化學仿真軟件在堿金屬與水的反應教學中的應用*

◆姜正毅　吳曉紅　陳偉

化學仿真軟件在堿金屬與水的反應教學中的應用*

◆姜正毅吳曉紅陳偉

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.038

通過化學虛擬實驗軟件“鱷魚夾”對探究性實驗“堿金屬與水的反應”進行虛擬仿真，通過宏觀現象、數據與曲線和微觀示意圖的呈現，對“堿金屬與水的反應”的相似性與遞變性進行討論，一方面幫助學生建構起反應體系的微觀世界和對反應體系進行認識，另一方面保證學生不會因為化學實驗中潛在的危險而受到傷害，從而更好地實現中學教學中探究性實驗的教學。

化學仿真實驗；中學化學；堿金屬與水的反應

1　前言

在高中探究性實驗“堿金屬與水的反應”的教學過程中，由于堿金屬化學性質活潑，因此進行實驗時反應速度快，現象不宜觀察且具有一定的危險性［1］；而且由于堿金屬Li和K非常活潑，因此在實際教學過程中無法用其進行實驗教學。在實際教學過程中，借助化學仿真軟件“鱷魚夾”展開探究式教學活動，不僅能夠有效地避免實驗安全事故的發生，防止學生被反應生成的強堿腐蝕或灼傷，而且能夠有效地借助軟件中的宏觀現象、微觀示意圖和數據圖表的展示，幫助學生對該反應的相似性與遞變性進行認知與學習。

2　實驗演示思路

根據《普通高中化學課程標準（實驗）》，本部分的教學要求學生能結合有關數據和實驗事實認識元素周期律，了解原子結構與元素性質的關系［2］。因此，在教學過程中采用探究式教學模式，運用“鱷魚夾”化學仿真軟件進行化學虛擬實驗“Li、Na、K與H2O反應”的演示，然后借助軟件中虛擬實驗現象、數據、圖表和曲線的展示，引導學生理解與掌握三個反應的相似性與遞變性。

實驗演示一：堿金屬與水反應的相似性該實驗的演示采用分別演示Li與水反應、Na與水反應、K與水反應的方式進行。

現以Li與水反應為例，將實驗演示過程列舉如下。

其次，按下開始仿真按鈕，開始虛擬實驗演示，反應過程中的變化如圖2和圖3所示。

如圖2所示，單質Li在反應開始一段時間后，開始產生氣泡并浮在水面上，由此表明單質Li的密度小于水并且反應產生氣體。對比圖2和圖1中的信息欄得知，反應過程中產生Li+和OH-，只是由于濃度過小，因而沒有出現在微觀示意圖中，但說明該反應過程中有離子參加反應，根據“離子反應”的定義，能夠得知該反應屬于離子反應；對比“氣體”一欄得知，反應中產生的氣體成分為H2；對比“液體和固體”一欄得知，反應前液體和固體的溫度為25.00 ℃，反應一段時間后液體的溫度為28.322 ℃，固體的溫度為29.056 ℃，由此說明該反應過程中會放出熱量，表明該反應屬于放熱反應。

圖1　反應前示意圖

圖2　反應場景1

圖3　反應場景2

如圖3所示，單質Li在進一步與水反應的過程中發生爆炸，由此說明Li與水的反應是非常劇烈的，間接表明金屬單質Li具有強還原性；對比圖1、圖2和圖3的原子示意圖以及信息欄得知，隨著反應的進行，兩種離子濃度在逐漸增大，兩種離子經歷了從無到有的反應歷程；進一步對比圖2和圖3的“液體”和“固體”一欄得知，溫度隨著反應的進行進一步升高，而且由于發生爆炸，使得部分單質Li與氧氣發生副反應而產生Li2O固體；對比圖2和圖3的“氣體”一欄得知，圖2中H2的體積為46.575 cm3，圖3中則為31.769 cm3，由于H2屬于可燃性氣體，能夠推測反應發生爆炸的根源可能與H2有關。

