模擬海洋酸化對鈣基生物影響的實驗室活動設計

吳文萱 丁偉

摘要：以社會科學議題——海洋酸化為真實情景，設計了在實驗室中用二氧化碳氣體吹掃模擬海水，以模擬酸化的海洋環境，對處理后的溶液進行滴定分析以探究酸化海水環境對貝殼、珊瑚等鈣基生物的影響。該項目讓學生在學習化學

“酸堿滴定”主題內容的同時拓展STEAM教育、可持續發展思想及責任意識。

關鍵詞：社會科學議題;STEAM教育;酸堿滴定;項目式學習

文章編號：1008-0546（2022）08-0085-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.018

《普通高中化學課程標準（2017版）》在化學課程的基本理念中提出要重視開展“素養為本”的教學，“倡導真實問題情境的創設，開設以化學實驗為主的多種探究活動”。基于人教版高中化學選修《化學反應原理》的第三章“鹽酸滴定氫氧化鈉溶液”這一實驗活動，本文拓展該實驗為以海洋酸化的社會議題為實驗室活動的真實情境，用二氧化碳氣體吹掃模擬海水來模擬酸化的海洋環境。通過學習酸堿滴定并應用該方法滴定分析處理所模擬的海洋環境的變化，應用??? STEAM多學科知識來探究酸化的海水環境對貝殼、珊瑚等鈣基生物的影響。

一、實驗活動的教學目標

1.嵌入社會科學議題

社會性科學議題（Socio- scientific Issues，簡稱 SSIs）指與科技相關的社會問題，具有集社會性、科學性、開放性與倫理性于一體的特征。諸如溫室效應、海洋酸化等系列問題，都是復雜、開放且充滿爭議的問題，廣泛涉及氣候變化、核能、污染、自然資源管理等多個學科領域，往往有多種合理的解決方案[1]，且需要多學科知識、技能、科學思維與實踐能力。

社會科學議題與人類生存環境息息相關，借此真實情境建立學生與學習材料之間的相關聯系，提高學生的學習積極性和自我效能感[2]。基于社會科學議題的教學不僅幫助學生建立并加強生活與科學概念的聯系，也促使學生對開放式問題進行討論和批判性思考，提高他們在化學學科及批判性思維方面的技能。

2.探究可持續發展問題

教育是促進可持續發展和提高人們解決環境與發展問題能力的關鍵。社會科學議題往往都是結構不良、無固定答案的問題，存在多種合理的解決方案，涉及個人態度與價值取向。通過參與有關化學問題的實驗室活動或社會實踐活動，培養學生節約資源、保護環境的綠色化學觀及可持續發展意識，學習在可持續的未來進行積極社會變革所需的價值觀、行為和生活方式。

無論是溫室效應還是其導致的海洋酸化等自然環境問題，往往很難在高中課堂上使學生切身體會其影響。但通過實驗，學生動手設計實驗步驟，搭建反應裝置，體驗實驗室環境中科學、技術、工程、藝術的完美結合，學習應用酸堿平衡及中和滴定的知識與技能，運用數學知識和方法計算得出溶液中離子濃度的變化，并分析化學反應平衡常數與溶液環境的關系;將化學作為科學的一個重要組成部分，幫助學生從整體認知科學學科內容，深入化學學科思維角度分析，解釋“為什么？”，將純粹的學科理論知識與現實社會議題和環境問題緊密聯系起來，有意識地反思并擔當起社會責任。

3.融合STEAM 的酸堿中和滴定

STEAM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）多學科交叉融合的一體化教育形態，強調學科知識間的相互滲透，旨在培養學生合作探究、問題解決、批判性思維等綜合能力[3]。

以單一學科視野開展的酸堿滴定實驗活動，雖然體現了化學知識的學科純粹性，但若要完整解決現實問題，則需要彌合不同學科領域間的知識罅隙。由此形成的基于實驗室任務的教學方案可將重心放在以化學學科的相關內容主題，并卷入自然科學、技術、工程、藝術和數學等學科的相關知識、理論和方法，消融學科界限，實現不同學科思維和學科素養的滲透和貫通。

本研究的實驗活動旨在發展學生的STEAM 多學科整合能力。

（1）掌握化學知識

人類活動所排放的二氧化碳已引起全球變暖、海洋酸化等諸多問題，這已然成為科學界的共識。當大量二氧化碳被海水吸收時，引起海水pH 的變化，進而影響到海洋生物群的生存。Ken Caldeira等人探究大氣中二氧化碳對海洋的影響，預測2300年時海洋表面的pH最大降幅可至0.77[4]。還有相關研究表明21世紀人類活動影響下海洋酸化造成海水中碳酸根離子濃度降低時會引發貝殼等鈣基生物的點蝕及部分溶解[5]。

