在實驗中尋證據(jù)，在證據(jù)中探性質(zhì)

劉建廷 班德利 曹蘭林

摘要：以人教版必修1中《硫酸》為例，對濃硫酸的三大特性進(jìn)行了實驗探究，并對實驗進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，讓學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)硫酸性質(zhì)的證據(jù)，并能對硫酸的性質(zhì)進(jìn)行合理推論，達(dá)到提升學(xué)生的思考、學(xué)習(xí)能力的課堂效果。

關(guān)鍵詞：硫酸;實錄;氧化性;吸水性;脫水性;實驗

文章編號：1008-0546（2020）11-0088-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.022

人教版化學(xué)必修1中硫酸的內(nèi)容是第四章非金屬及其化合物第四節(jié)氨、硝酸、硫酸中的重要內(nèi)容，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了稀硫酸的性質(zhì)，對于濃硫酸的性質(zhì)也有一定的了解，不少學(xué)生對濃硫酸的三大特性也有所認(rèn)識。并在初中階段已經(jīng)觀察或做過濃硫酸使紙張脫水炭化和濃硫酸做干燥劑的實驗，而高中教材中硫酸的性質(zhì)簡單明了，對應(yīng)實驗是驗證脫水性和氧化性的實驗。基于本節(jié)課的特點，筆者從實驗入手，嘗試建立學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物證據(jù)推理的思維模式。

一、教學(xué)實錄

[引入]

觀看視頻：棉花種子脫絨包衣技術(shù)（圖1）

師：視頻中棉花種子脫絨處理利用了濃硫酸的什么性質(zhì)？

生：脫水性？也有學(xué)生表示懷疑。

師：是不是脫水性呢？我們來研究一下濃硫酸的性質(zhì)，然后答案一會就會揭曉了（引入課題硫酸的性質(zhì)）。同時展示一瓶濃硫酸，拿出一張濾紙和一只毛筆。

師：下面請一名書法家同學(xué)來用濃硫酸在紙上寫一個字。

生：（氣氛熱烈）相互推薦，推薦出J同學(xué)。（J同學(xué)上來書寫了一個“化”字，如圖2所示）

師：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了什么？濃硫酸寫出的“化”字發(fā)生脫水炭化，濃硫酸的脫水性是指將有機物中的氫氧元素按照水的組成脫下來。

生：有學(xué)生說，老師，棉花種子脫絨處理就是利用了濃硫酸的脫水性，得到學(xué)生一致回應(yīng)。

師：對，棉花種子脫絨就是利用了濃硫酸的脫水性，將包裹在棉籽表面的短絨脫水炭化，還有一些表皮堅硬厚實的種子也常用這一方法處理，如牡丹花、皂角等的種子。濃硫酸的腐蝕性這么強，如果我們做實驗時，皮膚不慎沾上了濃硫酸怎么辦？

生：討論得出，如皮膚不慎沾上時，應(yīng)立即用大量水沖洗（勿用手磨擦），然后在患處涂上3%-5%的小蘇打。

師：濃硫酸還具有吸水性，同學(xué)們知道這一性質(zhì)對應(yīng)的用途嗎？

生：干燥，除去氣體中混合的水蒸氣。

師：對，濃硫酸常被用作氣體的干燥劑，如何能觀察到濃硫酸吸水的現(xiàn)象呢？

生：（疑惑、熱烈討論）干燥二氧化碳、二氧化硫。

師：（追問）現(xiàn)象呢？

生：可以用干燥氯氣的實驗，干燥的氯氣不能使干燥的紅紙條褪色，而使?jié)駶櫟募t紙條褪色。

師：這是一個間接觀察的現(xiàn)象，利用紅紙條的干濕情況進(jìn)行氯氣是否含水的判斷。下面我設(shè)計了一個可以直接觀察的實驗。

介紹實驗裝置：倒置燒瓶內(nèi)是氨氣，另一燒瓶中是5mL濃硫酸，針筒中是10mL濃鹽酸。請同學(xué)x上來把濃鹽酸推入燒瓶中，請同學(xué)們認(rèn)真觀察并思考。

