陳 熙

（福州第一中學(xué)，福建 福州 350001）

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)在探究物質(zhì)組成、認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)、形成化學(xué)用語(yǔ)、掌握性質(zhì)變化規(guī)律和建立化學(xué)概念中起著重要作用。在高中教材中，認(rèn)識(shí)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，形成化學(xué)概念，建立化學(xué)理論，幾乎都要通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)、解決生產(chǎn)和生活實(shí)際問(wèn)題的重要途徑和方法，著名化學(xué)家戴安邦曾反復(fù)強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，無(wú)論如何都不過(guò)分”。教師演示實(shí)驗(yàn)一般具有以下特點(diǎn):裝置較為復(fù)雜、所需試劑較多、反應(yīng)條件較高或具有一定安全隱患，教材通常將教師演示實(shí)驗(yàn)安排在認(rèn)識(shí)化學(xué)概念、組織問(wèn)題討論、形成化學(xué)用語(yǔ)和建立理論等部分。教材中設(shè)置的教師演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，往往是教材的精髓，一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)要得出或形成結(jié)論，一般要通過(guò)創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)目刂谱兞縼?lái)實(shí)現(xiàn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的控制變量，最常見(jiàn)的是控制單一變量。所謂的控制單一變量，是指某實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受多變量的影響與控制，為了研究它的變化規(guī)律，人們常常利用控制變量的方法，把多變量的問(wèn)題變成多個(gè)單變量的問(wèn)題，每一次只改變其中的某一個(gè)變量，同時(shí)控制其余幾個(gè)變量不變，從而研究被改變的這個(gè)變量對(duì)物質(zhì)性質(zhì)與變化規(guī)律的影響，其他變量的影響依次依據(jù)該方法分別加以研究，最后再匯總所有變量的影響，綜合得出多變量對(duì)物質(zhì)性質(zhì)與變化規(guī)律的影響規(guī)律，這樣可以大幅提升研究效率。化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常見(jiàn)變量有:物質(zhì)的量、組成與結(jié)構(gòu)、物料順序、溶解度、溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等。下面以蘇教版高中化學(xué)教材為例，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，筆者試論析控制變量尤其是控制單一變量在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位與應(yīng)用。

一、控制物質(zhì)的量

案例1:必修1專(zhuān)題2第一單元的實(shí)驗(yàn)1:用一支100mL針筒抽取80mL氯氣，然后抽取20mL水，震蕩，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

現(xiàn)象分析:可以把針筒近似看做一個(gè)恒壓裝置，100mL針筒抽取80mL氯氣，然后抽取20mL水，此時(shí)針筒活塞的讀數(shù)應(yīng)在100mL刻度處，震蕩，氯氣逐步溶于水，針筒內(nèi)氯氣的物質(zhì)的量減小，氣體壓力降低，在外界大氣壓的作用下，針筒的活塞逐步內(nèi)移，當(dāng)活塞停止移動(dòng)時(shí)，停在約60mL刻度處，即針筒內(nèi)含有約20mL溶液與40mL氯氣。仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)溶液呈黃綠色，說(shuō)明氯水中存在大量的氯分子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明氯氣能溶于水（在常溫下，1體積的水能溶解約2體積的氯氣），進(jìn)一步進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)，還可證明氯水具有酸性與漂白性，說(shuō)明氯氣溶于水時(shí)還能與水發(fā)生反應(yīng)，生成新物質(zhì)，所以氯氣溶于水時(shí)，既發(fā)生物理變化又發(fā)生化學(xué)變化。

控制變量分析:設(shè)該實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行，該針筒中有關(guān)反應(yīng)物的物質(zhì)的量分別為:n（H2O）=×10－3mol減少的40mL氯氣的物質(zhì)的量為n1（Cl2）=n1（Cl2），結(jié)合氯水呈黃綠色，分析這2個(gè)信息可知，氯氣與水的反應(yīng)存在反應(yīng)限度，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為:，在針筒內(nèi)存在2個(gè)平衡體系，即氯氣溶于水的溶解平衡和氯氣與水發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)平衡。

