俞崟

摘要： 對中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的六個(gè)疑難問題[盛滿二氧化氮?dú)怏w的試管倒扣在水中（足量），水位上升高度為何大于試管容積的2/3; Al（OH）3能被NH3·H2O溶解嗎;能否用KI來區(qū)分真假碘鹽;酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，燒堿溶液的濃度應(yīng)為多少;Cu和濃HNO3反應(yīng)為何先慢后快;長期存放的溴水會褪色嗎]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和討論，以期為化學(xué)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞： 疑難實(shí)驗(yàn)問題; 實(shí)驗(yàn)探究; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2022）01007905

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

對課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常涉及的六個(gè)疑難問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究及深度思考，以供同行們參考。

1 盛滿二氧化氮?dú)怏w的試管倒扣在水中（足量），水位上升高度為何大于試管容積的2/3

我們都知道，NO2溶于水會發(fā)生如下反應(yīng)： ①H2O+3NO2NO+2HNO3，很多同行把反應(yīng)①視為試管中水位上升2/3的重要依據(jù)。筆者認(rèn)為，這種觀點(diǎn)是欠妥的。首先，NO2在常溫下就會轉(zhuǎn)化成N2O4，也就是說常溫下有NO2和N2O4的混合物存在，所以還會發(fā)生如下反應(yīng)： ②2H2O+3N2O42NO+4HNO3。其次，二氧化氮還會和水反應(yīng)生成亞硝酸： ③H2O+2NO2HNO2+HNO3，④H2O+N2O4HNO2+HNO3;二氧化氮還會和反應(yīng)①中生成的NO繼續(xù)反應(yīng)： ⑤NO+NO2+H2O2HNO2，⑥2NO+N2O4+2H2O4HNO2。由于普通的水中都會溶有少許氧氣，二氧化氮與H2O的反應(yīng)還不止上述6個(gè)。于是又做了如下嘗試： 將自來水煮沸5分鐘，以除去溶解在自來水中的少量氧氣，密封保存降至室溫，然后與普通的自來水做如下對比實(shí)驗(yàn)： 將兩支盛滿二氧化氮的試管（大小一樣）同時(shí)倒置于盛有自來水和經(jīng)煮沸冷卻的自來水中，如圖1所示。5分鐘后，發(fā)現(xiàn)兩支試管里的水位上升高度都超過試管容積的2/3，且a試管中的水位略高于b試管。由此可知，二氧化氮在普通自來水中還會發(fā)生如下反應(yīng)： ⑦2H2O+4NO2+O24HNO3，⑧2H2O+4NO+O24HNO2，⑨2H2O+2N2O4+O24HNO3。

分析上述實(shí)驗(yàn)可知，如果只發(fā)生反應(yīng)①，試管中的水位會上升2/3;若發(fā)生反應(yīng)②，試管中水位只會上升1/3。反應(yīng)③和④都會生成亞硝酸，但不會生成一氧化氮，而反應(yīng)⑤和⑥只會消耗一氧化氮，產(chǎn)生亞硝酸。至此，我們已經(jīng)找到試管中一氧化氮已經(jīng)很少、試管中水位上升高度超過2/3的部分原因。

2 Al（OH）3能被NH3·H2O溶解嗎

實(shí)驗(yàn)1 室溫條件下將不同體積的蒸餾水分別注入8支盛有2mL濃度為0.1mol/L的硫酸鋁溶液的試管中，再分別逐滴滴入8mL濃度為15mol/L的濃NH3·H2O，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過加入的蒸餾水的體積來改變Al2（SO4）3溶液的濃度，對上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，Al（OH）3能被濃NH3·H2O完全溶解，因?yàn)樯鲜?支試管中的液體最后全部變澄清。

上述實(shí)驗(yàn)1中Al（OH）3被溶解可能有兩個(gè)原因： （1）Al（OH）3被蒸餾水溶解;（2）Al（OH）3和NH3·H2O的反應(yīng)。當(dāng)溶液中含有的水較少時(shí)，很容易看見Al（OH）3被NH3·H2O溶解，如1～3號試管中的現(xiàn)象;當(dāng)溶液中含有大量水時(shí)，就很難說清Al（OH）3是被水溶解還是和NH3·H2O發(fā)生了反應(yīng)，或者兩種情況都存在，如第7、 8兩支試管內(nèi)幾乎看不到有沉淀產(chǎn)生。

為了減少Al（OH）3在H2O中溶解的干擾，筆者又配制不同濃度的NH3·H2O，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)2。

實(shí)驗(yàn)2 室溫條件下向8支盛有2mL濃度為0.1mol/L的硫酸鋁溶液的試管中，逐滴滴入8mL不同濃度的氨水（15mol/L的濃氨水與蒸餾水按一定體積比混合），實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

