拨开云雾见“晴天”
——中学化学实验异常现象之探究
摘要：本文分析了中学化学实验出现异常现象的常见原因，教师有效地引导学生深入探究，不仅能培养学生实事求是、严肃认真的学习态度，更能激发学生不断探索，勇于创新的精神。而且在探究过程中，可以让学生亲身体验科学的研究过程，掌握科学的研究方法，在实践中增强学生的分析问题、解决问题的能力。
关键词：新课标化学实验异常现象
以实验为基础是化学学科的重要特征之一，但影响化学实验的因素是多元的，有时会导致实验现象异常。如有时做验证乙醛发生银镜反应的实验时却未产生银镜；又如甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但用无水醋酸钠与碱石灰制出的甲烷往往使酸性高锰酸钾溶液褪色……此外，在一些定量实验如中和滴定、硫酸铜晶体中结晶水分子数的测定等，学生实验得出的结果经常与理论值相距甚远，误差极大，也可视为异常现象。
化学史上许多发现都起源于实验异常现象的探索。溴的发现就是一例。1826年法国青年波拉德想从海藻中提取碘，他把海藻烧成灰，用热水溶解，过滤后向滤液中通氯气，得到紫黑色的固体——晶体碘。然而奇怪的是，在提取碘后的母液底部，总沉着一层深褐色的有刺鼻气味的液体，查阅了许多资料后对此现象都得不到解释。于是波拉德对这种液体进行了深入的研究，最后终于证明这种液体是人类尚未发现的新元素的单质——溴。波拉德关于溴的论文——《海藻中的新元素》发表后被德国化学家利比息看到了，读完后他深为后悔。因为他在几年前也做过和波拉德相似的实验，看到过同样奇怪的现象，但他没有深入地钻研下去，只凭空断定这深褐色的液体是氯气和碘形成的化合物氯化碘，从而与这一重大发现失之交臂。
很多教师和学生也常忽视异常现象，认为仅仅是自己的误操作而已，然而很多实验异常并不是偶然，而是必然，如果能够有效地引导学生深入探究下去，不仅能培养学生实事求是、严肃认真的学习态度，更能激发学生不断探索，勇于创新的精神。而且在探究过程中，可以让学生亲身体验科学的研究过程，掌握科学的研究方法，在实践中增强学生的分析问题、解决问题的能力。同时，实验中出现的异常现象要求我们教师自觉地在教育教学实践中思考、分析、研究，并不断学习新的知识和理论，进一步使教师树立起“科研先导”的意识，提高教师的科研能力，使教师由“经验型”向“科研型”、“创新型”转化。
一、异常实验现象产生的常见原因
异常实验现象产生的常见原因有以下几种：
1.所用试剂的浓度大小会引起实验的异常现象，例如苯酚与溴水的反应应该是向苯酚溶液中滴加浓溴水，但有的学生未采用浓溴水，用稀溴水滴加，结果根本未出现白色沉淀，有的学生不按要求逐滴加到有白色沉淀为止，而是一下子加入大量溴水，结果观察到的是四溴化物的黄色沉淀。又如苯与溴单质的取代反应必须液溴，溴水则不反应。
2.化学试剂的加入顺序变更可能引起实验的异常现象。如向一定量的铝盐溶液中滴加氢氧化钠溶液至过量，现象为：出现沉淀——沉淀增多——沉淀消失;若向一定量的氢氧化钠溶液中滴加铝盐溶液至过量，现象则为：无沉淀——出现沉淀——沉淀增多——沉淀量不变。
3.有些实验室药品会因为在实验室保存过程中，由于长时间与空气中的氧气、水蒸气等作用或者人为地药品保存不当而发生变质，最终导致实验过程中异常现象的出现。例如验证过氧化钠与水反应为放热反应时，用胶头滴管滴几滴水于裹有少量过氧化钠固体的棉花上，常常观察不到棉花燃烧的现象。究其原因，主要是过氧化钠很易吸收空气中的水分和二氧化碳而变质。
又如在检验Na2SO3中的SO32-离子时，加入BaCl2溶液后产生大量白色沉淀，加入稀HCl后，产生可以使石蕊试纸变红的酸性气体。但是无论HCl量多少，试管中始终会有少量白色沉淀无法溶解。实际上，由于SO32-离子具有很强的还原性，很容易被空气中的氧气等氧化成Na2SO4。
