PTDVMA实验教学模式在“银镜反应”实验改进中的应用

孙亮 张静

PTDVMA实验教学模式,它在传统的实验教学的基础上进行了改进。“PTDVMA”分别代表问题情境(problem situations)、理论推导(theoretical derivation)、实验设计(experimental design)、实验验证(experimental verification)、建构模型(model construction)、模型应用(model application)。学生在实验探究中首先提出问题,运用理论知识进行实验的预设和设计,再通过实验进行验证,然后在实验的结论基础上去构建解决问题的模型,最后是模型在解决实际问题中的应用。在实验教学中,六个模块按照操作程序形成一个比较稳定的实施方法体系,各个模块有自己的操作要点、功能和应用策略,各自独立但同时又是一个不可分割的整体。

一、 问题的提出背景

普通高中课程标准实验教科书(人教版)《有机化学基础》第三章第二节“醛的性质”实验3-5是关于乙醛被银氨溶液氧化的实验,具体内容如下。

实验3-5(图1)在洁净的试管中加入1mL2%的AgNO3溶液,然后边振荡试管边逐滴滴入2%的稀氨水,至最初产生的沉淀恰好溶解为止,制得银氨溶液。再滴入3滴乙醛,振荡后将试管放在热水浴中温热。观察并记录实验现象。

图1 现行教材中的实验

乙醛的“银镜反应”实验要求比较苛刻,笔者通过教学实践发现成功完成教材中乙醛的“银镜反应”关键有四点:首先是银氨溶液的配制要求现配现用,在1mL2%的AgNO3溶液中逐滴地滴加2%的稀氨水,直到最初产生的沉淀刚好消失为止,制得银氨溶液。其次乙醛必须是新开瓶的试剂。其次,必须水浴加热提供能量,不能用酒精灯直接加热,温度必须控制在60～100℃,并且水浴的过程中试管需要静置,不能晃动试管。最后,所用的各种玻璃仪器必须洁净。控制好以上四个条件才能观察到均匀光亮的银镜实验现象。由于实验条件比较苛刻,教材中提供的实验方案课前准备工作比较烦琐,实验用时比较长,成功率也比较低,而且形成的银镜不便于学生观察。

笔者在教学实践中对苛刻的实验条件产生反思。试管为什么必须是洁净的呢?为什么不能晃动试管呢?如果试管动了,难道就产生不了银镜了吗?“银镜反应”本身非常有趣,镀在试管内壁减弱了它的趣味性。如果能够把银镀在精致的瓶子内壁,在课堂上模拟工业生产中暖瓶内胆的制作,岂不是更有趣?

有了以上想法,笔者决定对教材中传统的“银镜反应”实验进行改进。根据《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》,化学实验改进需要具备科学性、安全性、简约性、趣味性等原则,实验改进研究的重点是药品和工艺绿色化、装置微型化、实验生活化、缩短实验时间、突出实验现象等角度。而高中化学学科核心素养也明确提出,需要提高学生的“实验探究与创新意识”,使其能发现和提出有探究价值的问题,设计探究方案,勇于创新。因此,在教学中,笔者把醛基性质的演示实验改成了课堂的探究性实验,同时根据银镜反应的特点,从缩短反应时间、突出实验现象两个角度出发,进行了实验条件的优化。

二、 实验探究过程

(一)实验反应原理——理论推导

银氨溶液具有弱氧化性,含有醛基的物质具有还原性,在碱性条件下,两者水浴加热可以发生反应:

还原生成的银附在试管壁上,即为银镜。

(二)实验材料

实验药品:2%的硝酸银溶液、2%的稀氨水、40%的葡萄糖溶液、20%氢氧化钠溶液、40%的新开瓶的乙醛溶液、久置的乙醛溶液。

实验仪器:洁净的试管、带塞子的透明玻璃瓶、烧杯、胶头滴管、量筒。

(三)实验探究过程

1. 探究银氨溶液的碱性对银镜反应的影响

普通高中课程标准实验教科书(人教版)《有机化学基础》第三章第二节“醛的性质”实验3-5中,在硝酸银溶液中逐滴滴加过量氨水至最初产生的沉淀刚好溶解,制得银氨溶液。而我们在查阅相关文献时,发现很多文献在配制银氨溶液时,是利用硝酸银与氢氧化钠溶液反应产生氢氧化银沉淀,然后再用氨水溶解沉淀,形成银氨溶液。两种方法中形成的氢氧化银沉淀,一种用强碱,一种用弱碱,那么后续产生的银氨溶液的碱性也不同。笔者探究了银氨溶液的碱性对产生银镜的速度和均匀程度的影响。

A. 实验设计

第一步:取两支干净试管,分别加入1mL2%的硝酸银溶液。

第二步:在其中一支试管中加入20%的氢氧化钠溶液2滴,另一试管逐滴滴加2%氨水,直到硝酸银恰好完全沉淀。

第三步:在两支试管中分别加入氨水,直至沉淀刚好完全溶解。

第四步:再在两支试管中分别加入3滴新开瓶的乙醛溶液。

第五步:将试管置于70～95℃水浴中加热。

B. 实验验证(表1)

表1 用强弱不同的碱配制银氨溶液进行银镜反应对比实验

实验结果表明,用碱性较强的银氨溶液进行银镜反应,生成银镜的速率更快,所镀银层也更均匀。所以,后续实验,笔者一致采用强碱氢氧化钠溶液形成氢氧化银沉淀。

2. 探究含有醛基的不同物质发生银镜反应的难易

很多有机物中都含有醛基,这些物质发生银镜反应的难易程度一样吗?比如实验室中最常见的乙醛和葡萄糖,谁更易发生银镜反应,谁镀的银层更均匀?笔者对含有醛基的这两种有机物发生银镜反应的难易进行了探究。

A. 实验设计

第一步:取2支洁净的试管,分别滴加1mL2%的硝酸银溶液,再逐滴滴加20%氢氧化钠溶液直至完全产生棕褐色沉淀。

第二步:分别在两支试管中逐滴滴加2%的稀氨水,并充分振荡,直至沉淀刚好完全溶解。

第三步:再分别在两支试管中加入3滴的40%的葡萄糖溶液和久置的乙醛溶液,并充分振荡。

第四步:将两支试管都置于70～95℃水浴中加热。

B. 实验验证(表2)

表2 用久置的乙醛和葡萄糖溶液进行银镜反应对比实验

水浴加热后,笔者发现在相同的条件下,加入葡萄糖溶液的银氨溶液生成银镜的速度更快,而且形成的银层更均匀。结合第一组对比实验结果,对比新开瓶的乙醛、久置乙醛、葡萄糖溶液三种溶液,久置乙醛生成银镜的速度最慢,镀银层也不均匀。重复实验多次,结果一致,实验结果可靠。

通过查阅文献知道,乙醛的银镜反应对反应条件要求很高,尤其是乙醛的保质期,一定是新开瓶的乙醛试剂才能形成均匀的光亮的银镜。这是因为乙醛很容易发生自聚反应生成三聚乙醛、四聚乙醛等,实验室开瓶久置后的乙醛,乙醛的含量较低,银镜反应很难进行。也有研究者指出可以对开瓶久置后的乙醛进行蒸馏纯化,收集600～650℃的馏分进行实验。通过对比实验证明,葡萄糖的固体或溶液都不容易变质,因此葡萄糖溶液比乙醛更适合进行银镜反应。

3. 探究更方便的加热方式,课堂模拟工业生产中暖瓶内胆的制作

水浴加热条件下,只有水浴加热的部分容易镀出银层,而不能覆盖整个试管。能否将水浴加热改成摇晃产热,使整个试管都镀上银层,从而实现在课堂上模拟工业生产中暖瓶内胆的制作过程?我们进行了第三个探究。

