“尿不濕及其活性成分的探究”教學設計

文章編號:1005-6629(2010)07-0042-04 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

1設計思想

綠色高吸水樹脂是人教版新教材《選修5(有機化學基礎)》最后一節“功能高分子材料”的重要內容，單純作為科普介紹課堂易顯單調而空洞，作為綠色高吸水樹脂的代表物——尿不濕，學生既熟悉又陌生，讓學生對探究日常生活用品尿不濕及其活性成分很容易產生認知興趣，而且經過了較為完整的有機化學基礎學習之后，學生已經具備了探究尿不濕中的活性成分的知識基礎和能力基礎，因而，本節課宜定位為以學生實驗為基礎的探究教學。通過對尿不濕產品結構和功能的分析，將探究的問題回歸到生活實際，激發了課后繼續探究的學習動機。

2 教學過程

[回顧與思考]上節課我們學習了合成纖維的“六大綸”，其中有一種纖維材料因具有較好的吸水性，被稱為“人造棉花”，它是什么物質?

[學生] 維綸，聚乙烯醇。

[教師] 維綸具有吸水性的原因是什么?

[學生] 高分子中含有大量的親水基團——羥基。

[設置問題情境] 聚乙烯醇因具有較好的吸水性，曾被用來制造“尿不濕”，那么現在嬰兒廣為使用的尿不濕的吸水材料還是不是聚乙烯醇呢?

(設計意圖:從學生的已有知識引入，貼近學生的最近發展區，容易產生認知共鳴，進而創設問題情境，一氣呵成。)

[實驗探究] 尿不濕填充物和棉花的鑒別和吸水能力的比較

[分組實驗1] 仔細觀察分別盛有0.5 g棉花和尿不濕填充物的燒杯，初步鑒別。

[觀察交流] 外觀相似，棉花的體積明顯大得多，仔細觀察，尿不濕填充物中有小顆粒。

[分組實驗2] 在燒杯中分別加入25 mL的水，用玻璃棒充分攪拌后靜置，觀察現象。

[觀察交流] 棉花中明顯看見水，尿不濕填充物“棉花”狀逐漸消失，體系呈凝膠狀。

[教師演示] 迅速將課前準備的盛有尿不濕填充物的加水燒杯倒置，無水流出。

[實驗結論] 尿不濕填充物的吸水性比傳統吸水劑棉花要強得多。

(設計意圖:分組實驗1，對比觀察實驗，相似性為后續小組討論創設情境，細微差異性的發現，培養了學生細致觀察的能力;分組實驗2和演示實驗，淋漓盡致地展現尿不濕填充物的高吸水性，尤其是教師演示實驗現象的出乎意料，給同學留下了深刻的印象)

(教學反思:上述教師演示實驗的成功效果，需要在尿不濕填充物中加水幾分鐘之后進行，教師課前準備好，課堂演示，節省了教學時間。由于等一會兒學生自己也能做，因此，學生對教師演示的實驗結果，異常驚奇又深信不疑，這樣的精心設計對其他的慢速實驗也可借鑒。)

[問題討論] 尿不濕中的填充物是“人造棉花”嗎?

[學生] 應該不是，“人造棉花”和棉花的吸水性應該較接近。

[教師] 為什么?

[學生] 因為聚乙烯醇和纖維素分子中都是平均每兩個碳原子擁有一個羥基。

[投影] 棉花與“人造棉花”的吸水性分析(圖1):

[思考與交流]是什么樣的強親水基團使得尿不濕填充物具有高吸水性?

[分解思考1]常見親水性基團有哪些?

[學生]-OH、-COOH等。

[分解思考2]如何增加它們的親水性?

[學生]將其變成鈉鹽。

[分解思考3]有證據表明改良后的基團親水性增加了嗎?

[學生]苯酚鈉、苯甲酸鈉在水中的溶解度比苯酚、苯甲酸大。

[實驗探究] 聚丙烯酸鈉吸水性的研究

在盛有0.5克聚丙烯酸鈉的燒杯中加入25 mL水，用玻璃棒充分攪拌后靜置，觀察現象。

[實驗現象]靜置后呈凝膠狀，倒置后無液體流出。

[思考與交流]如何理解聚丙烯酸鈉的高吸水性?

[學生]離子與水分子之間的靜電作用比羧基與水分子之間的氫鍵要強得多。

[投影]帶有正電荷的鈉離子和帶有負電荷的羧酸根離子的親水性比氫鍵要強得多。

[實驗探究]尿不濕中的填充物是聚丙烯酸鈉嗎?

在兩支試管中分別放入少量的聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，加入5 mL蒸餾水，分別滴加酚酞試液，觀察現象。

[實驗現象]聚丙烯酸鈉溶液中加酚酞試劑顯紅色，尿不濕填充物溶液中滴加酚酞試劑不顯色。

[實驗結論]尿不濕中的填充物不是聚丙烯酸鈉。

[資料在線]尿不濕填充物聚丙烯鈉通過保留一些羧基而使其接近中性。

[思考]尿不濕填充物中為何要保留部分羧基，使其接近中性?

