化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)牽涉多方面的內(nèi)容，設(shè)計(jì)過程必須遵循一定的程序。一般來說，化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有下列的程序:

(1)提出實(shí)驗(yàn)研究課題(實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊笫菍?shí)驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前，必須對實(shí)驗(yàn)的目的要求相當(dāng)明確。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊螅_定實(shí)驗(yàn)的原理和方法。只有明確實(shí)驗(yàn)原理和方法，才能對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作出合理的規(guī)劃。

(3)理清設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路是:目的--假設(shè)--變量--方法--步驟--器材。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶岢黾僭O(shè)，圍繞假設(shè)確定被試和變量，按照實(shí)驗(yàn)變量采取相應(yīng)的方法、手段、依從變量控制安排實(shí)驗(yàn)步驟、選擇合適器材和反應(yīng)條件等。

(4)實(shí)施、對比、控制。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中要特別重視對比和控制，對照不當(dāng)，實(shí)驗(yàn)將失去意義;沒有控制，則不能成為實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)始終保持主題活性，細(xì)致觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，詳實(shí)記錄數(shù)據(jù)。

(5)結(jié)果處理。對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果、數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，準(zhǔn)確表述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(6)評價(jià)與修正?；仡檶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，反思實(shí)驗(yàn)過程，修正檢驗(yàn)假設(shè)，對結(jié)果評價(jià)。

在規(guī)劃實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循一些原則。具體有:

第一，科學(xué)性原則。這是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的首要原則。它指所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理、操作順序、操作方法等，必須與化學(xué)理論知識以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法理論相一致。例如，驗(yàn)證氯酸鉀(KClO3)中的存在氯元素，不應(yīng)該采用將其溶于水再加AgNO3溶液的方法，因?yàn)镵ClO3中不存在Cl-。而應(yīng)該先讓固體與MnO2混合，充分反應(yīng)后，冷卻，再將固體溶于水，取上面的清夜滴入少量的AgNO3，看到白色現(xiàn)象，再加入稀硝酸，振蕩，沉淀不溶解溶解，這樣才能夠證明存在氯元素。

第二，可行性原則?？尚行栽瓌t是指設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，所運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)施時(shí)切實(shí)可行，而且所選用的化學(xué)藥品、儀器、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法等在現(xiàn)行的條件下能夠滿足。例如，鑒別NaCl和Na2SO4，選用硝酸銀溶液就不可行，因?yàn)楸M管溶解性表標(biāo)明AgCl難溶而Ag2SO4微溶，但事實(shí)上無法將它們區(qū)分。這是因?yàn)锳g2SO4容易分解為難溶的氧化銀。再如，除去CO氣體中的少量CO2氣體，有學(xué)生選擇將混合氣體通過熾熱的炭層的方法，目的是想利用炭的還原性將CO2還原為CO氣體。此方案原理上當(dāng)然可以，但由于木炭還原CO2是吸熱反應(yīng)，需要很高的溫度，中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下不易實(shí)現(xiàn)。因此，嚴(yán)格地說該方案不可行。簡便易行、效果好的設(shè)計(jì)思路應(yīng)該是:讓混合氣體通過澄清石灰水或NaOH溶液或堿石灰。

第三，簡約性原則。是指化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要盡可能地采用簡單的裝置或方法，用較少的步驟及實(shí)驗(yàn)藥品，在較短的時(shí)間內(nèi)來完成實(shí)驗(yàn)的原則。例如，除去銅表面的氧化銅雜質(zhì)，初學(xué)者很容易想到用還原劑(H2、C或CO)還原的方法。這種方法由于需要加熱甚至高溫條件下才能進(jìn)行反應(yīng)，因而對裝置及操作的要求就比較高，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不宜采用。比較簡便、易行的方法是用稀硫酸或稀鹽酸作試劑，在常溫下清洗銅片。

