石頭紙中碳酸鈣的定性檢測和定量測定

李小靜

摘要：從證據推理的角度，設計“石頭紙中主要成分碳酸鈣的檢測”定性、定量實驗，構建了混合物中主要成分檢測的一般思維模型。

關鍵詞：石頭紙;成分檢測;含量測定

文章編號：1008-0546（2022）06x-0047-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.012

一、問題的提出

《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出：初中學生要“知道科學探究可以通過實驗、觀察等多種手段獲取事實和證據”、要“認識到科學探究既需要觀察和實驗，又需要進行推理和判斷”。將證據推理與實驗探究融合，能增進學生對科學探究的深入理解，培養學生的實證意識。但在實際的實驗教學中，還存在“記住實驗結論重于體驗過程”的現象，尤其在復習階段，學生實驗探究能力的培養似乎都是在做題過程中進行。

生活中的經歷是發現和提出問題的最直接來源，通過對生活中發現的有價值問題的探究，可以在實踐活動中完成知識的建構、能力的培養，形成良好的科學素養[1]。石頭紙是日常生活中比較常見的紙張，其主要成分是碳酸鈣，石頭紙中碳酸鈣的質量分數約為80%。在學生的已有經驗中，碳酸鈣是一種堅硬的固體，它能用來制作柔軟的紙張？如果答案是肯定的，那石頭紙中碳酸鈣的含量又是多少？筆者基于證據推理，圍繞“物質成分的探究”“物質含量的測定”兩個主題，設計了“石頭紙主要成分的檢測”“石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣含量的測定”實驗，旨在解決以下問題：

1.如何從證據推理角度構建混合物中主要成分檢測的思維模型？

2.如何構建混合物中純凈物含量測定的思維模型？

二、石頭紙的主要成分的檢測

石頭紙的主要成分是碳酸鈣，如何檢測？教師引導學生從碳酸根離子和鈣離子兩個角度進行檢測。以下實驗所用的石頭紙是長13 cm、寬7 cm 的便簽紙。

1.碳酸根離子的檢測

（1）初步探究

原理：碳酸根離子能與氫離子結合生成二氧化碳氣體。

藥品：石頭紙1張、10%的稀鹽酸5 mL。

儀器：小燒杯、鑷子、玻璃棒。

實驗操作：將石頭紙撕碎放入小燒杯中，倒入10%的稀鹽酸浸沒石頭紙，用玻璃棒攪拌。

實驗現象：石頭紙表面沒有氣泡產生。

為什么石頭紙浸入稀鹽酸中沒有產生氣泡？猜想1：可能是石頭紙中碳酸鈣的含量太低;猜想2：可能是石頭紙中的其它成分影響了碳酸鈣與稀鹽酸的反應。

（2）查閱資料

學生查閱資料發現：①石頭紙中碳酸鈣的含量一般為80%左右;②石頭紙的主要成分是碳酸鈣，石頭紙表面涂層中還含有高分子聚合物（聚乙烯）。根據資料，學生排除了猜想1的可能性，明確了猜想2的可能：表面涂層中的高分子聚合物（聚乙烯）對碳酸鈣和稀鹽酸的反應產生了影響。那如何消除這個影響？教師引導學生再次探究。

