验证空气组成为什么用红磷——一个研究性学习课题的比较研究

摘要通过对2所学校学生同一个研究性实验课题的教学对比，两校学生的思维活跃程度、实验操作水平和实验设计能力基本没有差距，只是在理论分析时，侧重点略有不同。研究性学习这一学习方式适用于不同水平的学生，而且学生们对这种课本之外的研究都格外充满兴趣。
　　
　　关键词化学实验研究性学习比较教育
　　
　　在教学中贯彻研究性学习是现代教学的一个发展趋势。在课堂上，研究性学习一般紧紧围绕着教材进行，而教材中通常已经有了一个十分明确的标准答案或方法，对学生来说，这种研究性学习只是在得到结论的过程中走几步弯路。我们需要一个开放型的研究性学习。这种课题都是很难在教材、参考书中找到现成答案的，有的就是同学或老师的认识误区(或错误)。同学们在学习过程中没有捷径可走，只有通过自己的亲身实践，走很多的弯路试误，在失败中不断地学习、完善、提高，最终在体会到科学探索艰辛的同时得到一个比较满意的结论。这才是我们真正的研究性学习。表面上看符合这些条件的课题似乎不存在，但是实际上我们只要稍加注意，我们的身边、教材中到处都是可选课题。
　　
　　众所周知，氧气在空气中的体积比大约为21%。初中学习空气组成时有一个实验对此进行了验证，使用的是红磷做燃烧剂，然而其生成物五氧化二磷是有毒的。但是我们学习过的物质中有很多物质都可以和氧气反应，诸如:碳、硫、蜡烛、镁⋯⋯为什么教材惟独选择了红磷呢?其根据是什么?有无更好的方案?初中在验证氧气在空气中的比例时选用红磷，一些教师通常解释为:红磷与氧气反应后生成的五氧化二磷是固体，不占体积，而碳、硫与氧气反应生成的二氧化硫和二氧化碳是气体，这些气体在集气瓶中占据了一定的体积，会影响实验的准确性。这种说法对刚刚接触化学的初三学生来说是比较“完满”的。但是学习到酸碱盐一章后，问题就暴露出来了，碳、硫与氧气反应生成的是气体二氧化碳和二氧化硫同为可溶性酸性气体，是可以溶于碱性溶液中的，气体可以被完全吸收，也就是说对实验应该是没有影响的。
　　
　　课题产生了，由于初三学生的知识水平的限制，要基本解决这个问题必须选择高中的学生。为此我们在北医附中选择了一部分高二学生在课余时间进行研究，人大附中则作为“化学研究所”选修课的课题在上课时进行研究。并对比两校学生的实验及分析水平。
　　
　　一开始，教师便将这个问题提出，两校同学们都首先想到的是为了保证氧气完全反应，碳必须过量，此时碳和氧气反应会有一氧化碳和二氧化碳2种产物，而一氧化碳是不溶于水的，所以不能用碳。水平没有差别，但硫的问题都没有解决。理论猜测仅仅是猜测，事实是怎样的呢?还是靠实验数据来说话。
　　
　　同学们争先恐后地开始操作，他们分别用不同的试剂做实验，吸收二氧化碳和二氧化硫有的用水，有的则用氢氧化钠溶液代替水。10min左右，学生基本完成了实验，只有使用木炭作燃烧剂、水做吸收剂的一组同学没有完成，因为水还在一滴一滴地往下滴，这是为什么?大家各抒己见，有的学生认为是二氧化碳的溶解度小，于是教师将事先准备好的一试管干燥的氯化氢气体取出，倒立在水中，并没有出现水面快速上升的现象，因为起决定性作用的是气体溶解的速度，而二氧化碳的溶解速度很慢，而决定溶解速度快慢的又是离子的扩散速度。即使完成实验的其他同学也出现了问题———各组数据之间有很大的差距，无法得到一个准确结论。这时就要引导学生分析原因。首先，每组学生的实验条件是不完全一致的。为了数据的可比性，学生要统一实验条件。
　　
　　随后，学生通过讨论统一了实验方案，如增加缓冲瓶以防止气体泄漏，再重做一组数据。然而在学生高兴之余，老师依然要提醒学生，如果要说明你的数据是科学有效的，仅仅凭你一次两次的实验数据是没有说服力的，要有可重复性，一般要至少重复3次。由于时间的限制，不可能每个学生把所有内容都做一遍，这就要求学生做到数据共享(虽然这样做在科学性上有一定的问题，但是由于时间限制，不得不如此，也是一种遗憾)。
