陈 熙

（福州第一中学，福建 福州 350001）

化学是一门以实验为基础的学科，化学实验在探究物质组成、认识物质性质、形成化学用语、掌握性质变化规律和建立化学概念中起着重要作用。在高中教材中，认识物质化学性质，形成化学概念，建立化学理论，几乎都要通过化学实验，教师的演示实验和学生实验项目是学习化学知识、解决生产和生活实际问题的重要途径和方法，著名化学家戴安邦曾反复强调“加强实验，无论如何都不过分”。教师演示实验一般具有以下特点:装置较为复杂、所需试剂较多、反应条件较高或具有一定安全隐患，教材通常将教师演示实验安排在认识化学概念、组织问题讨论、形成化学用语和建立理论等部分。教材中设置的教师演示实验项目，往往是教材的精髓，一个演示实验要得出或形成结论，一般要通过创设适当的控制变量来实现，化学实验中的控制变量，最常见的是控制单一变量。所谓的控制单一变量，是指某实验项目受多变量的影响与控制，为了研究它的变化规律，人们常常利用控制变量的方法，把多变量的问题变成多个单变量的问题，每一次只改变其中的某一个变量，同时控制其余几个变量不变，从而研究被改变的这个变量对物质性质与变化规律的影响，其他变量的影响依次依据该方法分别加以研究，最后再汇总所有变量的影响，综合得出多变量对物质性质与变化规律的影响规律，这样可以大幅提升研究效率。化学实验中的常见变量有:物质的量、组成与结构、物料顺序、溶解度、温度、浓度、压强、催化剂等。下面以苏教版高中化学教材为例，结合教学实践，笔者试论析控制变量尤其是控制单一变量在实验教学中的地位与应用。

一、控制物质的量

案例1:必修1专题2第一单元的实验1:用一支100mL针筒抽取80mL氯气，然后抽取20mL水，震荡，观察实验现象。

现象分析:可以把针筒近似看做一个恒压装置，100mL针筒抽取80mL氯气，然后抽取20mL水，此时针筒活塞的读数应在100mL刻度处，震荡，氯气逐步溶于水，针筒内氯气的物质的量减小，气体压力降低，在外界大气压的作用下，针筒的活塞逐步内移，当活塞停止移动时，停在约60mL刻度处，即针筒内含有约20mL溶液与40mL氯气。仔细观察，可以发现溶液呈黄绿色，说明氯水中存在大量的氯分子，这个实验说明氯气能溶于水（在常温下，1体积的水能溶解约2体积的氯气），进一步进行其他实验，还可证明氯水具有酸性与漂白性，说明氯气溶于水时还能与水发生反应，生成新物质，所以氯气溶于水时，既发生物理变化又发生化学变化。

控制变量分析:设该实验在标准状态进行，该针筒中有关反应物的物质的量分别为:n（H2O）=×10－3mol减少的40mL氯气的物质的量为n1（Cl2）=n1（Cl2），结合氯水呈黄绿色，分析这2个信息可知，氯气与水的反应存在反应限度，该反应的化学方程式为:，在针筒内存在2个平衡体系，即氯气溶于水的溶解平衡和氯气与水发生反应的化学平衡。

案例2:必修1专题2第一单元的实验4:用一支针筒抽取80mL氯气，然后再抽取20mL5%氢氧化钠溶液，震荡，观察现象。

现象分析:100mL针筒抽取80mL氯气，然后抽取20mL5%氢氧化钠溶液，此时针筒活塞的读数应在100mL刻度处，震荡，氯气逐步溶于氢氧化钠溶液，针筒内氯气物质的量减小，气体压力降低，在外界大气压的作用下，活塞逐步内移，当活塞停止移动时，氯气已完全被氢氧化钠溶液吸收，活塞最终停在约20mL处。通过仔细观察，溶液呈无色，说明溶液中不存在氯气分子。