4.实验过程中，特别是在学生做学生实验时由于实验习惯的问题，在取用药品时用量很随意，很容易出现出乎意料的现象。例如在做银镜反应时，在一洗净的试管里注入1mlAgNO3溶液，然后加氨水到完全溶解，再滴几滴新配的乙醛溶液后水浴加热几分钟却始终得不到光亮的银镜。分析原因，应该是银氨溶液配制时氨水量未控制好引起的。在向AgNO3溶液中滴加氨水不可过量，教材描述为“氨水加到生成的沉淀刚好溶解为止”。实践经验证明，氨水过量越多，银镜反应的效果越差。所以我个人建议，加氨水时直到最初产生的沉淀溶解到还略显浑浊（不可使沉淀恰好溶解至溶液澄清）为止，这种银氨溶液氧化能力最强，实验效果非常好。又如在检验Fe2+时很多同学设计了如下的步骤：在含有Fe2+的溶液中加入KSCN溶液，无明显现象，然后再通入足量的Cl2，但实验结果却出乎大多数人的意外，该溶液中未出现预期的血红色。后来经学生再做对比实验，以及查资料后证实，原来（SCN）2称为拟卤素，SCN-的还原性较强，通入足量的Cl2将SCN-氧化为（SCN）2自然不能生成血红色的络合物。
5.很多化学反应中都有副反应的存在，有些副反应甚至影响实验结果，干扰实验现象。例如在铁粉与硫粉的加热反应中会闻到刺激性气味；在由锌-铜-稀硫酸组成的原电池反应中，不但看到铜片上有大量气泡产生，在锌片上也有一定量的气泡；而在有机反应中因副反应而导致的异常现象则更多了。
6.温度是影响化学反应速率和反应趋势的一个重要方面。温度的高低往往决定了一个反应能否发生、向什么方向发生等问题。所以，温度的合理控制对实验现象与实验结果至关重要。例如在做乙醇的氧化实验时，将螺旋状的铜丝加热变黑后，如不迅速插入乙醇，反复几次，并不会看到铜丝变红亮，也不会闻到有刺激性气味。因为铜丝插入速度太慢，使铜丝温度下降后反应就不能发生了。再如浓硫酸氧化性的实验中，按中学教材（必修本第一册，）给出的实验步骤，沉淀往往显示的是黑色,影响了教学的效果。反应结束后,倾去试管中的清液，观察试管中固体的颜色（白色）。向试管中加几滴水，观察溶液的颜色（蓝色）。改进后,通过先加热硫酸的方法,使反应体系的温度尽可能在较高的温度下进行,这样就有效地防止或减少黑色物质（氧化铜）的生长,达到预期的实验目的。
在实际的实验教学中，除了上述原因以外，试剂选用的恰当与否，酸碱介质环境，仪器的选用及装置是否合理，以及实验操作者自身基本操作是否过关等方面也会引起实验的异常现象。
二、探究异常实验现象的方法
探究异常实验现象的方法有许多，比如查阅资料法、实验法、实际参观法等，但是运用实验法中，最常用的就是控制变量法。在化学中，经常出现一个因素的变化与多个因素的变化有关的问题。运用控制变量法可以使一个因素的变化简化为分别与各个单因素的变化有关的问题，逐一分析、解决，从而降低对异常实验的分析难度。
如学习碱金属元素时，为了加深学生对钠的性质的认识，同时对金属活动性顺序有一个更为全面的了解，教师增加“钠与硫酸铜溶液”反应的演示实验。但是，在演示实验中常发生轻微的爆炸现象。这到底是什么原因？
【方案制定与实施】配置不同浓度的硫酸铜溶液(浓度分别为0.01mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L)，依次取硫酸铜溶液40mL，然后取5块同样大小的钠，分别投入到硫酸铜溶液当中，观察实验现象。然后根据实验选择一个合适浓度的硫酸铜溶液，固定硫酸铜溶液的浓度，考察钠块大小对实验的影响，继续观察实验现象，并做好实验记录。
【实验结果与分析】
1．硫酸铜溶液浓度的影响
保持钠块大小近似相同（0.05g）的情况下，分别加入到不同浓度的硫酸铜溶液中：钠投入到1.0mol/L的硫酸铜溶液当中后，钠块立即剧烈燃烧了起来，并伴随着爆炸声，在溶液上层有蓝色的絮状沉淀生成；钠投入到0.5mol/L的硫酸铜溶液当中后，可以看到钠块很快融化成一个银白色的小球，然后在液面上四处游动，但很快停在某一个地方，燃烧了起来，并伴随有轻微的爆炸声；钠投入到0.1mol/L的硫酸铜溶液当中后看到钠块熔成一个小球，四处游动，当有蓝色絮状沉淀越来越多时，钠块好象被阻挡在一个地方，开始燃烧了起来，但和前两次实验相比，燃烧时间靠后了，有大约30s左右才开始燃烧，没有发生爆炸现象。投入到0.05mol/L和0.01mol/L的硫酸铜溶液后现象和0.1mol/L的硫酸铜溶液中发生现象的差不多，只是钠块开始燃烧的时间越来越靠后了，分别为36s和40s。