案例2:必修1專(zhuān)題2第一單元的實(shí)驗(yàn)4:用一支針筒抽取80mL氯氣，然后再抽取20mL5%氫氧化鈉溶液，震蕩，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象分析:100mL針筒抽取80mL氯氣，然后抽取20mL5%氫氧化鈉溶液，此時(shí)針筒活塞的讀數(shù)應(yīng)在100mL刻度處，震蕩，氯氣逐步溶于氫氧化鈉溶液，針筒內(nèi)氯氣物質(zhì)的量減小，氣體壓力降低，在外界大氣壓的作用下，活塞逐步內(nèi)移，當(dāng)活塞停止移動(dòng)時(shí)，氯氣已完全被氫氧化鈉溶液吸收，活塞最終停在約20mL處。通過(guò)仔細(xì)觀察，溶液呈無(wú)色，說(shuō)明溶液中不存在氯氣分子。

控制變量分析:氫氧化鈉溶液中的溶質(zhì)NaOH能中和氯水中的HCl與HClO，使氯水中的氯與水的反應(yīng)平衡右移，該針筒中反應(yīng)物的物質(zhì)的量分別為（氫氧化鈉溶液的密度的近似值取1g·mL－1，設(shè)氣體的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)mol，比較可知，n（NaOH）＞2n（Cl2），氫氧化鈉過(guò)量，過(guò)量的NaOH溶液能完全吸收氯氣，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為經(jīng)推理可知，要完全吸收80mL氯氣，需要 n（NaOH）=7.14×10－3mol，折合為5%氫氧化鈉溶液約5.7mL，因此，只要取不少于5.7mL的5%氫氧化鈉溶液與80mL氯氣反應(yīng)，就能實(shí)現(xiàn)氯氣被完全吸收的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

以上2個(gè)有關(guān)氯氣性質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以很好地體現(xiàn)“反應(yīng)物的物質(zhì)的量的不同，反應(yīng)結(jié)果不同”的結(jié)論。

二、控制組成與結(jié)構(gòu)

案例3:必修1專(zhuān)題2第二單元電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn):在4只相同的小燒杯中分別加入50mL的物質(zhì)的量濃度均為0.1mol·L－1的鹽酸、醋酸、氫氧化鈉溶液和氨水，按右圖（必修1P53圖2－11）的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接通電源，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析原因。

現(xiàn)象分析:測(cè)試鹽酸、氫氧化鈉、醋酸和氨水4種試劑的導(dǎo)電性強(qiáng)弱，對(duì)應(yīng)燈泡的亮度分為明、暗2組，鹽酸與氫氧化鈉溶液對(duì)應(yīng)的一組燈泡明亮，醋酸與氨水對(duì)應(yīng)的另一組燈泡昏暗。這說(shuō)明，在相同條件下，鹽酸和氫氧化鈉溶液的導(dǎo)電性強(qiáng)，它們的溶液中離子濃度大，即溶質(zhì)HCl和NaOH的電離程度大，定義為電解質(zhì)完全電離;醋酸和氨水溶液的導(dǎo)電性弱，它們的溶液中離子濃度小，即溶質(zhì)CH3COOH和NH3·H2O電離程度小，定義為電解質(zhì)部分電離;鹽酸、氫氧化鈉是強(qiáng)電解質(zhì)，醋酸和一水合氨是弱電解質(zhì)。

控制變量分析:該演示實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是一個(gè)半定量的探究實(shí)驗(yàn)，在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中占據(jù)極為重要的地位，電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電與電解質(zhì)電離出的陰陽(yáng)離子，在直流電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電性強(qiáng)弱的因素很多，如組成與結(jié)構(gòu)、濃度、溫度、離子價(jià)態(tài)、電極成分和電路特點(diǎn)等。該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)控制變量原則:在實(shí)驗(yàn)中，將影響導(dǎo)電性強(qiáng)弱的多變量中除組成與結(jié)構(gòu)因素外均控制為定量，設(shè)為定值。這些因素包括:①在相同的電壓、導(dǎo)線(xiàn)、電極材料、電極浸沒(méi)溶液的程度及相同規(guī)格的燈泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn);②試劑均為AB型的1價(jià)化合物溶液;③試劑的濃度、體積和溫度相同。