生：（不少同學(xué)都站了起來，相當(dāng)期待）現(xiàn)象：倒置燒瓶內(nèi)產(chǎn)生大量白煙，乳膠管變扁（如圖3）。

師：為什么產(chǎn)生白煙？

生：氯化氫和氨氣生成氯化銨固體（NH3+HCI=NH4C1），壓強減小，乳膠管變扁;氯化氫的產(chǎn)生除了濃鹽酸有揮發(fā)性之外，也可能是由于濃硫酸吸收了濃鹽酸中的水。

師：吸水性和脫水性有什么本質(zhì)的區(qū)別？

生：討論得出，吸水是吸收的游離態(tài)的水，而脫水是將有機物中的氫氧元素按照水的組成脫下來。

師：總結(jié)得很好，但注意化合物結(jié)晶水中的水也屬于游離態(tài)的水。

師：我們研究了濃硫酸的脫水性和吸水性，接下來我們再來看一下課本“黑面包”實驗，對此實驗，我也做了一些改造：大試管內(nèi)放2k.5g蔗糖，加約lmL水，振蕩糊化;再向其中加入3～4mL濃硫酸，迅速套上氣球后振蕩，并請同學(xué)們觸摸試管，觀察現(xiàn)象（圖4）。

生：蔗糖變黑，黑色物質(zhì)膨脹并沿試管向上延伸，干癟的氣球迅速鼓起來，觸摸試管，試管壁變熱。

師：給出蔗糖分子式（c12H22O11），蔗糖為何變黑？黑色物質(zhì)為何能夠膨脹？氣球為何能夠鼓起來？

生：黑色物質(zhì)是炭，由蔗糖脫水炭化而來;黑色物質(zhì)膨脹以及氣球鼓起來，是因為產(chǎn)生了氣體。

師：那么氣體的成份是什么呢？我們應(yīng)該如何分析？

師：對比兩位同學(xué)的方程式，發(fā)現(xiàn)其中一個有加熱符號，另外一個同學(xué)沒有，哪一個是正確的呢？為什么？

生：（觸摸試管的同學(xué)發(fā)言）剛才試管很燙，說明有大量熱放出，我認(rèn)為濃硫酸吸水放熱，產(chǎn)生的熱量使炭和濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，所以應(yīng)該有加熱符號。

師：蔗糖和濃硫酸反應(yīng)中，濃硫酸扮演了三個角色，首先是吸水性（一開始加入的1mL水），放熱，然后脫水炭化，繼續(xù)吸收脫出的水分，并放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量累積，溫度升高，炭和濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，炭空隙增大膨脹。本實驗體現(xiàn)了濃硫酸的三大特性：吸水性、脫水性和氧化性。

師：濃硫酸具有氧化性，可以和絕大多數(shù)非金屬在加熱條件下發(fā)生反應(yīng)，如炭、硫、磷等;那么濃硫酸是否可以和金屬銅發(fā)生反應(yīng)呢？下面我們繼續(xù)進(jìn)行實驗（圖6），請同學(xué)們仔細(xì)觀察現(xiàn)象并思考。

生：（通過實驗觀察）不加熱條件下，濃硫酸和銅絲不反應(yīng)，加熱條件下銅絲和濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，溶液變成黑色，有灰白色固體生成，生成的氣體推動針筒活塞向外移動，抽動銅絲，使反應(yīng)停止。將針筒中的氣體注入盛有品紅溶液的試管中，觀察到品紅褪色。

師：我們將褪色后的品紅在戴著針筒的條件下加熱、冷卻觀察到復(fù)色再褪色;我們再把試管中含有灰白色固體物質(zhì)的黑色溶液，緩緩倒入盛有少量水的小燒杯中，又觀察到什么現(xiàn)象？

生：小燒杯中溶液變藍(lán)。

生：相同是濃硫酸均做氧化劑，硫元素化合價都由+6降低為+4價。不同之處是和炭反應(yīng)濃硫酸只做氧化劑，而和銅的反應(yīng)，濃硫酸部分被氧化，既做氧化劑，又起到了酸陛的作用。