控制变量分析:氢氧化钠溶液中的溶质NaOH能中和氯水中的HCl与HClO，使氯水中的氯与水的反应平衡右移，该针筒中反应物的物质的量分别为（氢氧化钠溶液的密度的近似值取1g·mL－1，设气体的状态为标准状态mol，比较可知，n（NaOH）＞2n（Cl2），氢氧化钠过量，过量的NaOH溶液能完全吸收氯气，该反应的化学方程式为经推理可知，要完全吸收80mL氯气，需要 n（NaOH）=7.14×10－3mol，折合为5%氢氧化钠溶液约5.7mL，因此，只要取不少于5.7mL的5%氢氧化钠溶液与80mL氯气反应，就能实现氯气被完全吸收的实验目的。

以上2个有关氯气性质的对比实验，可以很好地体现“反应物的物质的量的不同，反应结果不同”的结论。

二、控制组成与结构

案例3:必修1专题2第二单元电解质溶液的导电性实验:在4只相同的小烧杯中分别加入50mL的物质的量浓度均为0.1mol·L－1的盐酸、醋酸、氢氧化钠溶液和氨水，按右图（必修1P53图2－11）的实验装置进行实验，接通电源，观察实验现象并分析原因。

现象分析:测试盐酸、氢氧化钠、醋酸和氨水4种试剂的导电性强弱，对应灯泡的亮度分为明、暗2组，盐酸与氢氧化钠溶液对应的一组灯泡明亮，醋酸与氨水对应的另一组灯泡昏暗。这说明，在相同条件下，盐酸和氢氧化钠溶液的导电性强，它们的溶液中离子浓度大，即溶质HCl和NaOH的电离程度大，定义为电解质完全电离;醋酸和氨水溶液的导电性弱，它们的溶液中离子浓度小，即溶质CH3COOH和NH3·H2O电离程度小，定义为电解质部分电离;盐酸、氢氧化钠是强电解质，醋酸和一水合氨是弱电解质。

控制变量分析:该演示实验实际上是一个半定量的探究实验，在高中化学实验中占据极为重要的地位，电解质溶液的导电与电解质电离出的阴阳离子，在直流电场的作用下发生定向移动，影响电解质溶液导电性强弱的因素很多，如组成与结构、浓度、温度、离子价态、电极成分和电路特点等。该实验的设计充分体现控制变量原则:在实验中，将影响导电性强弱的多变量中除组成与结构因素外均控制为定量，设为定值。这些因素包括:①在相同的电压、导线、电极材料、电极浸没溶液的程度及相同规格的灯泡进行实验;②试剂均为AB型的1价化合物溶液;③试剂的浓度、体积和温度相同。

该实验说明，在相同条件下，组成与结构不同的电解质，导电性强弱不同，即电离程度不同，据此将电解质分为强电解质和弱电解质。强酸、强碱和绝大部分的盐是强电解质，弱酸、弱碱是弱电解质。

三、控制物料顺序

案例4:必修1专题2第一单元溴、碘的提取的实验2:在一支试管中加入2～3mLKI溶液，滴加少量新制氯水，再滴加少量CCl4，震荡，静置，观察实验现象。

现象分析:往KI溶液中滴入氯水，溶液由无色变为黄褐色，滴加CCl4，震荡，静置，液体分为两层，下层CCl4层呈紫色，上层水溶液层由黄褐色变为浅黄色。

控制变量分析:往KI溶液中滴加少量新制氯水，滴入氯水中的溶质（以Cl2计）的n（Cl2）远小于KI溶液中的n（KI），在反应中KI过量，溶液中的KI将滴入氯水中的Cl2全部还原，此时发生反应的化学方程式为随着氯水的再滴入，该反应可继续发生;如果把这个实验的物料顺序颠倒，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过量，此时首先发生反应紧接着再发生反应，这两个连续发生的反应使I－转化I2，I2随即再转化为IO3－，实验过程中溶液无变色现象，再滴加少量CCl4，震荡，反应混合液中没有I2能被CCl4萃取，CCl4层不能呈紫色，如果按照这个物料顺序进行实验，显然无法得出氯能置换出碘的结论。所以，要演示氯置换出碘、碘被CCl4萃取的实验，只能往一定量的KI溶液中滴加少量新制氯水，滴入的氯水也不能过量，否则，过量的氯一样能将生成的碘单质氧化生成HIO3，使CCl4萃取失败。

