CO2與NaOH溶液反應(yīng)的探究教學(xué)實踐

洪 濤

(云南大學(xué)附屬中學(xué)，云南 昆明 650031)

2022年4月21日，教育部發(fā)布了《義務(wù)教育課程方案和課程標準(2022年版)》。其中，《義務(wù)教育化學(xué)課程標準(2022年版)》明確了“化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究與實踐”“科學(xué)態(tài)度與責任”四個方面的核心素養(yǎng)發(fā)展要求。對應(yīng)核心素養(yǎng)提出了初中化學(xué)課程目標為：形成化學(xué)觀念，解決實際問題;發(fā)展科學(xué)思維，強化創(chuàng)新意識;經(jīng)歷科學(xué)探究，增強實踐能力;養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，具有責任擔當。

科學(xué)探究是指用科學(xué)的方法進行探索，究其原因，解決問題。在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的一般過程，包括：提出問題、形成假設(shè)、設(shè)計并實施實驗或調(diào)查方案、獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)、形成結(jié)論及建構(gòu)模型、反思評價及表達交流等要素[1]。初中化學(xué)教學(xué)主要通過觀察和實驗等科學(xué)方法獲取證據(jù)、基于證據(jù)進行分析推理及形成結(jié)論[2]，以增進學(xué)生對科學(xué)探究的理解，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力。

發(fā)展科學(xué)思維要求引導(dǎo)學(xué)生，初步學(xué)會運用觀察、實驗、調(diào)查等手段獲取化學(xué)事實，能初步運用比較、分類、分析、綜合、歸納等方法認識物質(zhì)及其變化，形成一定的證據(jù)推理能力;能從變化和聯(lián)系的視角分析常見的化學(xué)現(xiàn)象，能以宏觀、微觀、符號相結(jié)合的方式認識和表征化學(xué)變化;初步建立物質(zhì)及其變化的相關(guān)模型，能根據(jù)物質(zhì)的類別和信息提示預(yù)測其性質(zhì)，并能解釋一些簡單的化學(xué)問題等[3]。

1 問題的提出

CO2與NaOH的反應(yīng)，是在學(xué)習常見的堿的化學(xué)性質(zhì)時的一個重要反應(yīng)，教材中沒有要求進行演示實驗，只是讓學(xué)生與CO2和Ca(OH)2的反應(yīng)進行類比，寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。這樣，學(xué)生缺乏真實感知。教師正好以此為契機引導(dǎo)學(xué)生大膽質(zhì)疑，探究CO2與NaOH溶液是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并進一步創(chuàng)設(shè)情境，探究實驗室露置于空氣中的NaOH溶液是否變質(zhì)，變質(zhì)程度如何，如何除去雜質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生從真實的學(xué)習情境中發(fā)現(xiàn)問題，展開討論，在解決化學(xué)問題的同時形成和發(fā)展認識化學(xué)知識的思路與方法，體現(xiàn)從學(xué)習具體知識到建構(gòu)化學(xué)觀念再到形成科學(xué)思維的過程。

2 教學(xué)過程

1)創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)質(zhì)疑

[教師]PPT展示如圖1，寫出圖中兩個反應(yīng)的化學(xué)方程式。

圖1 CO2分別通入澄清石灰水和NaOH溶液

[學(xué)生]Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

[教師]兩個反應(yīng)的現(xiàn)象是什么？你判斷的依據(jù)是什么？

[學(xué)生]因為生成的CaCO3難溶于水，CO2通入澄清石灰水會產(chǎn)生渾濁;因為生成的Na2CO3易溶于水，CO2通入NaOH溶液無明顯現(xiàn)象。

[教師]現(xiàn)象是否如此？我們用事實來告訴大家。演示實驗：分別把CO2通入澄清石灰水和NaOH溶液，澄清石灰水中產(chǎn)生白色渾濁，NaOH溶液中無明顯現(xiàn)象。憑借產(chǎn)生白色渾濁判斷CO2與澄清石灰水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，那憑借什么判斷CO2與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)呢？

設(shè)計意圖：通過看圖寫化學(xué)方程式，發(fā)展同類遷移能力，通過反應(yīng)現(xiàn)象的預(yù)測，培養(yǎng)依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)推測反應(yīng)現(xiàn)象的能力，通過演示實驗培養(yǎng)實證意識，鼓勵大膽質(zhì)疑。

2)提出問題，展開探究

[教師]PPT展示如圖2，請同學(xué)們以小組為單位討論：如何驗證CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？簡述你設(shè)計的實驗方法，并說明設(shè)計的理由。

圖2 探究CO2與NaOH溶液是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究各個環(huán)節(jié)，增進對科學(xué)探究的理解，發(fā)展科學(xué)探究的能力。引導(dǎo)學(xué)生自主思考、討論交流、合作分享，發(fā)展學(xué)生評價、反思、改進實驗方案的能力，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