綜上所述，Li與水反應的實驗現象是Li浮在水面上并且不斷熔化，而且反應過程中產生大量氣泡并發生爆炸，向反應后的溶液滴加酚酞試液之后，溶液變為紅色；通過信息欄與微觀示意圖的對比能夠得知，產生的氣體為H2，并且該反應過程中會放出熱量，屬于放熱反應；而且由于該反應過程中有離子參加，故該反應也屬于離子反應，反應過程中產生Li+和OH-；隨著OH-濃度的增加，使得液體的酸堿性由中性逐漸轉變為堿性。

圖4　反應后示意圖

圖5　反應狀態示意圖

總之，單質Li因為其強還原性而與水反應非常劇烈，反應過程中產生強堿LiOH和H2。對于單質Na與水反應、單質K與水反應，也可采用上述的虛擬實驗演示與分析過程進行模擬仿真。

然后按下開始仿真按鈕，開始虛擬對比實驗演示，反應過程中的變化如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

圖6　反應場景1

圖7　反應場景2

如圖6所示，K與水的燒杯中最先出現爆炸現象，溫度曲線最先呈現出急劇上升的趨勢，標志著該反應的化學反應速率最快；而Li與水和Na與水的燒杯中仍然處于產生大量氣泡的階段，Na與水反應的溫度曲線僅僅是緩慢上升，Li與水反應的溫度曲線并未發生明顯變化。由此可以說明K的金屬性強于Li和Na。

如圖7所示，繼K與水的燒杯中發生爆炸現象之后，Na與水的燒杯中也出現爆炸現象，其溫度曲線也呈現出急劇上升的趨勢；但此時K與水的反應因單質K的完全反應而停止，其溫度曲線處于平衡不變的狀態；Li與水的燒杯中仍然處于產生大量氣泡的階段，其溫度曲線處于緩慢上升的階段。由此可以說明3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li。

如圖8所示，繼K、Na與水的燒杯中發生爆炸現象之后，Li與水的燒杯中也出現爆炸現象，其溫度曲線呈現出急劇上升的趨勢；而此時K、Na與水的反應因單質K、Na的完全反應而停止，它們的溫度曲線表現出平衡不變的狀態。由此能夠進一步說明3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li。

如圖9所示，在反應停止后，由溫度曲線觀察得知3種金屬與水的反應均已達到平衡狀態。仔細觀察3條曲線不難發現，三者達到平衡的時間不同，K與水反應的溫度曲線最先達到平衡，Na與水反應的次之，Li與水反應的溫度曲線最后才達到平衡狀態。由此生動直觀地說明3種金屬與水的反應呈現出遞變性，也進一步證明了“3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li”的實驗結論。

綜上所述，Li、Na、K三種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li，其與水反應的劇烈程度與化學反應速率隨著3種金屬的金屬性的增強而增大，呈現出遞變性。

圖8　反應場景3

圖9　反應后示意圖

3　對教學的啟示

通過化學仿真軟件對以上實驗的演示，學生能夠直觀地對Li、Na和K分別與水反應的實驗現象，各自反應體系當中微觀粒子的變化、溫度的變化、各成分量的變化等進行感性認識，隨后在教師的分析與總結中實現感性認識向理性認識的飛躍。

化學虛擬仿真實驗的使用，一方面能夠有效地幫助學生建構起反應體系的微觀世界和對反應體系進行感性認識，達到化學學科要求學生能夠想象與建構微觀世界的要求；另一方面也有效地避免了實驗安全事故的發生，防止學生因操作不當而被強堿腐蝕或者灼傷。因而將虛擬實驗系統引入中學課程教學，已經成為中學實驗教學的一個發展趨勢，從而更好地實現中學教學中探究性實驗的教學［3］。

［1］唐久磊，張學軍，魏江明.自主探究性虛擬化學實驗設計：以堿金屬化學性質探究為例［J］.化學教育，2014，35（17）：41-44.

［2］普通高中化學課程標準（實驗）［S］.北京：人民教育出版社，2001：12.

［3］楊濤.虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應用［J］.中國教育技術裝備，2015（13）：166-167.

TP391.9

B

1671-489X（2016）16-0038-03

*項目來源：2015年度寧夏回族自治區級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：20150188）。

作者：姜正毅，寧夏大學化學化工學院研究生，研究方向為學科教學（化學）；吳曉紅（通訊作者），寧夏大學化學化工學院，研究方向為課程與教學論；陳偉，寧夏大學教務處，研究方向為化學教學、科學教育等方面（750021）。