[學生]接近中性刺激性小、安全、舒適，適于嬰兒的嬌嫩皮膚。

(設計意圖:本實驗就教材提出的尿不濕填充物的活性成分——聚丙烯酸鈉展開探究，體現了用教材的思想，課堂探究的結論令同學和聽課教師感到意外，但仔細想來，應更加感激產品設計師對嬰兒的一片關愛之情。)

[觀察與思考]用玻璃棒擠壓棉花、聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，觀察比較它們的保水性。

[實驗結論]保水性強弱次序:尿不濕填充物 > 聚丙烯酸鈉 > 棉花

[分組討論]人們想了怎樣的辦法來增強高吸水材料的保水性的呢?

[小組交流](1)親水基團含量越多、親水性越強，保水性越好。

(2) 適度交聯，形成網狀結構。

[思考與交流](1)下列綠色高吸水樹脂的交聯劑是什么?交聯的原理是什么?

[學生] 丙三醇， ，通過酯化反應進行交聯。

[教師] 除了丙三醇通過酯化反應進行交聯外，還有其他的交聯原理，請看思考2。

[思考與交流] (2)下列綠色高吸水樹脂的交聯劑是什么?交聯的原理又是什么?

[學生]，

通過加聚反應進行交聯。

(教學反思:尋找交聯劑是教學難點，教師要充分了解學生的已有知識，實際教學中思考題的順序與本設計相反，結果表明學生對酯化反應進行交聯很容易解答。對通過加聚反應進行交聯，只有極個別學生有思路，因而本設計將其對調。)

[思考與交流] 上述交聯劑為何不用更簡單的交聯劑如:乙二醇、1，3-丁二烯?

[學生] 上述交聯劑中還含有親水性的基團，如:-NH-、-OH。

[思考與交流] 請解釋高吸水樹脂的吸水機理。

[分解討論1] 吸水前，高吸水樹脂呈什么狀態?

[學生] 高分子網絡是固態網束，未電離。

[分解討論2] 吸水中，高吸水樹脂有何變化?

[學生] 首先水分子通過氫鍵與樹脂分子鏈上的大量親水基團發生水合作用，親水基團離解。

[分解討論3] 電離產生的陽離子和陰離子都能自由移動嗎?

[學生] 陽離子鈉離子能自由移動，陰離子羧酸根離子固定在高分子鏈上不能自由移動。

[投影、講解] 電離產生的陰離子固定在高分子鏈上，陰離子之間的排斥作用使高分子網束張展，形成孔穴。

[分解討論4] 陽離子能在整個體系中自由運動嗎?

[學生]應該不會，因為陰離子不能自由移動，如果陽離子在整個體系中自由運動，則從燒杯中取一些溶液出來， 溶液中將只有鈉離子而帶電，這是不可能的。

[講解]為了維持溶液的電中性，陽離子不會向外部溶劑擴散，導致可移動陽離子在樹脂網絡內的濃度增大，從而造成網絡結構內外產生滲透壓。水分子通過滲透壓作用不斷向網內滲透，隨著水的滲透，網內離子濃度逐漸減小，滲透壓逐漸減小。同時，三維交聯結構擴張也產生相應的彈性收縮力，逐漸抵消陰離子的靜電斥力，最終達到吸水平衡。

(設計思想:將高吸水樹脂的較復雜的吸水機理按吸水過程分解成幾個相對簡單的問題，結合學生討論和教師講解共同完成，這是對傳統講授式教學的一種改進。)

(教學反思:高吸水樹脂的吸水機理，教材不作要求，但能預見教學時學生很可能提出這樣的問題，實際教學時學生也確實提出了高吸水樹脂是如何吸水、保水的問題，因而花些時間深入淺出的作些討論是值得的。)

[實驗探究]請設計一個簡單實驗說明高吸水樹脂的吸水主要原因之一是聚電解質的離子滲透壓。

[設計方案1]通過對比實驗比較高吸水樹脂分別在蒸餾水中、生理鹽水中的吸水能力。

[設計方案2]在已吸水的高吸水樹脂中加入少量食鹽固體，觀察該樹脂是否失水。

[分組實驗]請按小組討論的實驗方案進行實驗探究。

方案1現象:高吸水樹脂分別在蒸餾水中的吸水能力顯著大于生理鹽水中的吸水能力。

方案2現象:樹脂明顯失水，燒杯中出現大量的鹽水。

[過渡設置情境]除了具有高吸水性、安全、舒適的尿不濕填充物之外，尿不濕產品中還有哪些輔助材料，它們又應具有怎樣的功能?

[小組討論]至少還應有內外兩層，相當于構成一個容器，內層緊靠嬰兒皮膚應當很舒適，最好具有單向透水性，外層要求相對較低，但也應舒適、不透水。

[學生演示]打開一個尿不濕實樣，仔細觀察尿不濕的結構;并就尿不濕的內層和外層進行相關的簡單驗證實驗。

[教師]綠色高吸水樹脂作為一種新型功能高分子材料因其高吸水能力、高保水能力、重復吸水能力以及高度的安全無毒性，近年來在國民經濟及人們生活中發揮了越來越重要的作用，尿不濕只是一個典型的實例，請同學們課后通過相互討論、網絡搜索等方法進一步了解它的應用。