該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在相同條件下，組成與結(jié)構(gòu)不同的電解質(zhì)，導(dǎo)電性強(qiáng)弱不同，即電離程度不同，據(jù)此將電解質(zhì)分為強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和絕大部分的鹽是強(qiáng)電解質(zhì)，弱酸、弱堿是弱電解質(zhì)。

三、控制物料順序

案例4:必修1專(zhuān)題2第一單元溴、碘的提取的實(shí)驗(yàn)2:在一支試管中加入2～3mLKI溶液，滴加少量新制氯水，再滴加少量CCl4，震蕩，靜置，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

現(xiàn)象分析:往KI溶液中滴入氯水，溶液由無(wú)色變?yōu)辄S褐色，滴加CCl4，震蕩，靜置，液體分為兩層，下層CCl4層呈紫色，上層水溶液層由黃褐色變?yōu)闇\黃色。

控制變量分析:往KI溶液中滴加少量新制氯水，滴入氯水中的溶質(zhì)（以Cl2計(jì)）的n（Cl2）遠(yuǎn)小于KI溶液中的n（KI），在反應(yīng)中KI過(guò)量，溶液中的KI將滴入氯水中的Cl2全部還原，此時(shí)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為隨著氯水的再滴入，該反應(yīng)可繼續(xù)發(fā)生;如果把這個(gè)實(shí)驗(yàn)的物料順序顛倒，往2～3mL氯水中滴加少量KI溶液，由于氯水中n（Cl2）大于滴入KI溶液中的n（KI），即Cl2過(guò)量，此時(shí)首先發(fā)生反應(yīng)緊接著再發(fā)生反應(yīng)，這兩個(gè)連續(xù)發(fā)生的反應(yīng)使I－轉(zhuǎn)化I2，I2隨即再轉(zhuǎn)化為IO3－，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液無(wú)變色現(xiàn)象，再滴加少量CCl4，震蕩，反應(yīng)混合液中沒(méi)有I2能被CCl4萃取，CCl4層不能呈紫色，如果按照這個(gè)物料順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，顯然無(wú)法得出氯能置換出碘的結(jié)論。所以，要演示氯置換出碘、碘被CCl4萃取的實(shí)驗(yàn)，只能往一定量的KI溶液中滴加少量新制氯水，滴入的氯水也不能過(guò)量，否則，過(guò)量的氯一樣能將生成的碘單質(zhì)氧化生成HIO3，使CCl4萃取失敗。

這個(gè)案例很好體現(xiàn)“一個(gè)反應(yīng)體系的反應(yīng)物投料順序不同，可能導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)新物質(zhì)，新物質(zhì)具有不同于原反應(yīng)物的化學(xué)性質(zhì)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期不符，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗”的結(jié)論。

四、控制濃度

案例5:選修模塊化學(xué)反應(yīng)原理專(zhuān)題2第一單元影響化學(xué)反應(yīng)速率因素中濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn):在兩個(gè)大小相同的氣球中各放入1.0g的碳酸氫鈉粉末，取兩只同樣大小的錐形瓶，向其中一只錐形瓶中加入60mL2.0mol·L－1的鹽酸，向另一只錐形瓶中加入60mL0.2mol·L－1的鹽酸。然后在錐形瓶口套上上述兩個(gè)氣球，將兩只氣球中的碳酸氫鈉粉末同時(shí)分別加入到錐形瓶中（P36圖2－4），觀察并比較氣球膨脹的快慢。

現(xiàn)象分析:加入錐形瓶?jī)?nèi)的碳酸氫鈉粉末與鹽酸溶液發(fā)生反應(yīng)，溶液中出現(xiàn)大量氣泡，放出CO2氣體，使氣體的物質(zhì)的量增加，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大，使氣球體積膨脹，實(shí)驗(yàn)中可觀察到裝2.0mol·L－1鹽酸對(duì)應(yīng)的氣球比裝0.2mol·L－1鹽酸對(duì)應(yīng)的氣球體積膨脹的速率快，至全部反應(yīng)結(jié)束，兩只氣球的體積幾乎相同。