海洋是地球上主要的碳匯，吸收了大約三分之一的人為二氧化碳排放。

二氧化碳溶于水后反應生成碳酸：

CO2（g）+ H2O（l）?? H2CO3（aq）???? （1）

碳酸在水中電離形成碳酸氫根，碳酸氫根進一步分解成碳酸根，電離出的氫離子會增加溶液酸度：

H2CO3（aq）?? H+（aq）+ HCO3（-）（aq）??? （2）

HCO3（-）（aq）?? H+（aq）+ CO3（2）-（aq）??? （3）

自前工業時代以來大氣中二氧化碳含量不斷上升，海洋的平均pH下降了0.1個單位，從8.2下降到了8.1。根據 pH 尺度的對數性質，海洋的酸度增加了26%[6]。

海洋酸化造成了若干生態和社會風險，海洋酸度的增加威脅著鈣基生物的生存，如珊瑚和其他依賴碳酸鈣制成保護殼的物種，碳酸鈣在水中有微量的溶解度：

CaCO3（s）?? Ca2+（aq）+ CO3（2）-（aq）??? （4）

根據勒夏特列原理，隨著海水中氫離子濃度的增加，碳酸氫根解離的化學反應平衡向左移動產生碳酸氫鹽，消耗碳酸鹽，碳酸鹽濃度的降低使化學反應方程式（4）的平衡向右移動，導致碳酸鈣溶解。典型海水pH下物質間反應可歸納為化學反應方程式（5）：

CaCO3（s）+ H+（aq）?? Ca2+（aq）+ HCO3（-）（aq）（5）

要量化海洋酸化對鈣基生物（貝殼、珊瑚等）造成的影響，則需要對酸化后海水內碳酸根、碳酸氫根及鈣離子的濃度進行測量。

（2）學會技術操作

海洋的酸化對生物的自然侵蝕過程較為緩慢，肉眼難以觀察。通過實驗室環境模擬來改變溶液濃度、反應溫度等，則能更快、更清晰地呈現變化;應用酸式滴定管和堿式滴定管等儀器，使用酚酞等酸堿指示劑，進行酸堿中和滴定分析，測量待測液中氫離子濃度;使用鈣—羧酸指示劑，結合滴定分析方法，滴定測量鈣離子的濃度，以衡量鈣質生物的溶解程度，將不易觀察的定性變化轉變為直觀可見的量化指標。

（3）應用數學計算

酸堿中和滴定終點穩定，一般使用酚酞或石蕊指示滴定終點。但碳酸作為二元弱酸，其不完全電離分為兩步，對應不同的滴定終點，應選擇不同的指示劑。這就要求學生根據不同指示劑與檢測離子的結合方式，通過化學計量比進行數學計算，對比海洋酸化對溶液中離子濃度的影響。

（4）設計實驗流程

在本實驗活動中學生掌握實驗工程和造物技術，需要搭建能夠有效工作的實驗裝置（見圖1），用二氧化碳對模擬海水進行吹掃，并對廢氣進行綠色化吸收處理。在掌握滴定原理的基礎上進行滴定實驗操作，對滴定結果進行分析。

（5）追求完美工藝

融合藝術的科學力量是創造力的真正源泉。在進行科學教育與實驗的同時，強調實驗裝置的對稱和諧并符合工程學要求和標準，以完美達成實驗的目的。從實驗裝置搭建的美觀性，到珊瑚、貝殼的選取，以及滴定結果的呈現，在確保實驗操作科學性的基礎上，需要追求實驗整體的美學效果或觀賞效果。使學生能感受到科學自然之美，培養對科學研究的美好認知。

二、實驗設計

1.實驗方案

本實驗活動設計了3個實驗任務，可安排在學生學習完“酸堿滴定”內容后進行。在實驗任務啟動前，進行海洋酸化的相關介紹;在執行任務時，對相關的平衡反應和實驗設計進行討論。實驗任務1是樣品制備;實驗任務2是樣品處理，并進行pH測量和碳酸氫鹽的滴定;實驗任務3是 Ca2+的滴定及樣品質量測定。為了使實驗快速完成并減少對設備的需求，可以讓學生兩兩分組進行合作實驗。