相同大小的钠块和不同浓度的硫酸铜溶液反应现象是不相同的，浓度越大，反应越剧烈。并且，在1.0mol/L以及0.5mol/L的硫酸铜溶液中，都有爆炸现象发生，原因可能是：钠投入后生成的氢氧化钠和硫酸铜作用生成氢氧化铜絮状沉淀，浓度越大，产生的沉淀越快越多，而沉淀的产生恰恰阻止了钠块的游动，使得热量积聚，从而引发爆炸。当浓度较稀的时候，钠四处游动的程度就大些，热量得以扩散和释放，就不会产生爆炸现象。
2．钠块大小的影响
分别取40mL0.1mol/L的硫酸铜溶液三份，取大小为0.2g、0.1g、0.05g的钠，投入硫酸铜溶液中，实验发现：0.2g的钠投入溶液中后，钠块剧烈燃烧了起来，并发出爆炸声，还有少量的钠溅了出来；0.1g的钠投入硫酸铜溶液后，钠块也燃烧了起来，并发出爆炸声，只是和前者相比剧烈程度有所降低；0.05g的钠投入硫酸铜溶液后，钠块四处游动，偶有轻微的爆炸声，但是未见钠块燃烧。很显然，钠块的质量越大，游动的速度就越慢，积聚的热量就越多，就容易引发氢气的燃烧和爆炸。因此，实验中在不影响实验现象的前提条件下，应该选用质量较小的钠。
【实验结论】
实验结果表明，硫酸铜溶液的浓度不超过0.05mol/L，钠块的大小约为0.05g时，实验是安全的。这样，既可以让学生清楚的观察到实验现象，又能够保证实验的安全。实验还发现，钠与硫酸铜溶液的反应主要跟硫酸铜溶液的浓度和钠块的大小有关。
通过控制变量法对比实验，使一个纷繁复杂的异常实验现象，顿时显得清晰而明朗，很多的异常实验现象在排除人为的操作失误以外，必定是事出有因，因此教师必须提供一些有效的研究方法引导学生进行自主探究，从而得出科学的结论。
三、直面实验异常现象，把实验的失败当作一种教学资源
实验中出现异常现象，我们首先应仔细检查整个实验过程是否有失误，从试剂的质量、药品的用量、条件的控制、装置的可靠性到操作的准确性等，培养学生严谨的行为习惯。例如：在淀粉的水解实验中，加入新制的氢氧化铜浊液并加热以检验生成的葡萄糖，不少学生实验失败。经检查，原因一般是：①未中和淀粉水解液中的稀硫酸就加入新制的氢氧化铜浊液，因而只生成浅兰色硫酸铜溶液、而无红色氧化亚铜沉淀。②配制氢氧化铜浊液时颠倒了加药品的顺序，将少量的氢氧化钠溶液滴入过量的硫酸铜溶液中，浊液未成“碱液”而无红色氧化亚铜沉淀。
在演示实验前，教师应事先作充分准备，但实验中一旦出现上述情况则应尽快查出原因，当堂或下课重做一遍，并坦诚地向同学们说明原因，哪怕是教师操作上的问题；学生实验时，则应指导学生仔细检查找出失误环节直至实验成功。
如在演示氢气和氯气混合气在强光照射下爆炸时，在一只类似医用青霉素的玻璃瓶中用排饱和食盐水的方法收集了氢气和氯气各半瓶，用燃烧镁条的强光照射时，迅速发生爆炸。爆炸的气浪将小瓶及瓶塞高高抛起，有趣但很安全。但同样的装置在教室演示时却傻了眼——无论用强光如何照射，都不爆炸了。课后和同学们一起分析实验失败的原因：氢气和氯气混合气很可能在自然光照射下缓慢反应了。后来我将用同样的方法收集有混合气的小瓶用深色纸张包裹严实，演示时取出，实验很成功。
直面实验失败，把实验的失败当作一种教学资源，既培养了学生尊重客观事实的态度，又提高了学生探究问题，设计实验的能力，体现了教学中，教学与学生共同成长的新理念。
四、深入分析异常现象，逐步培养学生严谨的科学态度。
有的学生常常在实验之前就根据“知识经验”认定其实验现象，如盐类水解实验时，学生在测定NaCl溶液的pH时却发现其结果往往不等于7。这时就不能主观臆断地把结果记为7，而应该让学生从溶液、环境、试纸等方面仔细探索产生异常现象的原因。教师此时要当好“领路人”角色，多与学生交流，鼓励其对这些异常现象进行探讨，这样不但提供学生主动思考、表达的机会，也有助于学生树立自信心。