控制變量分析:對(duì)于碳酸氫鈉粉末與鹽酸反應(yīng)而言，影響反應(yīng)速率快慢的因素有3種:鹽酸的溫度、濃度和碳酸氫鈉固體的表面積大小。在2只同規(guī)格的氣球中各放入1.0g的碳酸氫鈉粉末，即等質(zhì)量的粉末具有幾乎相同大小的表面積（由于碳酸氫鈉能溶于水，固體表面積大小對(duì)速率的影響實(shí)際上可被忽略）;使用室溫條件下的鹽酸溶液，即反應(yīng)液的起始溫度相同;碳酸氫鈉粉末與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為，該反應(yīng)雖是吸熱反應(yīng)，由于吸熱量不大，反應(yīng)混合液的溫度下降幅度很小，所以溫度降低對(duì)反應(yīng)速率的影響也可被忽略。通過(guò)分析可知，影響該反應(yīng)速率的因素是鹽酸的濃度大小，即c（H+）的大小，鹽酸濃度大，反應(yīng)速率快，鹽酸濃度小，反應(yīng)速率慢。該反應(yīng)體系中的兩種反應(yīng)物的物質(zhì)的量分別為n（NaHCO3）=0.012mol，故質(zhì)量為1.0g的NaHCO3在兩個(gè)反應(yīng)中均是少量的，不同濃度鹽酸中的溶質(zhì)HCl均過(guò)量，故等質(zhì)量的NaHCO3完全反應(yīng)后，生成等物質(zhì)的量的CO2。由于加入相同體積的鹽酸溶液、使用相同規(guī)格的錐形瓶與氣球，在相同的溫度下，2只氣球最終的體積幾乎相同。

該實(shí)驗(yàn)表明，其他條件相同時(shí)，增大反應(yīng)物濃度，反應(yīng)速率增大;減小反應(yīng)物濃度，反應(yīng)速率減小。

五、控制溶解度

案例6:選修模塊化學(xué)反應(yīng)原理專(zhuān)題3第四單元難溶電解質(zhì)的溶解平衡實(shí)驗(yàn)1:取一支試管，向其中滴加2mL氯化鈉溶液，然后向其中逐滴加入硝酸銀溶液;實(shí)驗(yàn)2:向?qū)嶒?yàn)1的試管中滴加碘化鉀溶液;實(shí)驗(yàn)3:向?qū)嶒?yàn)2的試管中滴加硫化鈉溶液。

實(shí)驗(yàn)分析:向2mL氯化鈉溶液中逐滴加入硝酸銀溶液，出現(xiàn)白色沉淀;再滴入碘化鉀溶液，白色沉淀轉(zhuǎn)化為黃色沉淀;又滴入硫化鈉溶液，黃色沉淀轉(zhuǎn)化為黑色沉淀。