（1）實驗任務1：樣品制備

依據Lyman 與Fleming 的配方配制足量的模擬海水（見表1）[7]。取三個圓底燒瓶，分別設為空白對照組、對照組及實驗組。

空白對照組：不作處理，密封保存在避光處一周。

對照組：加入3～5 g 貝殼及5～6 g 珊瑚，密封保存在避光處一周。

實驗組：加入3～5 g 貝殼及5～6 g 珊瑚，持續向燒瓶內通入二氧化碳氣體20分鐘，使溶液飽和，并使二氧化碳充滿瓶內剩余空間。

通入二氧化碳使溶液飽和的目的不是為了模擬環境條件，而是為了在短時間內產生更實質性的化學變化，這樣可以在縮短的實驗時間內量化海洋酸化對鈣基生物的影響。

（2）實驗任務2：pH測量和碳酸氫鹽滴定

在樣品反應一周后，用布氏漏斗進行抽濾，將貝殼、珊瑚樣本與模擬海水樣本分離開，用去離子水沖洗貝殼、珊瑚樣本，充分洗去附著的鹽溶液，在50℃的烘箱中進行干燥。

用 pH 計測量各個對照組與實驗組的海水溶液pH，配制0.002 mol/L鹽酸溶液，分別以酚酞、甲基紅為指示劑，對溶液中的碳酸鹽、碳酸氫鹽進行滴定。

以酚酞為指示劑對碳酸根離子進行滴定，使用0.002 mol/L 鹽酸滴定至溶液由紅色變為無色;再以甲基紅為指示劑對碳酸氫根離子進行滴定，使用0.002 mol/L鹽酸滴定至溶液由淺黃色變為橙紅色。

（3）實驗任務3：固體樣品質量測量及Ca2+的滴定

處理后靜置一周的各對照組與實驗組溶液澄清，未見渾濁，對干燥完的固體樣品進行質量測定，與反應前進行對比，比較二氧化碳處理后的模擬海水中的珊瑚、貝殼質量與對照組的差別。

配制0.01 mol/L EDTA 溶液，以鈣—羧酸指示劑為滴定指示劑，對對照組與實驗組的模擬海水中 Ca2+濃度進行滴定并對結果進行比較。

以鈣—羧酸指示劑對鈣離子進行滴定，使用0.01 mol/L EDTA溶液滴定至溶液由紅色變為淺藍色。

2.數據分析

（1）模擬海洋酸化影響下溶液pH 的變化

實驗任務結束后，分別計算空白對照組、控制組和實驗組在試驗前后的pH變化（見表2），根據滴定結果計算溶液中CO HCO 及Ca3（-）2+離子濃度（見表3），最后計算貝殼與珊瑚反應前后的質量變化（見表4），并對實驗結果進行分析。

表2反映了相比于空白對照組與未通入二氧化碳的兩個燒瓶，持續通入20分鐘二氧化碳的燒瓶中的 pH有明顯下降。這說明在此實驗中，二氧化碳是使模擬海水酸化的主要原因。

（2）模擬海洋酸化影響下溶液中離子濃度的變化

表3呈現了碳酸氫根與鈣離子進行滴定的結果。在實驗中，先以酚酞為指示劑，燒瓶內均無明顯變色，證明所有燒瓶內碳酸根離子濃度均低于檢測下限;后以甲基紅為指示劑對碳酸氫根進行檢測，結果顯示，實驗組的碳酸氫根濃度是空白對照組及對照組的近7倍，一種可能是由于二氧化碳溶于水形成的碳酸電離形成，另一種可能是因為鈣基生物中的碳酸根離子溶解后與氫離子結合形成。最后，以羧酸—鈣指示劑對三種溶液中的鈣離子進行檢驗，結果顯示，實驗組的鈣離子是空白對照組及控制組的兩倍，說明鈣基生物——珊瑚和貝殼在酸化的海水中發生了溶解。

（3）模擬海洋酸化影響下固體樣本的質量變化

表4列出了試驗前后貝殼、珊瑚樣本的質量變化，在對照組中，珊瑚質量幾乎沒有減少，而貝殼質量也僅減少了0.5%;在實驗組中，珊瑚的質量減少了1.5%，貝殼質量減少了2.58%，證明二氧化碳使模擬海水酸化后，對貝殼和珊瑚樣本確實產生了顯著影響。