这个案例很好体现“一个反应体系的反应物投料顺序不同，可能导致反应过程中出现新物质，新物质具有不同于原反应物的化学性质，使实验现象与预期不符，导致实验失败”的结论。

四、控制浓度

案例5:选修模块化学反应原理专题2第一单元影响化学反应速率因素中浓度对化学反应速率的影响实验:在两个大小相同的气球中各放入1.0g的碳酸氢钠粉末，取两只同样大小的锥形瓶，向其中一只锥形瓶中加入60mL2.0mol·L－1的盐酸，向另一只锥形瓶中加入60mL0.2mol·L－1的盐酸。然后在锥形瓶口套上上述两个气球，将两只气球中的碳酸氢钠粉末同时分别加入到锥形瓶中（P36图2－4），观察并比较气球膨胀的快慢。

现象分析:加入锥形瓶内的碳酸氢钠粉末与盐酸溶液发生反应，溶液中出现大量气泡，放出CO2气体，使气体的物质的量增加，导致瓶内压强增大，使气球体积膨胀，实验中可观察到装2.0mol·L－1盐酸对应的气球比装0.2mol·L－1盐酸对应的气球体积膨胀的速率快，至全部反应结束，两只气球的体积几乎相同。

控制变量分析:对于碳酸氢钠粉末与盐酸反应而言，影响反应速率快慢的因素有3种:盐酸的温度、浓度和碳酸氢钠固体的表面积大小。在2只同规格的气球中各放入1.0g的碳酸氢钠粉末，即等质量的粉末具有几乎相同大小的表面积（由于碳酸氢钠能溶于水，固体表面积大小对速率的影响实际上可被忽略）;使用室温条件下的盐酸溶液，即反应液的起始温度相同;碳酸氢钠粉末与盐酸反应的化学方程式为，该反应虽是吸热反应，由于吸热量不大，反应混合液的温度下降幅度很小，所以温度降低对反应速率的影响也可被忽略。通过分析可知，影响该反应速率的因素是盐酸的浓度大小，即c（H+）的大小，盐酸浓度大，反应速率快，盐酸浓度小，反应速率慢。该反应体系中的两种反应物的物质的量分别为n（NaHCO3）=0.012mol，故质量为1.0g的NaHCO3在两个反应中均是少量的，不同浓度盐酸中的溶质HCl均过量，故等质量的NaHCO3完全反应后，生成等物质的量的CO2。由于加入相同体积的盐酸溶液、使用相同规格的锥形瓶与气球，在相同的温度下，2只气球最终的体积几乎相同。

该实验表明，其他条件相同时，增大反应物浓度，反应速率增大;减小反应物浓度，反应速率减小。

五、控制溶解度

案例6:选修模块化学反应原理专题3第四单元难溶电解质的溶解平衡实验1:取一支试管，向其中滴加2mL氯化钠溶液，然后向其中逐滴加入硝酸银溶液;实验2:向实验1的试管中滴加碘化钾溶液;实验3:向实验2的试管中滴加硫化钠溶液。