控制變量分析:這是一組由3個(gè)連續(xù)的實(shí)驗(yàn)組成的探究鹽與鹽發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)內(nèi)在規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，鹽與鹽要發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成2種新鹽，要遵循的規(guī)律是至少有一種生成物的溶解度比反應(yīng)物的溶解度小，小的幅度越大，反應(yīng)進(jìn)行得就越徹底。查閱資料可知，在常溫下，AgCl、AgI、Ag2S的溶解度分別為 1.510－4g、2.110－7g、1.310－16g，其他反應(yīng)物均為可溶性物質(zhì)，分析數(shù)據(jù)可知，AgCl、AgI、Ag2S的溶解度依次明顯減小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也說(shuō)明，生成AgCl、AgI、Ag2S這3個(gè)化學(xué)反應(yīng)能順利。實(shí)驗(yàn)1是往2mL氯化鈉溶液中逐滴加入硝酸銀溶液，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為NaNO3，依據(jù)探究目的，滴入的硝酸銀溶液必須是少量或適量的，確保反應(yīng)結(jié)束形成 NaCl、NaNO3和AgCl組成的懸濁液。實(shí)驗(yàn)2是往該懸濁液中滴加碘化鉀溶液，KI與NaCl或NaNO3不反應(yīng)，白色沉淀轉(zhuǎn)化為黃色沉淀只能是發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化，即發(fā)生反應(yīng)實(shí)驗(yàn)3是往黃色懸濁液中滴加硫化鈉溶液，Na2S與NaCl、NaNO3或KCl不反應(yīng)，黃色沉淀轉(zhuǎn)化為黑色沉淀，發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化，即發(fā)生反應(yīng)驗(yàn)中白色沉淀轉(zhuǎn)化為黃色沉淀、黃色沉淀轉(zhuǎn)化為黑色沉淀的顏色變化，就是通過(guò)控制相關(guān)試劑的用量來(lái)實(shí)現(xiàn):在實(shí)驗(yàn)1中滴加的AgNO3必須是少量或適量、實(shí)驗(yàn)2中滴加的KI必須是足量和實(shí)驗(yàn)3中滴加的Na2S可以是少量或適量。只有這樣才能確保反應(yīng)依據(jù)AgCl、AgI、Ag2S的溶解度大小順序，使鹽與鹽的復(fù)分解反應(yīng)依次向生成溶解度更小的物質(zhì)方向進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)生成物的溶解度大小成為鹽與鹽發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的控制變量。如果實(shí)驗(yàn)1中滴入過(guò)量的硝酸銀溶液，反應(yīng)剩余部分的硝酸銀就會(huì)首先與實(shí)驗(yàn)2中滴入的碘化鉀反應(yīng)生成黃色碘化銀沉淀，反應(yīng)的化學(xué)方程式為由于黃色沉淀顏色比白色沉淀深，存在顏色的掩蓋效應(yīng)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)者觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象仍然是白色沉淀轉(zhuǎn)化為黃色沉淀（但并未發(fā)生沉淀的轉(zhuǎn)化）。同理，類(lèi)似的問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)3中也存在。因此，教材在這3個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物用量設(shè)計(jì)上是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模瑧?yīng)該要對(duì)氯化鈉、硝酸銀、碘化鉀和硫化鈉這4種試劑明確濃度、規(guī)范用量，確保這組實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)沉淀轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

該組實(shí)驗(yàn)表明，鹽與鹽的復(fù)分解反應(yīng)進(jìn)行是向生成溶解度減小的方向進(jìn)行，生成物的溶解度越小，與反應(yīng)物的溶解度反差越大，復(fù)分解反應(yīng)進(jìn)行得就越徹底。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是化學(xué)教育的核心內(nèi)容之一，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的理解與把握程度能夠反映一名教師專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的高低。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的控制變量尤其是控制單一變量原則是教師講解實(shí)驗(yàn)原理、分析現(xiàn)象、認(rèn)識(shí)性質(zhì)、總結(jié)規(guī)律和形成概念的重要依據(jù)與前提。教學(xué)中只有牢牢抓住實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則—控制變量，才能通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題鏈，多方位、多角度引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)生進(jìn)行積極思考，學(xué)會(huì)對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析、推理、歸納，學(xué)會(huì)應(yīng)用學(xué)科方法分析、處理、演繹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使學(xué)科思維的升華成為可能。只有仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的控制變量，才能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為學(xué)生體驗(yàn)探究問(wèn)題的科學(xué)方法、深化對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的重要載體，一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完美教學(xué)活動(dòng)，既可以鞏固學(xué)生對(duì)物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì)與規(guī)律的認(rèn)識(shí)，消除學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能遭遇的各種困惑與障礙，又可以使化學(xué)用語(yǔ)、概念和理論的形成水到渠成，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)的飛躍。

[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1[M].南京:江蘇教育出版社，2014.

[2]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京:江蘇教育出版社，2008.

[3]蘆岳鋒.“AgCl、AgI、Ag_2S 沉淀轉(zhuǎn)變”實(shí)驗(yàn)的探索[J].化學(xué)教學(xué)，2012（3）.