　　
　　于是再次开始试验操作，学生完成试验后并将数据写在黑板上让大家共享，通过几十个实验数据，剔除明显的无效和错误数据后，镁条由于副反应的存在不予考虑，发现木炭只能达到12%，蜡烛与木炭基本一致达到11%，硫黄只能达到18%，只有红磷达到了21%。与理论值接近，看来以前老师的说法似乎是有点问题。
　　
　　问题并没有结束，为排除空气中其他气体的干扰，学生提出改用纯氧做相同的实验，同时减少木炭的用量，是否能够做到完全反应(为保证木炭完全反应，人大附中的学生甚至使用了电子天平定量称取木炭)。
　　
　　于是再次进行实验，发现氧气仍然不能完全反应，红磷平均达到96%，硫黄达到88%，木炭只有60%～70%。对于红磷来说，4%的偏差可以认为是红磷燃烧到盖紧塞子的过程中的不可避免的系统误差，并可以用此数据对实验系统进行校正。但硫黄和木炭不能用系统误差来解释。那么原因是什么?
　　
　　课堂实验到此告一段落，剩下的工作就是同学们回去整理数据，查阅资料，对自己的实验数据做出一个“自圆其说”的解释。很快，同学们纷纷将实验报告交来，学生在网络、大学教材和文献中检索，各自提出了自己的解释。
　　
　　有的同学认为关键是不同反应的活化能不同，导致了碳、硫黄与氧气的反应不能完全进行。有的同学计算了各个反应的焓变:ΔH1(P)<ΔH1(S)<ΔH1(C)，认为红磷与氧气的反应最不易停止，反应进行得最彻底。有的同学根据周期表指出硫的非金属性比碳强，所以，硫比碳的效果好，而磷不是单原子分子，结构复杂，化学键断裂会有能量放出，提高温度有利于反应进行。有的同学认为木炭在和氧气反应时同时也与二氧化碳反应，不是完全生成二氧化碳后，多余的碳再和二氧化碳反应，所以不可能完全与氧气反应。有的学生提出二氧化碳浓度提高后阻碍碳与氧气的反应，所以误差最大。有的提出由于碳、硫与氧气反应生成的是气体，同时反应放热，导致容器内气压增大，反应会向逆反应方向进行，所以反应不会彻底。
　　
　　虽然这些解释有的还有欠缺和不当，但这些都是同学们自己经过独立思考完成的，实验的目的已经达到，至此试验课题完满结束。教学中，教师不给学生一个标准答案，只是引导同学的思维，不断完善实验方案，一个课题分多次完成(“化学研究所”选修课分2次4课时完成实验操作部分)，中间留给同学们充分思考和完善的时间，将通常教学的“实验”转变为“试验”。学生最后的理论解释也不作标准答案，只要求同学们能够做到“自圆其说”，体会到一个真正的试验研究过程，个别学生可能会由于各种原因而失败。研究性学习要既重视结论，但更重视过程，对学生的要求概括地说就是大胆假设，小心求证。
　　
　　虽然两所学校学生学习水平有一定的差距，人大附中是重点学校，北医附中是普通校，但是在实验课题中，两校学生的思维活跃程度、实验操作水平和实验设计能力基本没有差别;两校在实验硬件水平上的差距仅仅使得实验数据的精密度略有不同，不影响实验的最终结论。只是在理论分析时，人大附中的学生尤其是实验班的学生更注重从大学教材中寻找理论支持，而北医附中的学生和人大附中普通班的大部分学生则主要从中学的理论层面上进行解释。这更说明研究性学习这一学习方式适用于任何水平层次的学校，而且两校的学生们对这种课本之外的研究都格外充满兴趣。
　　
　　化学家戴安邦曾经说过:“化学实验教学是全面实施化学教育的一种最有效的形式”。研究性学习可以培养学生的实事求是、严肃认真的科学态度，培养学生观察、分析、解决问题的能力，培养学生逻辑思维、创造思维的能力，是提高学生学习化学兴趣的催化剂，是实施素质教育的重要一环。