基于實際問題解決的實驗方案設計的教學實踐

卞海燕

普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）指出要充分認識化學實驗的獨特價值，引導學生綜合運用所學的化學知識和技能，進行實驗設計和實驗操作，分析和解決與化學有關的實際問題。

1教學主題內容與學情分析

高三化學復習實驗方案設計部分，化學知識上涉及物質的轉化、反應條件的控制、反應物的加料順序、物質的分離提純、離子檢驗等等內容，包括很多化學反應、實驗設計以及實驗操作。考察方式往往是真實情境下的不同復雜和陌生程度的問題解決，學生需要先從物質轉化的角度總體上設計路線，再靈活選用合適具體的實驗操作用文字輸出。

學生在復習過程中主要存在的問題有：（1）對知識的理解不到位，如對于結晶的認識停留在氯化鈉是蒸發結晶，氯化鉀是降溫結晶，沒有提升到對結晶的本質理解層面。（2）缺乏分析解決問題的一般思路，在實驗設計中不能準確的給出合理的實驗路線。（3）傳統的教學過程，學生在學習過程中往往被動，參與性不強。

基于以上問題，通過課堂教學如何調動學生課堂的積極主動性，提升學生對相關知識的理解，使實驗設計中瑣碎知識結構化，同時形成物質制備的一般思維模型，是亟待解決的問題。

2知識的教學價值

廢鐵制品是學生生活中非常熟悉的物品，有資料顯示我們國家鋼鐵制品報廢和浪費每年4億噸左右，而硫酸亞鐵銨用途非常廣泛。如何以廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨，這是一個真實而富有意義的問題，引導學生討論以廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨的具體實驗設計為例，可以解決相關知識的碎片化問題，促使學生的知識功能化、思維路徑化，感受真實而又有用的化學。

3 教學目標

進一步認識、鞏固過濾、結晶、洗滌等基本實驗操作和規范。

通過具體綜合性問題的分析，認識物質制備的基本流程并學習構建基本的思維模型。

通過廢鐵屑的再利用以及定量測定產品的純度等活動，發展科學態度和社會責任。

4教學流程

5教學過程

5.1實際問題的確立——如何從廢鐵屑制備得到純凈干燥的硫酸亞鐵銨

引入真實情境：機械廠在加工機械時會產生大量鐵屑，這些廢料大多數廠家都把它們當做廢品處理掉。硫酸亞鐵銨用途十分廣泛，可用做凈化劑、媒染劑，醫藥中用于治療缺鐵性貧血，更是制備其他鐵化合物的原料。如何用這些廢鐵屑或者其他廢棄的鐵制品生產化工原料或化學試劑，真正做到變廢為寶，提高資源的利用率，是我們化學人需要研究的問題。

問題1：結合已有物質轉化的相關知識，思考如何從鐵轉化為硫酸亞鐵銨，寫出相關物質轉化流程或方程式？

學生：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑;FeSO4+（NH4）2SO4=（NH4）2Fe（SO4）2

