在比較中選擇在選擇中優化

曹先　楊軍峰

摘要： CO2的實驗室制取是初中化學重要的學習內容之一，探究的重點通常為CO2發生裝置的選擇與優化，但對試劑的選擇、優化較少涉及。本文依據“元素守恒”思想，結合化學史和實驗對CO2實驗室制取中藥品的選擇進行多維度探究，突破知識難點，激發學生學習興趣，發展學生“科學探究與創新思維”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養。

關鍵詞： CO2的實驗室制取;元素守恒;藥品選擇;教學設計

文章編號：1008-0546（2022）06x-0090-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.024

一、問題的提出

CO2的實驗室制取是九年級學生必須完成的八個基礎化學實驗之一，《義務教育化學課程標準（2011年版）》的內容要求是：初步學習 CO2的實驗室制法

[1]即要求學生學會有關制取二氧化碳的方法，對制

取氣體的一般思路有基本了解，包括藥品的選擇、裝置的設計、實驗的方法等[2]。實驗室制取氣體的一般思路如圖1所示[3]：

在教學實踐中，教師大多聚焦于 CO2發生裝置的選擇與優化，反應原理的選擇，氣體純度、反應條件以及反應速率等，對于如何依據質量守恒定律選擇藥品，如何依據藥品價格等對藥品進行優化關注較少[4]。基于以上認識，筆者通過重構教材的內容結構，設計了“實驗室制取二氧化碳的藥品選擇”的實驗探究課。

二、教學設計

1.教學目標

（1）依據“化學反應前后元素種類不變”，從常見物質中挑選出實驗室可以制取CO2的物質，樹立元素守恒的思想。

（2）能結合藥品價格、狀態及反應條件對實驗室可以制取CO2的藥品進行篩選與優化，增強學生節約成本、降低能耗等意識。

（3）通過物質組成分析以及猜想假設、史料研讀、實驗設計等途徑，發展學生“科學探究與創新思維”“證據推理與模型認知”等學科核心素養。

2.教學流程（見圖2）

三、教學實錄

環節一依據守恒探尋藥品

[回顧]實驗室為什么選用KMnO4、KClO3、H2O2等試劑制取O2？

[學生]因為它們的組成中都含有氧元素，分解后都能生成氧氣。

[問題]C、NaCl、CaCO3、MgCO3、NH4Cl 這些物質，哪些有可能用于制取CO2？你判斷的依據是什么？

[學生1]C、CaCO3、MgCO3可能會用于制取CO2。

[學生2]依據化學反應前后元素的種類不變，C、 CaCO3、MgCO3組成中都含有碳元素，可能會用于制取 CO2。

[問題]C如何生成CO2？該方法是否適用于實驗室制取較為純凈的二氧化碳？為什么？

[學生1]碳和氧氣點燃后生成CO2。

[學生2]木炭還原氧化銅粉末生成CO2。

[學生3]碳和氧氣點燃后還會生成CO，得不到純凈的 CO2。木炭還原氧化銅粉末需要高溫條件，實驗操作繁瑣且耗能大。二者都不適合實驗室制取二氧化碳。

[問題]CaCO3、MgCO3都含有碳元素，能否制取 CO2？

環節二通過史料感悟藥品

[問題]西晉張華在《博物志》中有“燒白石作白灰”的記載，就是將白石（主要成分是 CaCO3）加熱到900℃左右會有白灰（CaO）生成。請判斷還有別的物質生成嗎？張華為什么沒有記載？你認為該物質可能是什么？

[學生1]依據元素守恒，不可能只生成CaO，還應該有含碳的物質生成。

[學生2]張華沒有說明可能生成了氣體。

[學生3]氣體可能是CO2，也可能是CO，還可能二者都有。

[問題]1755年，英格蘭化學家布萊克做了類似實驗，將白堊（主要成分是 CaCO3）煅燒，發現質量減了44%。你認為氣體是什么？理由是什么？白堊煅燒的化學反應方程式如何書寫？

[學生1]氣體是 CO2。依據質量守恒定律，假如白堊的質量為100份，則其完全煅燒后會生成56份質量的CaO，若生成氣體是CO2，質量正好是44份。這與布萊克實驗數據吻合。

