氯气系列实验改进分析与建议

华中师范大学化学教育研究所(430079) 马愿愿 王后雄

安徽省肥西县农兴中学(231201) 夏守银

氯元素是典型的非金属元素，氯气和含氯化合物在生产、生活中应用广泛，《普通高中化学课程标准(2017年版)》中将“氯气的制备与性质实验、氯水的性质与成分探究”列入学习活动建议，可见氯气系列实验在化学实验探究教学中的重要作用。本文从分析课本制备氯气的实验出发，探析相关实验改进现状，以期探讨今后中学化学实验改进方向。

1 教材实验分析

研究从人教版高中化学教科书中有关氯气实验出发，分析相关原始实验的特点，进而为评价已有的改进实验提供参考。

氯气系列实验是中学化学学习中的重点内容，诸多版本教材中都有此部分知识。其中苏教版必修1、人教版必修1(旧版本)及人教版第1册(新版本)都是以二氧化锰与浓盐酸的反应为实验室制备氯气的实验，且在对比新旧版本人教版教材后发现，新教材提高此部分知识的重视程度，将其单独作为一个知识模块(旧版本在“思考与交流”栏目中以问题形式呈现)，实验装置如图1所示。

教材选用MnO2、浓盐酸作原料，酒精灯加热和分液漏斗控制滴入速率，优点是能稳定生成Cl2，且实验装置简单易操作，所用实验仪器均为中学实验室常见仪器。但教材实验仍存在缺点，如缺少净化装置(浓盐酸有挥发性)、可能有倒吸的现象，影响实验安全。针对以上问题，研究认为可将饱和食盐水和无水CaCl2作为净化装置放于发生装置与收集装置间，另在尾气处理中增加防倒吸装置(见图2)。

2 实验改进综述

在上述对氯气制备教材实验分析的基础上，对氯气的制备及性质实验的已有研究进行梳理，分析其中存在的问题，进而为类似实验改进提供借鉴。

2.1 改进对比

针对氯气的制备及性质实验存在的问题，很多教师做了很多研究，从实验原理、实验装置、改进特点等方面进行对比(见表1)，以明确目前氯气系列实验的改进现状和特点。

表1 氯气系列实验改进对比表

通过以上对比发现：首先，在原料方面，研究者多选用漂白精、氯酸钾、高锰酸钾代替二氧化锰与浓盐酸反应，或者选取生活中的“84消毒液”“威猛先生”等，认为其反应时不需加热且反应速率快，简单方便；其次，在实验装置方面，大多数研究者倾向于将氯气的制备及性质检验在一套装置中进行，即实验装置的一体化与集成化，且研究者为追求节约环保，实验装置倾向于微型化、生活化；最后，研究者多指向纯粹的实验改进，较少研究者将实验与教学相结合。

2.2 改进误区分析

经过对氯气系列实验改进文章对比分析后发现，研究者在实验装置一体化、微型化和绿色化上取得较大进步，但在原料选取和装置实用性上存在改进误区。

2.2.1 原料选用考虑不足

当前研究者多选用漂白精、氯酸钾、高锰酸钾与浓盐酸反应制备氯气，但是研究者在原料选取时仅考虑其不用加热，没有通过实际操作分析可能存在的问题。其中漂白精、氯酸钾与浓盐酸反应时伴随副反应发生，反应如下：

在上述两个反应中，反应有杂质气体氯的氧化物产生，其中Cl2O为黄棕色气体，易溶于水产生不稳定的次氯酸，ClO2为黄绿色气体，他们不仅影响氯气制备的判断，还影响漂白性的检验，且氯的氧化物一般不稳定易分解，有爆炸的风险。此外，研究者选取高锰酸钾作为原料时，忽略反应速率及原料本身特点的影响，高锰酸钾与浓盐酸反应较剧烈，不易控制反应速率，且高锰酸钾本身较深，影响反应现象的观察。总的来说，部分研究者在选取原料时考虑较多的因素是装置的简便，而对于副反应、试剂本身特点及其他方面因素考虑不足，则此类改进实验在实际操作中可能存有安全性、科学性等问题。

2.2.2 装置改进实用性低

教师与研究者改进实验的最初原因是教材中的实验在课堂上不易操作、安全性低等问题。纵观表1中实验改进特点可发现，研究者在氯气系列实验改进中主要集中于实验装置的改进，倾向于一体化、集成化等，但部分研究者走向极端化。实验装置在集成化、一体化的同时，变得过于复杂，可复制性差，实用性低，在教学中运用的可能性很小。图3利用具支试管、球形玻璃管和自制L型胶头滴管制备氯气并检验漂白性、还原性等性质，该装置虽然实现了制备与性质检验的一体化，但是装置过于复杂，难以组装，装置中一些仪器在实验室中很难找到，甚至要单独定制，且球形玻璃管内的药品很难放入。图4不仅在原料选取上存在失误，装置中的V型试管在中学实验室中很难找到，且在尾气处理部分无防倒吸装置，实验存在安全问题。中学化学实验的改进是为教学服务，旨在提高教学质量，而当前大多实验改进已偏离教学本身，有“繁、难、偏”的特点，不利于教学实施。看似装置上有诸多改进，实则是将简单的问题复杂化。

3 氯气系列化学实验改进建议

综合以上分析、研究得出3条建议，即实验改进应严格考虑可操作性、应结合前沿科学技术及应以素养培养为目标。

3.1 实验改进应严格考虑可操作性

目前实验改进的目的大致有2种：一是为课堂教学服务；二是培养学生的探究意识、操作能力等。无论改进目的是哪种，都应首先保证其具有较好的可操作性，否则改进就是无意义的。尤其当改进目的为前者时，教师应基于学生基础改进实验，应以简单易操作、现象明显、有助于学生探究为目标。当前大多实验改进过于微型化、一体化，如将制备及性质实验置于1支试管中进行的“羊肉串模型”。对于刚接触此部分知识的学生，同时观察多种性质的实验现象，极易使学生迷失概念，或者使学习停留于表层，造成课堂教学“热热闹闹”，不利于转移学生的注意力，从而很难进行深层次的探究学习，这对培养学生的高阶思维能力是非常不利的。

3.2 实验改进应结合前沿科学技术

当前，诸多前沿科学技术如人工智能、大数据与教学相结合，能取得较好的教学成果。在氯气系列实验改进中运用前沿科学技术，如数字化实验、AR实验、VR实验、虚拟仿真实验、微型实验等，可以将实验现象化微观为宏观，化隐为显，而不是一味地追求实验改进的“一体化”“微型化”“便捷化”“绿色化”。实验改进最直接目的是使得实验现象明显、实验操作适宜、实验用料节省。

3.3 实验改进应以素养培养为目标

实验改进的目标不能仅仅停留在知识与技能层面，应加强对情感与意识的关注，如培养学生用化学视角观察生活，用已有知识和技能解决具体问题的能力。应以学科素养的培养为目标，指向学生的终身发展。简而言之，就是实验改进是工具，是手段，而不是目的，其改进的目的是为了更好地培养学生的学科核心素养，而不是为了改进而改进。在改进中，要考虑如何通过实验改进，使得操作更便利、现象更明显，有利于变微观为宏观，有利于探寻化学实验现象、原理背后的学科知识、原理。实验的改进也是创新，例如在氯气教学中，可以从“含氯消毒剂”教学出发，提出问题：“能不能设计出实验方案来验证84消毒液是否具有强氧化性。”教师通过提出问题的方式驱动学生完成实验探究活动，有利于发展学生的“科学态度和社会责任”素养。