第四，安全性原則。這是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免使用有毒藥品或具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作。如上例中涉及到的CO有毒，不宜采用。再如，鑒別稀溴水和稀碘水(均呈淺黃色溶液)時(shí)，就不能采取加熱蒸發(fā)、通過觀察蒸氣顏色的方法來區(qū)分，因?yàn)殇?、碘的蒸氣均有劇毒，這樣操作是很危險(xiǎn)的，為不安全操作。而應(yīng)采取加有機(jī)溶劑(如CCl4)萃取的方法?；蛘呒尤胂跛崴峄南跛徙y溶液的方法，很快便可區(qū)分清楚。由此看來，能構(gòu)成環(huán)境污染的，能造成人身傷害的思路及操作均是不安全的，因而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中是不可取的。

根據(jù)上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則和實(shí)驗(yàn)操作實(shí)際，可以明確地知道，化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個(gè)方面:(1)原理恰當(dāng);(2)效果明顯;(3)裝置簡單;(4)操作安全;(5)節(jié)約藥品;(6)實(shí)驗(yàn)步驟簡單;(7)誤差較小，等等。換句話說，就是要符合"綠色化學(xué)"的要求(注:"綠色化學(xué)"研究的中心問題是使化學(xué)反應(yīng)以及其產(chǎn)物具有以下特點(diǎn)--采用無毒、無害的原料;在無毒、無害的反應(yīng)條件下進(jìn)行;減量、循環(huán)、重復(fù)使用;具有"原子經(jīng)濟(jì)性"，即反應(yīng)具有高選擇性、極少副產(chǎn)物、甚至實(shí)現(xiàn)零排放;產(chǎn)品應(yīng)是對環(huán)境友好的;滿足價(jià)廉物美的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn))。以上幾個(gè)方面不僅在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中必須充分注意，同時(shí)這些標(biāo)準(zhǔn)也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)劣評價(jià)的相關(guān)要素。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅需要較為扎實(shí)的化學(xué)知識與實(shí)驗(yàn)技能，而且還必須掌握相關(guān)的科學(xué)方法(如假設(shè)、測定、實(shí)驗(yàn)條件的控制、實(shí)驗(yàn)觀察與記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與表達(dá)等)，因此該類試題很好地考查學(xué)生靈活應(yīng)用化學(xué)知識與技能以及科學(xué)研究方法解決化學(xué)問題的能力和創(chuàng)造能力。因此，《理科綜合能力測試考試說明》要求學(xué)生"能夠根據(jù)要求靈活運(yùn)用已學(xué)過的自然科學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)方法和儀器，設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案并處理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題"，而且近年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)也對考查學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰x予較多的關(guān)注。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括以下六個(gè)要素:(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(2)實(shí)驗(yàn)原理;(3)實(shí)驗(yàn)用品以及裝置;(4)實(shí)驗(yàn) 操作及規(guī)程;(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理;(6)實(shí)驗(yàn)程序。這些要素之間的關(guān)系如右圖所示。

從實(shí)驗(yàn)研究的側(cè)重點(diǎn)和中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際來看，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的類型主要包括:

(1)定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。定性實(shí)驗(yàn)主要包含以下內(nèi)容:①制取某種物質(zhì)的實(shí)驗(yàn);②物質(zhì)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn);③物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn);④分離混合物或從混合物中提取某物質(zhì)的實(shí)驗(yàn);⑤驗(yàn)證化學(xué)原理、化學(xué)概念或化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

(2)定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。定量實(shí)驗(yàn)主要包含以下內(nèi)容:①測定某些中學(xué)化學(xué)常用計(jì)量(某元素的相對原子質(zhì)量、阿伏加德羅常數(shù))的實(shí)驗(yàn);②確定物質(zhì)組成(混合物各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、某化合物的定量組成)的實(shí)驗(yàn);③測定化學(xué)反應(yīng)中能量變化(如反應(yīng)熱、中和熱)的實(shí)驗(yàn)。

(3)結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)是用以測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，包含測定分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)等。