[學生2]白堊（石灰石）煅燒的化學反應方程式為 CaCO3 CaO+CO2↑

環節三對比分析優化藥品

[問題]事實證明煅燒 MgCO3也會發生類似煅燒 CaCO3的反應（分解溫度為700℃），它們的市場參考價：500 g碳酸鎂374元，500 g碳酸鈣20元。你會選擇哪一種藥品？

[學生1]還需要考慮試劑的價格。

[學生2]從價格的角度考慮，實驗室制取 CO2最好選擇白堊（石灰石）。

[問題]用高溫煅燒白堊（石灰石）的方法是否適合實驗室制取CO2？

[學生1]實驗室常用的加熱儀器是酒精燈，火焰的最高溫度為500℃，不能達到反應的要求。

[學生2]如此高的溫度需要耗費大量的能源且不安全，不適合實驗室制取CO2。

[問題]實驗室制取 CO2氣體還需考慮反應的條件。如果選擇價格相對便宜的白堊（石灰石）作為制取CO2的藥品之一，我們該如何讓它在較為溫和的條件下放出CO2氣體呢？下面是生活中常用的補鈣劑及相關信息（見圖3）。

仔細觀察后猜想：難溶于水的碳酸鈣中的鈣元素是如何被人體吸收的？

[學生1]應該是碳酸鈣和胃液中的稀鹽酸發生了反應，生成了可溶物被人體吸收了。

[學生2]從不良反應“噯氣，胃腸脹氣”等推測有 CO2氣體產生。

[演示]碳酸鈣D3顆粒與稀鹽酸反應并驗證產生的氣體是CO2。

[學生]大理石與稀鹽酸確實發生了反應，生成的氣體能使澄清石灰水變渾濁，證明是CO2氣體。

[問題]廚房中的純堿（主要成分 Na2CO3）與碳酸鈣的組成有何相似之處？你認為碳酸鈉與稀鹽酸可以反應產生CO2嗎？

[學生1]都含有碳酸根離子（CO -）。

[學生2]它們的組成相似，應該會產生CO2。

[分組實驗]Na2CO3粉末、CaCO3粉末、塊狀大理石分別與稀鹽酸反應。觀察反應速率的快慢。

[學生1]都有 CO2生成，但使用 Na2CO3粉末與 CaCO3粉末產生CO2的速率很快，不利于收集氣體。

[學生2]塊狀大理石產生CO2的速率適中，有利于收集氣體。實驗室可以用塊狀大理石和稀鹽酸反應制取CO2。

[問題]塊狀大理石和稀鹽酸屬于“電性”反應，即正價元素與負價元素結合。化學反應方程式如何書寫？

[學生1]CaCO3+2HCl〓CaCl2+H2O+CO2↑。

[學生2]從藥品的來源、價格的低廉、操作的簡便性和安全性等多方面考慮，在實驗室里，稀鹽酸與塊狀大理石反應的速率適中，最適宜做實驗室制取CO2的原料。

四、教學反思

本教學設計引導學生根據質量守恒定律在眾多化學物質中快速篩選出實驗室制取CO2的合適藥品，強化學生的“元素守恒”思想，幫助學生構建氣體制取中藥品選擇的思維模型，通過對 CO2發現史中部分史料的分析，培養學生基于證據進行分析推理的能力。通過對比 CaCO3、MgCO3、Na2CO3組成和結構，預測它們在一定條件下都可以產生CO2，滲透“結構決定性質”的基本觀念，學生從微觀層面認識物質的水平得到提高。通過創新實驗，既適當拓展了教材內容，有利于學生掌握知識、開闊視野，又有利于培養學生的探究精神，學生真正學會在實驗室制取氣體時如何選擇試劑。

總之，CO2的實驗室制法是鞏固和深化氣體物質實驗室制取的思路和方法、訓練基本實驗技能及發展學生科學探究能力的重要載體[5]。教師在教學中應該充分挖掘其中蘊含的學科價值與學科思想，在引導學生掌握學科知識、基本技能、基本方法的同時，培養學生正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]婁延果.課程標準案例式導讀與學習內容要點[M].吉林：東北師范大學出版社，2012.

[3]王榮橋等.2021年中考化學復習備考研究[J].中學化學教學參考，2021（03）：41-49.

[4]繆徐.“二氧化碳制取的研究”教學設計及點評[J].中學化學教學參考，2009（03）：18-21.

[5]楊梓生，吳菊華，林紅梁.初中化學教材與教學微研究（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2017.