由實(shí)驗(yàn)2分析可知，濃NH3·H2O能溶解一定量的Al（OH）3，一定濃度的氨水也能溶解Al（OH）3，只不過當(dāng)NH3·H2O與蒸餾水的體積比小于1∶5時(shí)，Al（OH）3就不再溶解了。因此，若生成的Al（OH）3比較多，且選用的氨水的濃度和體積都比較小時(shí)，要看到Al（OH）3溶解就有點(diǎn)困難。

實(shí)驗(yàn)表明： 剛開始Al（OH）3能溶解在較稀的NH3·H2O中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，AlO-2濃度變大，所需NH3·H2O濃度也要變大。隨著NH3·H2O的不斷加入，NH+4和AlO-2也不斷被稀釋，需要的NH3·H2O濃度也不會增大得太多，所以要達(dá)到一定濃度的NH3·H2O才能完全溶解Al（OH）3。

3 能否用KI來區(qū)分真假碘鹽

有同行認(rèn)為，用KI來區(qū)分真假碘鹽（5I-+IO-3+6H+3H2O+3I2）是不正確的，將I-氧化的不一定是IO-3，有可能是溶解在水中的少量氧氣，事實(shí)果真如此嗎？筆者做了如下研究。

實(shí)驗(yàn)3 室溫條件下向A試管中加2克氯化鈉，再注入6mL蒸餾水，振蕩試管。再依次加入10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)4 室溫條件下向B試管中依次加入10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)5 室溫條件下向C試管中加入2克加碘鹽，注入6mL蒸餾水，振蕩試管，使其充分溶解。再依次滴10滴濃度為0.5%的淀粉溶液和2mL濃度為0.1mol/L的碘化鉀溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。最后再滴入2滴濃度為1mol/L的硫酸溶液，振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

發(fā)現(xiàn)A、 B兩支試管中的溶液剛開始無明顯變化，加入稀硫酸后，溶液仍然顯無色，三小時(shí)后發(fā)現(xiàn)溶液顯示出非常淺的藍(lán)色;而當(dāng)加入稀硫酸后，C試管中的溶液迅速變?yōu)樗{(lán)黑色。

由實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4分析可知，溶液中溶有的氧氣不足以將KI中的I-氧化，由實(shí)驗(yàn)5分析可知，加碘鹽中的IO-3能將KI中的I-迅速氧化使淀粉顯色[1]。

此外，還另行設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，用以探究碘化鉀溶液、硫酸溶液的濃度與溶液顯示顏色的時(shí)間關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)6 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表3所示。

實(shí)驗(yàn)7 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表4所示。

分析實(shí)驗(yàn)6和7可知，若沒有碘酸鉀，只靠氧氣來氧化碘離子，需要3小時(shí)，溶液才會顯示出很淺的藍(lán)色[2]（如表3中的6號試管和表4中的3號試管）。隨著KI或H2SO4濃度的增大，氧氣將I-氧化的時(shí)間從幾小時(shí)變?yōu)閹追昼?。目前，我國食用鹽中含碘量為（35±15）mg/kg，假設(shè)取1g加碘鹽來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中碘酸鉀的質(zhì)量最多為0.5×10-1mg，使其完全反應(yīng)需要1.9×10-1mg碘化鉀，換算成10-3mol/L的碘化鉀溶液為1.17mL。

所以，實(shí)驗(yàn)過程中我們只需取1～2滴濃度為10-2～1mol/L的硫酸溶液和0.5mL濃度為10-3～10-1mol/L的碘化鉀溶液就能有效地避免因氧氣氧化碘離子的“意外”現(xiàn)象。

4 酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，燒堿溶液的濃度應(yīng)為多少

探究人教版九年級《化學(xué)》教材下冊第60頁“中和反應(yīng)”時(shí)，發(fā)現(xiàn)若實(shí)驗(yàn)時(shí)加入的燒堿溶液的濃度過大時(shí)，酚酞溶液就會先變紅再褪色，燒堿溶液濃度越大，其褪色所耗時(shí)間越短，這是因?yàn)楫?dāng)pH>8.2時(shí)，酚酞為紅色醌式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)堿條件下極不穩(wěn)定，會轉(zhuǎn)變成無色的羧酸鹽結(jié)構(gòu)[3]。若燒堿溶液濃度太小，與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的熱量太少，溶液溫度沒有明顯變化，若用普通溫度計(jì)測量，耗時(shí)長，散熱多，測量結(jié)果誤差大[4]。為此，對中和反應(yīng)中鹽酸和燒堿溶液的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)做了如下實(shí)驗(yàn)探究。