实验分析:向2mL氯化钠溶液中逐滴加入硝酸银溶液，出现白色沉淀;再滴入碘化钾溶液，白色沉淀转化为黄色沉淀;又滴入硫化钠溶液，黄色沉淀转化为黑色沉淀。

控制变量分析:这是一组由3个连续的实验组成的探究盐与盐发生复分解反应内在规律的实验，盐与盐要发生复分解反应生成2种新盐，要遵循的规律是至少有一种生成物的溶解度比反应物的溶解度小，小的幅度越大，反应进行得就越彻底。查阅资料可知，在常温下，AgCl、AgI、Ag2S的溶解度分别为 1.510－4g、2.110－7g、1.310－16g，其他反应物均为可溶性物质，分析数据可知，AgCl、AgI、Ag2S的溶解度依次明显减小，实验现象也说明，生成AgCl、AgI、Ag2S这3个化学反应能顺利。实验1是往2mL氯化钠溶液中逐滴加入硝酸银溶液，发生反应的化学方程式为NaNO3，依据探究目的，滴入的硝酸银溶液必须是少量或适量的，确保反应结束形成 NaCl、NaNO3和AgCl组成的悬浊液。实验2是往该悬浊液中滴加碘化钾溶液，KI与NaCl或NaNO3不反应，白色沉淀转化为黄色沉淀只能是发生沉淀的转化，即发生反应实验3是往黄色悬浊液中滴加硫化钠溶液，Na2S与NaCl、NaNO3或KCl不反应，黄色沉淀转化为黑色沉淀，发生沉淀的转化，即发生反应验中白色沉淀转化为黄色沉淀、黄色沉淀转化为黑色沉淀的颜色变化，就是通过控制相关试剂的用量来实现:在实验1中滴加的AgNO3必须是少量或适量、实验2中滴加的KI必须是足量和实验3中滴加的Na2S可以是少量或适量。只有这样才能确保反应依据AgCl、AgI、Ag2S的溶解度大小顺序，使盐与盐的复分解反应依次向生成溶解度更小的物质方向进行，即实现生成物的溶解度大小成为盐与盐发生复分解反应的控制变量。如果实验1中滴入过量的硝酸银溶液，反应剩余部分的硝酸银就会首先与实验2中滴入的碘化钾反应生成黄色碘化银沉淀，反应的化学方程式为由于黄色沉淀颜色比白色沉淀深，存在颜色的掩盖效应，此时实验者观察到的实验现象仍然是白色沉淀转化为黄色沉淀（但并未发生沉淀的转化）。同理，类似的问题在实验3中也存在。因此，教材在这3个实验的反应物用量设计上是不够严谨的，应该要对氯化钠、硝酸银、碘化钾和硫化钠这4种试剂明确浓度、规范用量，确保这组实验能实现沉淀转化的实验目的。

该组实验表明，盐与盐的复分解反应进行是向生成溶解度减小的方向进行，生成物的溶解度越小，与反应物的溶解度反差越大，复分解反应进行得就越彻底。

化学实验教学是化学教育的核心内容之一，对于实验设计原则的理解与把握程度能够反映一名教师专业素养的高低。实验设计中的控制变量尤其是控制单一变量原则是教师讲解实验原理、分析现象、认识性质、总结规律和形成概念的重要依据与前提。教学中只有牢牢抓住实验设计的基本原则—控制变量，才能通过在教学过程中精心设计的问题链，多方位、多角度引导并激发学生进行积极思考，学会对观察到的现象进行分析、推理、归纳，学会应用学科方法分析、处理、演绎实验数据，使学科思维的升华成为可能。只有仔细分析实验教学中的控制变量，才能使实验教学真正成为学生体验探究问题的科学方法、深化对问题认识的重要载体，一个实验项目的完美教学活动，既可以巩固学生对物质变化的实质与规律的认识，消除学生在学习过程中可能遭遇的各种困惑与障碍，又可以使化学用语、概念和理论的形成水到渠成，实现从感性认识向理性认识的飞跃。

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学1[M].南京:江苏教育出版社，2014.

[2]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].南京:江苏教育出版社，2008.

[3]芦岳锋.“AgCl、AgI、Ag_2S 沉淀转变”实验的探索[J].化学教学，2012（3）.