（3）再次探究

師生經過討論，認為可用兩種方法消除高分子聚合物（聚乙烯）對碳酸鈣和稀鹽酸反應的影響，一是用砂皮紙打磨法，二是用燃燒法。

①砂皮紙打磨法

藥品：石頭紙1張、10%的稀鹽酸5 mL、澄清石灰水少量。

儀器：砂皮紙、鑷子、試管2只、帶導管的橡皮塞。

實驗操作：用砂皮紙打磨石頭紙后，將石頭紙撕碎放入試管中，倒入5 mL10%的稀鹽酸，塞上帶導管的橡皮塞，將導管另一端插入裝有澄清石灰水的試管中。

實驗現象：石頭紙表面附著一層細密的氣泡，充分振蕩試管，較長時間后澄清石灰水變渾濁。

②燃燒法

藥品：石頭紙2張、10%的稀鹽酸5 mL、澄清石灰水少量。

儀器：酒精燈、坩堝鉗、火柴、石棉網、藥匙、試管2只、帶導管的橡皮塞。

實驗操作：用坩堝鉗夾持石頭紙在酒精燈火焰上點燃，移到石棉網上方，待火焰熄滅后，用藥匙取石棉網上的少量灰燼放入試管中，倒入5 mL10%的稀鹽酸，迅速塞上帶導管的橡皮塞，將導管另一端插入裝有澄清石灰水的試管中。

實驗現象：灰燼表面迅速產生大量氣泡，澄清石灰水很快變渾濁。

以上兩種方法都能檢測石頭紙中含碳酸根離子，且第2種方法現象更明顯。

2.鈣離子的檢測

藥品：石頭紙燃燒后的灰燼、10%的稀鹽酸、酒精。

儀器：鐵架臺、鐵圈、燒杯、玻璃棒、漏斗、濾紙、酒精燈、蒸發皿、火柴、藥匙、研缽。

實驗操作：取石頭紙燃燒后的灰燼放入燒杯中，倒入10%的稀鹽酸直到不再產生氣泡，過濾，將濾液蒸干，從蒸發皿中取出粉末，研細后放在倒置的小燒杯上，滴加6滴酒精，點燃。

實驗現象：產生磚紅色火焰。

實驗結論：石頭紙中存在鈣離子。

石頭紙打磨后浸入水中，石頭紙不變濕，再結合以上實驗結論，可得出：石頭紙的主要成分是碳酸鈣。

從以上探究過程構建混合物中主要成分檢測的一般思維模型為：明確混合物的成分，若成分中有物質對主要成分的檢測產生干擾，則先排除干擾，再利用主要成分的化學性質，選擇適當的試劑與其發生化學反應，根據產生的現象就可檢測出該成分。混合物中主要成分檢測的流程如圖1所示。

三、石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣含量的測定

因本次實驗使用的石頭紙不能直接與稀鹽酸反應，所以無法直接測定石頭紙中碳酸鈣的含量。筆者將實驗設計為：如何測定石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣的含量？學生經過充分討論，提出依據的原理是： CaCO3+2HCl CaCl2+H2O+CO2↑，并從測量生成物二氧化碳或氯化鈣的質量的角度思考，設計出以下方案。E1C459A2-3620-4245-BECB-23DFAC1BD60D

1.測量二氧化碳體積法

實驗裝置如圖2所示。

實驗操作：連接裝置并檢查氣密性。取一定量石頭紙燃燒后的灰燼于錐形瓶中，向恒壓分液漏斗中倒入足量的10%的稀鹽酸，調節量氣裝置兩邊液面相平，讀取量氣管讀數為 V1，將稀鹽酸慢慢滴入錐形瓶中至不再產生氣泡，裝置冷卻到室溫后，再次調節量氣裝置兩邊液面相平，讀取量氣管讀數為 V2，V2-V1即產生的二氧化碳的體積，轉化為二氧化碳的質量，再依據化學方程式計算出灰燼中碳酸鈣的質量，從而計算出灰燼中碳酸鈣的質量分數。

2.測量二氧化碳質量法

實驗裝置如圖3所示。

實驗操作：連接裝置并檢查氣密性良好。取一定量的石頭紙燃燒后的灰燼于錐形瓶中，向分液漏斗中倒入足量的10%的稀鹽酸。向錐形瓶左側通N2，一段時間后稱量裝置D 的質量為M1，將稀鹽酸慢慢滴入錐形瓶至不再產生氣泡，再向錐形瓶左側通N2，再次稱量裝置D 的質量為M2，M2-M1的質量即為生成的二氧化碳的質量，再依據以上方法計算出灰燼中碳酸鈣的質量分數。