A. 实验设计

第一步:取2支洁净的试管,分别滴加1mL2%的硝酸银溶液,再逐滴滴加20%氢氧化钠溶液直至完全产生棕褐色沉淀。

第二步:分别在两支试管中逐滴滴加2%的稀氨水,并充分振荡,直至沉淀刚好完全溶解。

第三步:分别在两支试管中加入3滴40%葡萄糖溶液,充分振荡。

第四步:将其中一支试管置于70～95℃水浴中加热,另一支试管充分摇晃振荡,直至产生银镜。

B. 实验验证(表3)

表3 用水浴加热和摇晃振荡两种方式进行银镜反应对比实验

实验结果表明,在其他条件相同时,水浴加热和摇晃振荡对比,两者都能产生银镜,而且摇晃振荡能更快生成银镜,且生成的银镜面积更宽。

(四)“银镜反应”最佳实验条件

综上,实验室发生银镜反应的最佳实验条件和操作的组合为:2%的硝酸银溶液,20%的氢氧化钠溶液,2%的氨水溶液,40%的葡萄糖溶液,加热方式采取摇晃振荡方式。反应容器采用接触面积更大的玻璃瓶。

三、 “银镜反应”实验改进方案

[实验名称]“银镜反应”的实验改进

[实验目的]通过“银镜反应”了解醛类物质的化学性质,探究“银镜反应”快速生成质地均匀的银镜的最佳实验条件

[实验仪器及试剂]带塞子的透明玻璃瓶、胶头滴管、量筒,2%的硝酸银溶液、2%的稀氨水、40%葡萄糖溶液、20%氢氧化钠溶液

[实验操作]

通过以上探究实验,笔者得出发生“银镜反应”的最佳实验方案如下:

第一步:取洁净的试管,加入一定体积的2%的硝酸银溶液。

第二步:在溶液中逐滴加入20%氢氧化钠溶液直至完全产生灰褐色沉淀。

第三步:再在试管中逐滴滴加2%的稀氨水,直至沉淀完全溶解。

第四步:在试管中加入一定体积的40%葡萄糖溶液,充分摇晃,直到产生银镜。

利用以上最佳方案,笔者在不同的玻璃瓶中进行“银镜反应”,“摇”出了闪闪发亮的银色瓶(图2),实现了在课堂上模拟工业生产中暖瓶内胆的制作过程。

图2 “摇”出来的闪亮银色瓶

四、 结语

改进后的实验将演示实验改成了趣味性的探究性实验,教学过程应用了PTDVMA实验教学模式,优化了反应条件和操作过程,实现了在课堂上模拟工业生产中暖瓶内胆的制作过程。改进方案成功弥补了教材实验的不足之处,提高了化学反应速率,实验现象更加明显。实验过程无须水浴加热,只需摇晃振荡,操作也更简单方便。改变了银氨溶液的配制方法后,形成的银镜更均匀,更闪亮。改进以后的实验可以在玻璃瓶等较大的容器内壁“摇”出银镜,实现了在课堂上模拟工业生产中暖瓶内胆的制作过程,应用更广泛,更实用。一线教师可以结合自己的教学实际探索和优化实验条件与操作步骤,在不违背科学性原则的基础上尽量使实验的原料简单易得,易于保存,实验的操作更简约化,从而充分利用好课堂时间,提高化学课堂的效率。

实验探究是化学知识的载体,在学生学习物质性质的过程中融合实验探究,课堂教学就变得有血有肉,教师的教与学生的学之间有了互动和交流,课堂就有了灵魂。通过实验探究学生自主构建思维模型,建构过程中,学生通过亲身体验与深度思考学会知识,也在同伴互助、思维碰撞中得到智慧升华,更在教师引导和点拨中提升能力。这样的知识构建学生印象非常深刻,学到的知识不容易遗忘。联系社会生产与生活中碰到类似的实验情境,学生能快速调用已有的知识模型和知识体系,达到快速解决问题的目的,提升解决问题的能力。