①方案一

[學(xué)生]可以取CO2與NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入無色酚酞溶液，若酚酞溶液不變紅，說明溶液不呈堿性，可以得出CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)的結(jié)論。

[教師]請大家以小組進行討論，該同學(xué)設(shè)計的實驗方案是否合理？

[學(xué)生]首先，通入的CO2不一定能把NaOH反應(yīng)完，若NaOH有剩余，剩余的NaOH也能使酚酞溶液變紅，這是不嚴謹;其次，即便NaOH反應(yīng)完了，生成的Na2CO3屬于鹽，其溶液不一定是中性的，如果Na2CO3溶液呈堿性也會使酚酞溶液變紅，這是不合理。

[教師]Na2CO3溶液是否呈堿性？我們用事實來告訴大家！演示實驗：取Na2CO3溶液于試管中，滴入無色酚酞溶液，觀察到溶液變?yōu)榧t色。根據(jù)實驗事實可知，即便CO2與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了Na2CO3，溶液仍然呈堿性。所以，我們不能用無色酚酞溶液檢驗CO2是否與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計意圖：一部分學(xué)生通過物質(zhì)名稱，錯誤的認為Na2CO3溶液呈酸性，一部分學(xué)生通過物質(zhì)類別，Na2CO3屬于鹽，錯誤的認為Na2CO3溶液呈中性，我們通過實驗事實，改變學(xué)生慣勢思維，讓學(xué)生在認知沖突中加深印象，培養(yǎng)嚴謹思維的習慣;同時，通過反應(yīng)物NaOH是否有剩余的質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)既要考慮定性，還要考慮定量，養(yǎng)成全面、完整思考問題的習慣。

②方案二

[學(xué)生]可以取CO2與NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入足量的稀鹽酸，產(chǎn)生氣泡，說明溶液中有Na2CO3，可以得出CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)的結(jié)論。

[教師]請大家以小組進行討論，該同學(xué)設(shè)計的實驗方案是否合理？

[學(xué)生]合理的，若沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶液中的NaOH與稀鹽酸反應(yīng)是不會產(chǎn)生氣泡的，若發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成的Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)會生成CO2，CO2逸出，可以觀察到產(chǎn)生氣泡。

[教師]是否如我們同學(xué)所預(yù)測一樣，我們用事實來告訴大家。演示實驗：分別取NaOH溶液、CO2與NaOH溶液作用后的溶液于試管中，滴入足量的稀鹽酸，觀察到NaOH溶液中無明顯現(xiàn)象，CO2與NaOH溶液作用后的溶液中產(chǎn)生氣泡。根據(jù)實驗事實可知，CO2與NaOH反應(yīng)生成了Na2CO3，所以，我們可以用稀鹽酸來檢驗CO2是否與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會通過檢驗生成物的存在驗證反應(yīng)發(fā)生，通過比較NaOH和Na2CO3性質(zhì)的差異點，找到檢驗Na2CO3的方法，并通過實驗驗證，培養(yǎng)實證意識。

[教師]我們從微觀角度來分析一下，為什么可以用稀鹽酸來檢驗CO2是否與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？板書分析推理如圖3。

圖3 微觀角度分析如何檢驗CO2與NaOH溶液是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)

[學(xué)生]CaCl2溶液、BaCl2溶液等含有Ca2+或Ba2+的溶液，若觀察到產(chǎn)生白色沉淀，說明CO2與NaOH反應(yīng)生成了Na2CO3。

③方案三

[教師]請同學(xué)們思考圖4實驗將產(chǎn)生什么現(xiàn)象？產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是什么？能否驗證CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？

圖4 向集滿CO2的軟塑料瓶中倒入NaOH溶液

[學(xué)生]現(xiàn)象：塑料瓶會變癟;原因：NaOH溶液消耗CO2，使瓶內(nèi)氣壓小于外界大氣壓，所以塑料瓶變癟;能驗證CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

[教師]現(xiàn)象是否如我們同學(xué)所預(yù)測的一樣，我們用事實來告訴大家。進行如圖的演示實驗……，觀察到塑料瓶變癟。僅憑塑料瓶變癟就得出CO2與NaOH發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)的結(jié)論，是否嚴謹？是否有同學(xué)存在質(zhì)疑？如何排除質(zhì)疑？

[學(xué)生]NaOH溶液中有水，CO2溶解于水也會使瓶內(nèi)氣壓減小，要排除水的干擾，可用等體積的水進行同樣的實驗，對比塑料瓶變癟的程度。

[教師]我們用事實來告訴大家！進行如圖5的演示實驗……。觀察到塑料微微變癟，遠沒有圖4實驗變癟程度大，說明水溶解CO2不能使塑料瓶變得那么癟，由此可以得出CO2與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖5 向集滿CO2的軟塑料瓶中倒入水