科学态度是人们能够正确对待客观事物的一种持久的内在的反应倾向，是经过实践活动而习得和养成的。我们有的学生违背了“科学是老老实实的学问，任何一点调皮都是不行的”这一科学忠告，出现了“郑人买履”式的错误做法——宁信自己的“知识经验”、不信实验事实。其主要原因是我们的教育没有把培养学生的科学态度这一任务提高到应有的高度，缺乏培养训练的具体措施，难以落到实处，甚至有的教师有时出现与科学态度背道而驰的举措，如在学生实验之后，不管同学们的实验情况如何，公布统一的标准现象、结果分析等来填写实验报告。所以，我们务必通过教师的示范熏陶、严格指导，让学生逐步养成仔细观察、尊重事实、深入分析的科学态度。
五、引导拓展培养学生积极的探索精神
在化学教学中，只要学生留心观察实验过程，注意捕捉奇特的变化，就可以发现许多实验异常现象，对这些异常现象进行探究会得到很多重要的发现。教师应根据教学内容，指导学生对见怪不怪的现象着手探究、发现问题。中学化学中异常现象很多，其中很多异常现象都可以成为学生进行探究的极好材料。
如FeSO4与NaOH溶液反应制备Fe(OH)2时，学生看到的不是白色絮状沉淀，而是灰绿色沉淀，并逐渐变成红褐色。
教师及时引导学生注意实验操作的关键：①为什么要用新制备的FeSO4溶液？②为何将滴管插入试管里溶液的底部，慢慢挤出NaOH溶液？学生通过分析、查阅书本知识认识到FeSO4、Fe(OH)2易被空气中的氧气所氧化，于是提出一系列避免氧气氧化的设计方案。经过讨论、比较，学生在新制硫酸亚铁液面上滴加油层或苯层作保护层，将滴管伸入试管底部；滴加煮沸过的NaOH溶液，终于得到白色Fe(OH)2沉淀，并保持较长的时间。
在探索性的思考与实验中，尽管学生的答案并非全对（更多明显错误的尚未列出），但我认为：探索的过程比结果更重要，通过对实验“异常”现象的分析、探究，唤起了学生的强烈的求知欲，进而培养学生的学习兴趣，激发学习动机，将“苦学”变为“好学”、“乐学”，鼓励学生不断想方设法地去创新，这正是当前教育改革所追求的教学理念。当然，由于有些实验异常现象的情况复杂，而探索性实验又过于开放，在教学过程中往往难以控制，易出现延时耗时、学生失误、学习的知识不系统等情况。所以，教师应指导学生对某些有“价值”的实验异常现象进行探索。
另外，有些实验的异常现象由于其原因太复杂，因而教师也不尽清楚，甚至至今没人弄清楚，这应向同学们实事求是地讲明，包括不同学者有不同的见解、笔者自己的看法等，以此激发学生的好胜心与求知欲。当然，也要让学生认识到在这未知领域进行探索，可能找到“金矿”，科学史上许多重大的发现就在这异常现象中被挖掘出来，但也可能一无所获。一般可鼓励有兴趣的学生在课余或今后进行探索，但不宜一律强求。
我们力求避免在化学实验中出现异常现象，但事物是辨证的，一旦出现，这类伴随有“异常”现象的实验，大多具有原因不确定性、过程的探究性、思维的不约束性等，这为我们提供了从多角度、多层次、多模式思考、解决问题的空间，学会随机应变，不受定势的束缚，不局限于某一方面。意外中蕴含着正常，关键是透过表象看到本质。抓住实验中的意外，找出产生异常现象的原因，化慌乱为沉着、化异常为创新，反而能因化腐朽为神奇的“意外”给学生留下更深刻的记忆，教学目的也就能轻易实现，使师生双方在探索活动中相互得到提高,也更好地完善了化学实验这一宝贵的化学教学资源的功能。
参考文献
[1]吴俊明.中学化学实验研究导论.南京:江苏教育出版社,1997
[2]吴俊明.议当前实验教学改革和创新[J].化学教学，2004（4）
[3]刘知新,王祖浩.化学教学系统论.南宁:广西教育出版社,1996
组别：化学组
何伟云甘肃省古浪县第一中学中学一级教师15101355975
何岳山甘肃省古浪县第四中学中学一级教师13893575183
杨立河甘肃省古浪县第四中学中学二级教师
电子邮箱：he_weiyun@126.com
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