4.1 燒堿溶液的濃度與酚酞溶液褪色的時(shí)間關(guān)系

取1～14號燒杯（25mL），室溫條件下分別加入5mL濃度為1%、 1.5%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 6%、 7%、 8%、 9%、 10%的燒堿溶液，再各滴2滴無色酚酞溶液，記錄酚酞溶液開始褪色到幾乎不變色所耗時(shí)間，結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知，燒堿溶液濃度越大，酚酞溶液褪色所耗時(shí)間越短。當(dāng)燒堿溶液濃度高于8%時(shí)，酚酞溶液很快褪為無色;當(dāng)燒堿溶液的濃度為5%～7%之間時(shí)，酚酞溶液褪色耗時(shí)稍長，仍可以看見很淡的紅色;當(dāng)燒堿溶液的濃度為3%～4.5%時(shí)，酚酞溶液褪色耗時(shí)較長，可以看到淡紅色;當(dāng)燒堿溶液濃度低于2.5%時(shí)，酚酞溶液部分褪色，耗時(shí)更長，此時(shí)，可以看到明顯的紅色。

由于酚酞的醌式結(jié)構(gòu)與無色的羧酸鹽結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化是一個(gè)可逆反應(yīng)[5]，當(dāng)溶液的pH改變時(shí)，反應(yīng)的平衡點(diǎn)會發(fā)生移動(dòng)。鹽酸和燒堿反應(yīng)時(shí)，隨著鹽酸的不斷加入，酚酞在堿性條件下顯示的紅色一開始會隨著燒堿的不斷消耗而慢慢變淺。待反應(yīng)結(jié)束時(shí)，酚酞會變?yōu)闊o色。

為了讓初三學(xué)生能獲得更為直觀的感性認(rèn)識，教師演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要耗時(shí)4分鐘左右，而該時(shí)間內(nèi)酚酞沒有完全褪為無色，所以燒堿溶液濃度只需1%～6%即可;如果讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，大概需要9分鐘，可以控制酚酞溶液褪色后出現(xiàn)淡紅色和紅色，因此，燒堿溶液濃度1%～4.5%較為適宜。

4.2 燒堿溶液的濃度與反應(yīng)中的放熱關(guān)系

另取1～10號燒杯（25mL），室溫條件下分別加入5mL濃度為1%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 5.5%、 6%的燒堿溶液，再各滴2滴無色酚酞溶液，用溫度計(jì)測量溶液的溫度;再分別向上述燒杯中依次加入濃度分別為1%、 2%、 2.5%、 3%、 3.5%、 4%、 4.5%、 5%、 5.5%、 6%的鹽酸，至溶液剛好褪為無色，再用溫度計(jì)測量溫度，記錄溶液溫度變化情況，如表6所示。

由表6分析可知，燒堿溶液和鹽酸的濃度越大，反應(yīng)中釋放的熱量越多，溫度上升也越大。當(dāng)燒堿溶液和鹽酸的濃度<2%時(shí)，用手感覺不到溫度的變化，但溫度計(jì)可以測出反應(yīng)放熱的現(xiàn)象;當(dāng)燒堿溶液和鹽酸的濃度≥3%時(shí)，溫度計(jì)上升超過4℃，此時(shí)可以用手感覺到溫度的變化。

因此，在實(shí)驗(yàn)操作過程中實(shí)驗(yàn)者若要用手直接感知中和反應(yīng)過程中的放熱現(xiàn)象，燒堿溶液的濃度應(yīng)在4%～6%之間（實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意安全）;若使用溫度計(jì)，可以參考滬教版初中化學(xué)教材，只需0.2mol/L的燒堿溶液，這樣既安全、節(jié)約又有可行性。

5 Cu和濃HNO3反應(yīng)為何先慢后快

在低溫條件下，銅和濃HNO3反應(yīng)的確很慢，向濃HNO3中放入冰鹽水，使其溫度降至-5℃，再將銅片插入其中，發(fā)現(xiàn)銅片周圍溶液顯綠色[因Cu（NO3）2溶液溶有NO2]。

另外，Cu（NO3）2在水中的溶解度相當(dāng)大，在0℃時(shí)，溶解度為45.6g， 80℃時(shí)，溶解度為67.5g，因此，有人認(rèn)為“銅和濃HNO3反應(yīng)生成Cu（NO3）2在濃硝酸中的溶解度低，會在銅表面形成類似鈍化現(xiàn)象”的觀點(diǎn)是不可靠的。

濃硝酸的氧化性很強(qiáng)，可以將銅氧化，雖然低溫環(huán)境下反應(yīng)速率較慢，但不知同行們是否關(guān)注到，即便在低溫環(huán)境下，銅和濃硝酸的反應(yīng)速率也不慢（相對比較而言）。為此，筆者又做了如下實(shí)驗(yàn)探究： 向A、 B兩支試管中分別注入2mL的濃硝酸，并向A管中通入少許NO2（濃HNO3因溶有NO2而略顯黃色），再向A、 B兩試管中同時(shí)放入兩塊大小幾乎一樣的銅片，發(fā)現(xiàn)即便在一樣的低溫條件下（5℃），A管中反應(yīng)速率比B管中要快得多，溶液迅速變?yōu)樯罹G色[Cu（NO3）2溶液因溶有NO2而顯綠色]。