3.實驗結論

（1）持續通入20分鐘二氧化碳的燒瓶中模擬海水 pH有明顯下降，說明二氧化碳是使模擬海水酸化的主要原因。

（2）固體質量的減少及溶液中鈣離子濃度的升高證明鈣基生物——珊瑚和貝殼在酸化的海水中發生了顯著溶解。

三、基于實驗活動的教學設計

海洋酸化作為一個具有全球生態和經濟意義的課題，在教學中可以將此實驗嵌入問題導向的項目式學習中，圍繞“溫室氣體如何影響海洋環境？”以及“海洋環境的改變對在其中生活的生物產生了怎樣的影響？”這兩個問題展開。項目式學習（Project-Based Learning）是一種以學生為中心的探究式學習，學習者在具體情境中積極參與學習過程，在互動和分享知識概念中實現學習目標。在本實驗設計基礎上構建項目式學習，通過設計實驗過程、進行實驗操作、分析實驗結果等步驟，對溶液平衡及酸堿滴定有更深入的學習了解。

基于海洋酸化大社會科學議題，本項目嵌入數學、化學、生物等多學科內容，要求學生能理解海水溶液系統中各離子的平衡關系，設計實驗，探究溶液中離子濃度變化，用數學方法推算離子濃度，掌握滴定等測量技術和操作，了解化學學科在解決現實問題中所發揮的作用并樹立可持續發展觀念。

在實驗室環境中切實應用化學技術解決現實問題，并從中感受科學之美。在完成實驗的基礎上，指導學生分析與展示實驗結果，并從政府、漁民、科學家等多種角色視角思考，提出解決方案。

四、教學價值

1.社會議題視角下的多學科學習

基于海洋酸化的社會性科學議題學習中，發展了學生的多種科學思維、深度認知和實踐能力，學生的理性思維、對科學本質的理解、創造力、反思性判斷能力和論證能力等得到了顯著提升。

“溫室效應”是高中化學教學中常見問題，但在現實教學環境中很難具象量化表現溫室效應對于人類生活帶來的影響，當探究模擬海洋酸化影響下鈣基生物的實驗時，學生面臨著一系列挑戰：

（1）如何理解多個平衡反應間的相互影響？如何由平衡常數和pKa控制？

模擬海水pH 的下降是由于二氧化碳溶于水后的多級電離，氫離子濃度的增加導致了貝殼和珊瑚中碳酸鈣的溶解反應，因此鈣基生物的質量減少，鈣離子的濃度增加。相比之下，由于鎂離子不是鈣基生物的主要成分，因此其濃度并沒有明顯上升。

（2）如何解釋碳酸鹽和碳酸氫鹽的滴定結果？

雖然珊瑚質量下降以及鈣離子的濃度上升結果表明有部分碳酸鈣溶解在模擬海水樣本中，但碳酸鹽的濃度仍然低于檢測限，這要求學生更加仔細地推敲碳酸根與碳酸氫根之間的平衡關系，從pKa的角度推斷溶液pH小于8的體系中碳酸氫根與碳酸根離子濃度的區別。海洋酸化的社會議題通過學生開展實驗室中的實驗任務探究得以一定意義上的解決。結合學生作品展示或作業展示，解讀實驗結果，評估海洋酸化造成的更廣泛的社會影響。學會像科學家一樣在解決這類問題時采用多方面策略，并討論解決這一社會問題需要哪些政府、機構及領域專家的工作。

這一系列活動和技能所帶來的挑戰，有助于學生更好地將多學科知識和技能融會貫通，結合多背景知識參與解決復雜現實問題。

2.可持續發展理念下的實驗室活動探究

社會性科學議題作為真實實驗室活動情境，有助于學生深度學習與概念理解，萌發社會參與和責任意識。同時，通過多方對話、辯論與論證等協商交流過程，可鍛煉學生科學論證、科學推理和道德推理等能力，有助于學生科學思維與實踐能力、科學情感態度價值觀與倫理道德品質等的發展，以及在認識科學世界的基礎上思考如何改造自然與社會，培養未來社會公民應盡責任感。

3.STEAM領域下的系統思維

STEAM多學科學習連結了不同學科知識的碎片，統整了科學、技術、工程、藝術和數學思想及其方法的疏理，不僅能夠精熟化學學科概念架構和思維特征，還能熟識其他學科知識體系及方法，在實驗室任務活動中拓寬多學科視野，塑造養成學生的高階思維和整合性的科學素養。

參考文獻

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