学生形象地理解了基础知识的应用。实验中化学和物理整合，基础知识与社会生产联系，体现“运动的带电微粒在磁场中方向发生偏转”，这也是现代化学分析仪器质谱仪的工作原理。它在太空探测、大气污染物分析、病人手术麻醉等生产生活中发挥了重要的作用。实验装置简单，各种装置均为中学实验室常见的仪器。实验操作简便，易推广。

七、 实验系统的设计与创新

石蜡油分解实验的改进刘文芳.石蜡油分解实验的改进［J］.化学教学，2011（11）： 4142.

人教版普通高中课程标准实验教科书化学必修2第三章第二节的科学探究栏目引入一个实验： 石蜡油分解实验。所用实验装置见教材第67页。将浸透石蜡油的矿渣棉放在试管最里端，碎瓷片放在试管中部，在碎瓷片下方用酒精灯加热，预计石蜡油气化，产生的石蜡油蒸气外逸，遇到高温碎瓷片发生分解，产生不饱和烃使溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色。该实验的目的，主要是说明产物中含有与烷烃性质不同的烃——烯烃。

在实际教学中发现，此实验存在如下的问题： ① 石蜡油和矿渣棉在普通中学实验室不常见。② 由于酒精灯在碎瓷片下方加热，石棉能吸附的石蜡油量较小，石蜡油气化的温度较石蜡油分解温度低，结果石蜡油多数都已经变为蒸气逸出，碎瓷片温度还尚未能升至石蜡分解所需温度，而当碎瓷片温度升至足够石蜡分解温度时，石蜡已大部分气化并逸出装置，由于剩余的石蜡量少，气化后遇碎瓷片分解产生烯烃的速率慢，产生烯烃的总量小，导致溴水或酸性高锰酸钾溶液褪色所需时间较长（3mL 0.01mol·L-1硫酸酸化的高锰酸钾溶液约12min完全褪色）或不能完全褪色，无法达到实验目的，因此存在实验成功率低，实验时间较长等问题。

改进后实验采用固体石蜡代替石蜡油，自制长弯头试管代替课本实验装置中的普通试管对此实验进行了改进，取得良好的实验效果，并且改进后不需矿渣棉。

图333〓改进后的石蜡油分解装置

1. 改进后的实验

（1） 按图333组装实验装置，检查装置的气密性。

（2） 向试管弯头中加几块石蜡固体，然后在距离试管口约2/3处放5~8片直径约1~1.5cm的碎瓷片（可以用废旧坩埚碎片，实验效果良好）。

（3） 点燃酒精灯1，约30s后碎瓷片温度上升，点燃酒精灯2，试管弯头内石蜡固体逐渐熔化，约40s后石蜡油即可沸腾产生石蜡蒸气。

（4） 观察到小试管中酸性高锰酸钾溶液（或溴水）迅速褪色。

2. 实验结果讨论

经查阅大学有机化学教材及相关文献： 石蜡的组分为C20~C24直链烷烃（约为80%~95%），还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃（2者合计含量20%以下）。

烷烃在无氧存在下，在高温（800℃左右）碳碳键可以断裂，大分子化合物变为小分子化合物，这个反应称为热裂。碳碳键、碳氢键均可断裂，断裂时可以在分子中间，也可以在分子旁边，分子愈大，愈容易断裂，热裂后的分子还可以再进行热裂。总的结果，大分子烷烃热裂成分子更小的烷

烃、烯烃。石蜡油又称矿物油，是从原油分馏得到的无色无味的混合物，石蜡油的成分主要为正构烷烃，常温下呈液状，故又称液体石蜡。按我国石化行业标准分重质液体石蜡和液体石蜡两大类。主要成分分别为： C13~C18和C10~C13的正构烷烃。由于石蜡的分子较石蜡油的分子大，所以石蜡较石蜡油更容易分解。

一般中学实验室都可以找到固体石蜡，且学生对石蜡固体较石蜡油熟悉，更能激起学生的学习兴趣。

用自制长弯头试管（横长25cm，竖弯头高10cm，外径2.5cm）代替普通试管，不需矿渣棉，加热碎瓷片后无干扰，碎瓷片迅速升至高温，加热试管弯头中的石蜡至沸腾，源源产生石蜡蒸气，遇到高温碎瓷片发生分解，由于弯头较高，石蜡虽然沸腾但不会冲到碎瓷片上，实验现象明显、迅速。

3. 改进后实验的优点

（1） 操作简易。改进后的实验装置简单，便于组装，实验过程方便快捷，总耗时约2~4分钟。

（2） 现象明显、成功率高。改进后的实验装置，实验成功率极高（几乎100%）。长度约1cm，直径1.2cm的蜡烛用石蜡块加热熔化后可以持续沸腾约6min仍略有剩余，由于沸腾产生石蜡蒸气较多，加热酒精灯2后，石蜡蒸气持续在高温碎瓷片上分解，产生不饱和烃量大，通入酸性高锰酸钾溶液，现象明显。

（3） 实用性强。由于具备以上特点，改进后的实验不仅适合课堂演示操作，还适合学生分组实验。

综上所述，我国21世纪中学化学实验的发展步伐将大得多，其实验的选题及教学形式有综合化、多元化的发展趋势；实验方法、手段有微型化、简约化等发展趋势；实验的内容和编排有着趣味化的发展趋势；实验操作将显得更简便、卫生、安全、可靠；实验的装备和设施将越来越现代化、科学化。