初中化學“證據推理實驗”教學例談

丘蔚琴（福建省長汀縣第三中學）

NaOH、CO2、Na2CO3是初中階段最重要的堿、非金屬氧化物和鹽，它們的學習對構建起元素化合物知識的整體框架起支架作用，為了引導學生進行深度學習，可采用綜合探究的方式進行課標中的“物質化學變化”主題的學習，幫助學生將零散的知識構建為相互聯系的知識網絡，使物質變化觀建構更加清晰。

一、證據推理實驗探究的教學目標

通過一定實驗條件達成對產物的分析及物質的檢驗。

通過創新性實驗的設計，師生進行實驗探究，在實驗探究中培育學生證據推理的學科素養，達成多維度證實CO2與NaOH的反應。

通過創新性實驗，幫助學生體驗尊重事實和科學嚴謹的實驗態度。

二、證據推理實驗探究的教學過程

（一）實驗原理

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

無明顯現象的化學反應顯形的一般方法：

1.驗證反應物的減少或消失：酚酞在濃的氫氧化鈉溶液中會褪成無色，當無色的滴有酚酞的氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應后溶液變紅可證明氫氧化鈉的濃度變化，說明氫氧化鈉被消耗。

2.驗證生成物即對特殊離子的檢驗：生成物是碳酸鈉，驗證碳酸鈉的本質就是對碳酸根離子的檢驗，加入稀鹽生成氣體，從而使生成物顯形。

3.有氣體參與的反應可驗證密閉容器壓強的變化：裝置中兩個氣球的變化，甚至注射器活塞的移動都能直觀體現壓強的變化，但由于CO2能與溶于水并與水反應的特殊性，所以CO2與NaOH的反應不能通過簡單的壓強變化來驗證，需要增加對比實驗。

（二）實驗準備

用注射器抽取20mL滴有酚酞的5%的氫氧化鈉無色溶液，插入橡膠塞里，塞緊橡膠塞。將二氧化碳的發生裝置連接尖嘴玻璃管，收集二氧化碳，直到抽濾瓶細頸處的氣球膨脹大約100mL（提前用100mL水測量氣球膨脹的大小），將止水夾夾住，撤掉二氧化碳發生裝置。

（三）實驗過程

1.將注射器中20mL滴有酚酞的5%氫氧化鈉溶液（無色）注入抽濾瓶、震蕩，充分反應。抽濾瓶細頸處的氣球變癟、溶液變紅。

針對現象思考問題：①氣球變癟能否證明NaOH與CO2發生了反應？②酚酞為何顯色變紅了？

問題②中酚酞的異常變色與學生的認知不相符，所以需要引導學生通過查閱資料來獲取相關信息。酚酞試液的顯色與溶液的pH有關，在濃的NaOH溶液中酚酞會褪色；而實驗中酚酞由無色變紅色則說明，溶液的pH減小，溶質一定發生了變化，通過驗證反應物的減少使該無明顯現象的化學反應得到顯形。

2.將抽濾瓶倒置，將尖嘴玻璃管連接的導管伸入1:7濃度的稀鹽酸中，打開止水夾，稀鹽酸倒吸形成噴泉；振蕩，有氣泡產生、細頸處氣球再次鼓起、溶液變成無色。

針對現象思考問題：①噴泉產生的原因？②氣泡產生及溶液變為無色的原因？從宏觀現象探尋微觀本質，生成氣體是因為溶液中存在CO32-，學生可以歸納出：通過驗證生成物，即CO32-的存在，可使無明顯現象的化學反應得到顯形。學生書寫兩步操作涉及的化學方程式：2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O；Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

這個環節意在滲透“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維模式來幫助學生理解變化的本質。

3.學生設計實驗使抽濾瓶內的氣球膨脹，生生、師生評價原理是否正確、操作是否簡單、現象是否明顯、過程是否安全、環保。

實驗操作：將空注射器快速取下，手指堵住針頭保證裝置密閉，將另一盛裝15mL10%氫氧化鈉溶液的注射器快速安裝好；逐滴將NaOH溶液加入抽濾瓶。溶液出現紅色又馬上變無色，最終變為紅色；細頸處氣球變癟；成分反應后打開與抽濾瓶內氣球相連的止水夾，抽濾瓶內的氣球鼓起。

引發學生深度思考：為何選擇濃度更大的NaOH溶液進行該操作？針對該問題，學生的思維可能會遇到障礙，引導學生重新審視實驗課題“基于現象進行證據推理”，從細微的現象“溶液出現紅色又馬上變無色”思考背后的本質。經過層層剖析最終得出合理的推理：溶液為無色說明此時的溶液并非堿性，即NaOH并未與CO2反應生成Na2CO3，NaOH與溶液中的HCl先反應，所以需要利于濃度來保證氫氧化鈉溶液的溶質是足量的。

反應的化學方程式：NaOH+HCl=NaCl+H2O；2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O。

這一環節培育學生形成關鍵能力，透過現象看本質。學生在實驗探究中能夠積極思考，遷移應用多方面的化學知識解決層層上升的問題，逐步進入深度學習的狀態。

三、實驗效果評價與反思

利用酚酞試液的變色特點，在較濃的氫氧化鈉溶液中褪色，將無色的滴有酚酞的氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應，通過酚酞再次變紅這一系列非常規的現象變化喚起學生的思考，培養學生科學探究的能力，基于現象進行推理，通過酚酞變紅說明氫氧化鈉濃度減小，從而證明氫氧化鈉被消耗的事實。

為了避免減少橡皮塞的打孔選擇了抽濾瓶，實驗裝置一體化且簡約易操作。抽濾瓶細頸處連接的氣球不僅能使整個密閉裝置靈活地收集到更多的定量的二氧化碳，同時也能讓學生非常直觀地感受密閉裝置內氣壓變化過程，通過實驗步驟①學生能從物理和化學的雙重視角感知氫氧化鈉與二氧化碳的反應。

實驗步驟②鹽酸倒吸的噴泉實驗同樣能讓學生從物理和化學雙重視角感知物質的變化過程，壓強的變化以及新物質的生成。這些現象是學生未曾體驗過的，靜態的知識變得鮮活，對于激發學生的復習課興趣作用可見一斑。

歸納出使無明顯現象的化學反應顯形的一般方法：可通過驗證反應物的減少或消失、驗證生成物即對特殊離子的檢驗、有氣體參與的反應可對比驗證密閉容器壓強的變化等。

學生根據物質的性質驗證了反應物的減少、生成物的增加，進而確認了化學反應的發生。

最后拋出的問題引導學生初步從定量的角度認識實驗探究，實驗過程中鹽酸過量，所以在注射器容積固定的情況下只能選擇更高濃度的氫氧化鈉溶液來參與混合體系的反應；并且細頸處氣球再次膨脹的大小與實驗前相比大了一些，可以粗略反映了二氧化碳的守恒。

學生體驗到了認識物質變化的一般方法與思路，也初步體會實驗條件的控制對完成實驗及探究的作用。