3.測量氯化鈣固體質量法

實驗操作：在一定質量的灰燼中倒入足量的10%的稀鹽酸直到不再產生氣泡，過濾，將濾液蒸發得到無水氯化鈣粉末，稱量粉末的質量，再依據化學方程式計算出碳酸鈣的質量，從而計算出灰燼中碳酸鈣的質量分數。

以上3種方法理論上都可行，但實際操作、計算比較繁瑣，而且產生的誤差較大。筆者利用數字化實驗，直接測出生成的二氧化碳的濃度，轉換成二氧化碳的質量。

4.測量二氧化碳濃度法

實驗裝置如圖4所示。

實驗操作：連接裝置并檢查氣密性。取2.0 g石頭紙燃燒后的灰燼于250 mL 的三頸燒瓶中，放入攪拌子，向恒壓滴液漏斗中加入足量的10%的稀鹽酸，打開活塞并開始攪拌，檢測到三頸燒瓶內二氧化碳的濃度由原空氣中含量991 ppm最終上升到50528 ppm，變化過程如圖5所示。將測得的二氧化碳濃度換算成二氧化碳的質量約為0.54 g。據此計算出石頭紙燃燒產生的灰燼中碳酸鈣的含量約為61.4%。

至此，學生產生了疑問：根據查閱的資料，石頭紙中碳酸鈣的含量為80%左右，石頭紙燃燒后，質量變小，理論上碳酸鈣的含量應該變大，為什么計算的結果卻相反？學生猜測：石頭紙中的碳酸鈣在燃燒時有部分分解了。如何驗證這個猜測？學生又進行了實驗探究：取少量石頭紙燃燒后的灰燼于燒杯中，加少量水攪拌，靜置后在上層液體中滴加無色酚酞試液，酚酞變紅，說明石頭紙在燃燒的過程中，其中有部分碳酸鈣粉末發生分解。

從以上探究過程構建混合物中主要成分含量測定的一般思維模型為：明確測定該物質含量依據的原理，找準測定質量的物質，確定好實驗裝置及規范的操作步驟，測出找準的物質的質量，若實驗過程中產生誤差，則分析產生誤差的原因。混合物中主要成分含量測定的流程如圖6所示。

四、反思

1.從證據推理的角度設計實驗

平時的實驗教學，學生都是根據課本上設定的實驗步驟做驗證性實驗，學生只是“照本宣科”，實驗結束后學生仍缺乏對實驗本質的理解。本研究從生活中的石頭紙中提取出有價值的化學問題“如何檢測石頭紙的主要成分”？“如何測定石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣的含量？”引導學生尋找證據進行推理、探究，通過查閱資料、實驗等手段，尋找本質原因，建立實驗事實（現象）作為證據，概括關聯整合已學知識，初步進行推理預測并分析解釋，逐步明確證據與結論的聯系[2]，更有利于培養學生的科學素養。

2.從定性到定量進行探究

探究“如何檢測石頭紙的主要成分？”是引導學生從鈣離子、碳酸根離子檢驗的角度進行定性分析，探究“如何測定石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣的含量？”則巧妙地從定性研究轉向定量研究，定性與定量組合，多角度綜合分析，促進認知模型的逐步完善、理解[2]，有利于培養學生的化學學科思維。

3.運用數字化實驗手段

在“測定石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣的含量”實驗中，使用了數字化實驗測量裝置中二氧化碳的濃度變化值，實驗現象明顯，實驗數據可靠，操作更為簡單，可重復性強[3]。數字化實驗進一步豐富了教學資源，培養了學生的創新意識、能力和精神。在今后的教學中，我們還需進一步研究，加強數字化技術在化學教學中的運用，以達到更好的效果。

參考文獻

[1]上海市教育委員會.上海市中學化學課程標準（試行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：61.

[2]洪清娟.指向深度學習的初三化學復習教學設計[J].化學教與學，2020（1）：65-67.

[3]劉國豪.乙醇中碳、氫元素的檢測探究實驗[J].化學教學，2020（8）：70-73.—49—E1C459A2-3620-4245-BECB-23DFAC1BD60D