問題2：工業上使用的廢鐵屑中常含有少量油污、S、P等其他不溶性雜質。若以此制備純凈干燥的硫酸亞鐵銨，請設計合理的生產方案并簡要畫出實驗流程圖。（試劑自選）

信息1：S、P在與稀硫酸反應時會生成有毒氣體H2S、PH3等

信息2：硫酸亞鐵銨是淺藍色晶體，100～110℃分解，溶于水不溶于乙醇，常溫下穩定。

活動1：學生獨立完成實驗流程圖。

信息3：

學生獨立完成生產方案，畫出流程圖。

學生小組討論，完善方案。

展示學生典型方案，教師把每個步驟標上序號①②③④：

廢鐵屑→鐵屑→硫酸亞鐵→硫酸亞鐵銨

5.2分解問題1——從廢鐵屑到硫酸亞鐵

教師問：請大家從原料、操作兩個角度在這基礎上提出你的改進意見，并說出依據，先看第①②個環節。

學生1：廢鐵屑需要用碳酸鈉洗去表面的油污，碳酸鈉水解呈堿性。

學生2：用熱的飽和碳酸鈉溶液，加熱條件下促進碳酸鈉的水解，提高去油污的速率。

學生3：硫酸是不是需要確定濃度？濃度太大鐵會鈍化，濃度太低，反應速率太低。

學生4：可以適當加熱，也能提高廢鐵屑的溶解速率。

教師提供資料卡：硫酸的濃度約為3.3mol/L，一般溫度控制在80℃進行。

學生5：攪拌可以增大鐵屑和稀硫酸的接觸面積，提高鐵屑的溶解速率。

學生6：硫酸應該加過量。

學生7：硫酸分批加到沒有氣泡為止。

教師小結：廢鐵屑要用熱的碳酸鈉溶液浸泡除去表面的油污，傾倒掉浸泡液。再分批加入3.3mol/L的硫酸溶液，小心加熱到80℃，不斷攪拌至沒有氣泡產生，停止加硫酸。

第③個環節，我們先請同學說出你的想法，為什么通入NaOH溶液中，然后其他同學說說你的想法，同時說出你的依據。

學生8：把產生的H2S、PH3氣體通入NaOH溶液，是利用了非金屬氣態氫化物可以和堿反應生成鹽。

學生9：我覺得也把溶解過程中產生的H2S、PH3氣體通入高錳酸鉀里，利用氣體的還原性，可以用高錳酸鉀氧化，這樣生成硫、磷的鹽

教師小結：兩種方法都可以，一個是利用的非金屬氣態氫化物的同性，一個是利用了-2價硫、-3價磷的還原性。

教師提供資料卡2：為防止環境污染，將酸溶生成的氣體用CuSO4溶液吸收，其中PH3被CuSO4氧化為H3PO4，同時又紫色固體生成。H2S和CuSO4生成硫酸以及CuS沉淀。

5.3分解問題2——從硫酸亞鐵到純凈干燥的硫酸亞鐵銨

教師：第④步有沒有需要改進的？

學生10：加多少硫酸銨呢？

學生11：適量

學生12：怎么判斷適量呢？

學生13：不知道

教師提供資料卡：在500ml燒杯中加入26.4g硫酸銨和240ml水，攪拌下溶解后加入硫酸亞鐵55.6克。

教師：加入計算量的硫酸銨固體。這樣得到的產品有沒有滿足題設的要求？

學生14：這樣得到的只是硫酸亞鐵銨的溶液，要得到純凈干燥的硫酸亞鐵銨，還需要蒸發濃縮，降溫結晶，過濾、洗滌、干燥？

學生15：要用蒸發結晶，不能用降溫結晶。因為硫酸亞鐵銨的溶解度和另外兩個物質相比較小，且變化不大。

學生16：根據硫酸亞鐵銨的信息，硫酸亞鐵銨是淺藍色晶體，100～110℃分解，溶于水不溶于乙醇，應該用乙醇洗滌，100℃以下干燥。

5.4分解問題3——硫酸亞鐵銨純度的檢驗

教師提供資料卡3：將硫酸亞鐵銨溶液小心緩慢加熱煮沸，溶液逐漸經黃褐色轉變淡藍色，繼續蒸發溶液，當燒杯壁上有晶體析出時停止加熱，室溫過夜濾出晶體，濾液再濃縮、結晶，合并兩次過濾的晶體，在空氣中干燥，得到淡藍綠色晶體。

教師：這樣制備得到的硫酸亞鐵銨的純度有沒有達到要求，我們可以利用比色管（一種通過目測溶液顏色深淺測量溶液濃度的儀器）。已知純度為Ⅲ級硫酸亞鐵銨晶體的標準是：每1.0g硫酸亞鐵銨晶體配制成25mL溶液后，Fe3+含量不超過0.2mg。

請寫出判斷制得的硫酸亞鐵銨晶體樣品是否達到Ⅲ級標準的實驗方案？[實驗中須使用的試劑有：Fe3+濃度0.2mg·（25mL）-1的溶液、1mol·L-1H2SO4溶液、1mol·L-1KSCN溶液、蒸餾水] 。

學生覺得有困難，討論后回答.。

學生17：取1.0g硫酸亞鐵銨晶體中加入幾滴1mol·L-1H2SO4溶液，加入蒸餾水配成25ml的溶液，裝入比色管中，再滴入幾滴1mol·L-1KSCN溶液，蓋上蓋子。再將Fe3+濃度0.2mg·（25mL）-1的溶液裝入比色管中，滴入等量1mol·L-1KSCN溶液，蓋上蓋子。將兩只比色管對比顏色。

5.5構建無機物制備的思維模型

教師：從廢鐵屑到產品硫酸亞鐵銨，經歷幾個環節？

學生18：原料到產品，需要經歷預處理，除雜，制備，分離提純，檢驗幾個關鍵步驟。

教師：構建從原料到產品的思維模型，結合你已有知識，注明每一步步驟中有哪些處理方式？

學生小組討論后匯報。

學生19：投影

（1）實驗方案設計基本流程：原料→核心反應→產品→檢驗

（2）核心反應中包括：反應條件的控制、反應物的加料順序、試劑的選擇、尾氣的處理

（3）產品的分離提純中包括：過濾、洗滌、干燥

（4）產品的檢驗中包括：離子檢驗、濃度測定、純度分析

6 結語

在高三化學復習過程中，選擇合適的問題情境，引導學生在沉浸在實際問題的解決中，促進了學生學習方式的轉變，使知識和認識思路結構化，有利于提升學生的化學學科能力。

溧陽市光華高級中學 213300