師：由以上討論我們可以得出濃硫酸的強氧化性，可以和絕大多數(shù)金屬（除去Au、Pt）發(fā)生氧化還原反應(yīng)，金屬一般被氧化為高價態(tài)，硫元素被還原為+4價的SO2。

師：最后同學(xué)們再把濃硫酸的性質(zhì)做一個小結(jié)。

生：（討論交流）①濃硫酸的物理性質(zhì);②濃硫酸三大特性：吸水性、脫水性、氧化性;③氧化性：濃硫酸和非金屬、金屬反應(yīng)的實質(zhì)是+6價的硫元素起到了氧化性的作用。

師：（補充小結(jié)）濃度不同、性質(zhì)不同的原因是硫酸存在的粒子不同，稀硫酸的粒子是H⁺和SO4^2-;濃硫酸中主要是H2SO4分子，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。這個是事物變化的內(nèi)因，是主因;而加熱等條件是外因，是促進(jìn)作用，比如即使加熱Au、Pt也不會和濃硫酸發(fā)生反應(yīng)，而濃硫酸可以和鋁鐵發(fā)生鈍化，在其表面生成致密氧化膜而阻礙進(jìn)一步反應(yīng)，所以濃硫酸可以用鐵罐車來運輸、貯存。

二、反思

1.設(shè)計意圖

化學(xué)科學(xué)發(fā)展的歷史，幾乎就是一部化學(xué)實驗發(fā)展的歷史，化學(xué)實驗是化學(xué)科學(xué)賴以產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中化學(xué)實驗占據(jù)著重要的地位，認(rèn)識化學(xué)實驗是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑，同時化學(xué)實驗也是為化學(xué)教學(xué)目的服務(wù)的。

本節(jié)課對濃硫酸的三大特性都進(jìn)行了實驗，進(jìn)行證據(jù)的尋找。脫水性實驗學(xué)生書寫“化”字的參與，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情;吸水性的實驗多見吸收硫酸銅晶體中的結(jié)晶水——藍(lán)色變白，或者蘋果失水萎縮等實驗。實驗現(xiàn)象不夠明顯，且針對性也不夠好。本實驗采用濃硫酸吸水制取氯化氫的方案，并且用氨氣吸收產(chǎn)生的氯化氫生成白煙的現(xiàn)象，該實驗現(xiàn)象明顯，針對性強，學(xué)生能夠強烈地感受到濃硫酸的強吸水性。“黑面包”改進(jìn)實驗中缺失了聞到刺激的二氧化硫味道，環(huán)保的同時增加了思考的深度，學(xué)生依據(jù)原子守恒的微粒觀和氧化還原反應(yīng)原理對產(chǎn)物CO的判斷超出了課前的預(yù)設(shè)，對產(chǎn)物判定的檢驗實驗設(shè)計體現(xiàn)了學(xué)生活學(xué)活用的能力。銅絲和濃硫酸反應(yīng)針筒收集驗證SO2操作簡潔，褪色后的品紅在帶著針筒的條件下還可以加熱、冷卻的復(fù)色再褪色的演示。

2.學(xué)生問題的延伸

課堂上和課下有一些同學(xué)提出了一些問題，這些問題我把它看做是學(xué)習(xí)與教學(xué)的延續(xù)。①濃硫酸的吸水是什么原理？②濃硫酸中+6價的硫和硫酸根離子中+6價的硫氧化性差距為什么這么大？③銅絲和濃硫酸反應(yīng)溶液為什么會變黑？④課本中硫酸的用途有：制造化肥、醫(yī)藥、炸藥、農(nóng)藥，其中硫酸體現(xiàn)了什么性質(zhì)？很顯然，這些問題有些已經(jīng)超出了高中課本知識內(nèi)容的范疇，解決途徑不能是說以后再來，我采取為同學(xué)提供查閱資料的方法來解決，請同學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)，查閱百科、知網(wǎng)以及書籍等手段。查到的同學(xué)進(jìn)行整理，甚至可以由興趣小組形成實驗方案進(jìn)行實驗探究，最后形成化學(xué)小資料的形式進(jìn)行展示，激發(fā)了學(xué)生主動探索的興趣，達(dá)到了學(xué)習(xí)與思考的進(jìn)一步延伸。