濃HNO3中溶有NO2為何會使HNO3和銅的反應(yīng)立刻發(fā)生，且反應(yīng)速率明顯加快？筆者是這樣認(rèn)為的：

第一，濃HNO3中溶有NO2會形成HNO2，其氧化性比濃HNO3更強(qiáng)（H2O+2NO2HNO2+HNO3）。為此，筆者做了如下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證： 在低溫環(huán)境下（5℃時(shí)），將Cu投入濃硝酸中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)很慢，再向其中加入一小粒NaNO2固體，Cu和濃硝酸的反應(yīng)立刻劇烈起來： HNO3+NaNO2NaNO3+HNO2， 2HNO2NO2+NO+H2O（反應(yīng)生成了氧化性更強(qiáng)的HNO2和對Cu和濃硝酸的反應(yīng)具有催化作用的NO2）。

第二，從反應(yīng)本質(zhì)來分析，濃HNO3的氧化性和HNO3中含有的由于見光分解生成的NO2的催化作用有關(guān)。NO2具有傳遞電子的功能： e-+NO2NO-2， H++NO-2HNO2， HNO2+HNO32NO2+H2O， Cu失去的電子被HNO3通過NO2獲得，反應(yīng)速率便加快。溶有二氧化氮?dú)怏w的濃HNO3和發(fā)煙HNO3的氧化性和反應(yīng)速率比一般的濃HNO3更強(qiáng)、更快，是因?yàn)樗嶂械腍NO2（氧化能力更強(qiáng)）和NO2（具有催化作用）所致。

綜上所述，銅和濃硝酸的反應(yīng)，剛開始反應(yīng)慢一是因?yàn)闇囟鹊?，二是沒有HNO2和NO2，后來反應(yīng)快，是因?yàn)樽陨矸磻?yīng)生成了HNO2（氧化性更強(qiáng)）和聚集了越來越多的NO2（起催化作用）所致，再隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)放熱導(dǎo)致溫度升高，HNO3的氧化能力變強(qiáng)，因此，后來的反應(yīng)變得越來越快。

6 長期存放的溴水會褪色嗎

實(shí)驗(yàn)8 向盛放在通風(fēng)櫥中的A、 B、 C三只細(xì)口瓶中分別注入2mL飽和溴水（實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3也在通風(fēng)櫥中進(jìn)行），再分別注入20mL蒸餾水，A、 B兩瓶口分別用磨口塞和橡皮塞塞緊，C瓶敞口放置，靜置。發(fā)現(xiàn)兩天后C瓶中的溴水橙色變淡，5天后橙色褪去;3天后B瓶橙色變淡，7天后橙色完全變?yōu)闊o色;而A瓶即便存放三個(gè)月，瓶中液體顏色幾乎不變。用銼刀將橡皮塞銼成粉末狀倒入試管中，再滴入2mL溴水，振蕩試管，溴水的橙色褪去。

實(shí)驗(yàn)9 不管溴水濃度有多小，均可以用鼻子扇聞到溴味，將一張濕潤的淀粉KI試紙懸于盛放溴水的瓶口，不久，淀粉KI試紙變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)10 向2mL飽和溴水中注入30mL蒸餾水，配成體積比為1∶15的溴水，發(fā)現(xiàn)溴水呈淡淡的橙黃色，磨口瓶中密封存放半個(gè)月，發(fā)現(xiàn)液體顏色幾乎不變，而且還可以用CCl4或C6H6將Br2萃取出來。溴水中的Br2和H2O的反應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，只要保存得當(dāng)，Br2不會減少，而且溴水的顏色和濃度也能基本保持不變。

實(shí)驗(yàn)11 配成不同濃度的溴水，再將溴水裝滿于三只同樣的150mL的細(xì)口瓶中（塞上磨口塞），分為兩組。一組置于陰暗處，一組置于陽光能照射到的地方，對比、觀察、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表7所示。

由上述實(shí)驗(yàn)分析可知： （1）Br2的揮發(fā)性比較強(qiáng)，若保存不夠嚴(yán)密，Br2會揮發(fā)，溴水顏色變淡，橙色也會慢慢消失;（2）橡皮塞內(nèi)的不飽和碳碳雙鍵會與Br2發(fā)生反應(yīng)，所以，用橡皮塞密封保存的溴水也會褪色;（3）只要保存得當(dāng)（如用磨口塞密封），無論溴水置于暗處還是亮處，肉眼均未看到溴水褪色的現(xiàn)象。

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