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)的同時反應(yīng)物也在被消耗，通過驗證反應(yīng)物被消耗也可以驗證化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，體會化學(xué)與物理(壓強)學(xué)科間的交叉，學(xué)會通過對比實驗排除干擾因素的方法。

④遷移拓展，學(xué)以致用

[教師]遷移拓展如下，請同學(xué)們討論后完成以下問題：

問題1.預(yù)測如圖6所示的兩個實驗可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象。

圖6 兩個實驗

問題2.對于無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)，可以從哪幾個角度驗證反應(yīng)的發(fā)生。

問題3.實驗室中的NaOH溶液應(yīng)該如何保存。

針對問題1，在學(xué)生預(yù)測現(xiàn)象后，教師進行演示實驗，驗證學(xué)生的預(yù)測;針對問題2，教師引導(dǎo)學(xué)生從檢驗生成物的存在和驗證反應(yīng)物被消耗兩個角度進行思考;針對問題3，學(xué)生可以回答出，需要密封保存，以防止NaOH和空氣中的CO2反應(yīng)而變質(zhì)。

設(shè)計意圖：學(xué)以致用，通過趣味實驗激發(fā)了興趣，鞏固了對化學(xué)反應(yīng)消耗氣體造成氣壓變化的認識;通過總結(jié)，建立驗證無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)的思路和方法，建立解決此類問題的思維模型;通過NaOH的化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習，聯(lián)想它的保存方法，為NaOH的變質(zhì)探究做好鋪墊。

3)進一步探究 發(fā)展高階思維

[教師]PPT展示如圖7。提出問題：該瓶溶液是否變質(zhì)？請同學(xué)們充分討論，作出猜想，思考各種猜想的溶質(zhì)成分是什么物質(zhì)？如何利用所給試劑設(shè)計實驗驗證自己的猜想？(提供試劑：稀鹽酸、澄清石灰水、CaCl2溶液、酚酞溶液，提供資料信息：CaCl2溶液、BaCl2溶液呈中性)

圖7 實驗室中一瓶未蓋瓶塞的NaOH溶液

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷因素更多、思維更復(fù)雜的探究，發(fā)展學(xué)生的猜想能力和實證意識，培養(yǎng)學(xué)生對實驗方案的設(shè)計、討論與評價能力。

[學(xué)生]在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生討論分析后，猜想如表1。

表1 對NaOH溶液變質(zhì)情況的猜想

[教師]探究是否變質(zhì)的關(guān)鍵是檢驗?zāi)姆N物質(zhì)的存在？

[學(xué)生]關(guān)鍵檢驗是否存在 Na2CO3，可以考慮加入足量酸或含有Ca2+(Ba2+)的溶液，若產(chǎn)生氣泡(白色沉淀)，則說明已變質(zhì)。

[教師]若確定已經(jīng)變質(zhì)，探究變質(zhì)程度的關(guān)鍵是檢驗?zāi)姆N物質(zhì)的存在？

[學(xué)生]關(guān)鍵檢驗是否還存在NaOH，可以滴加無色酚酞溶液，若溶液變?yōu)榧t色，則說明還有NaOH，為部分變質(zhì)，若溶液仍為無色，則說明沒有NaOH，為完全變質(zhì)。

[教師]該設(shè)計是否合理？

[學(xué)生]不合理，Na2CO3溶液呈堿性，也會使無色酚酞溶液變紅。

[教師]Na2CO3的存在將對NaOH的檢驗產(chǎn)生干擾，要檢驗是否存在NaOH需要先除去Na2CO3，請同學(xué)們思考，除去Na2CO3的試劑選擇哪種物質(zhì)？稀鹽酸？澄清石灰水？CaCl2溶液？請大家充分討論，分別予以評價。

[學(xué)生]要除去Na2CO3，若選擇使用稀鹽酸，加入的稀鹽酸會先與NaOH反應(yīng)，將造成后面檢驗不到NaOH的“假象”;若選擇使用澄清石灰水，加入的Ca(OH)2與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3沉淀和NaOH，生成的NaOH將干擾NaOH的檢驗;若選擇使用CaCl2溶液，首先CaCl2能與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3沉淀，生成的NaCl溶液為中性不會干擾NaOH的檢驗，其次，CaCl2不與NaOH反應(yīng)且CaCl2溶液為中性，不會影響NaOH的檢驗。所以，應(yīng)該選擇加入足量的CaCl2溶液。

在教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們設(shè)計了實驗的步驟，預(yù)測了對應(yīng)的現(xiàn)象及結(jié)論。如表2所示。

表2 探究NaOH溶液的變質(zhì)情況

[教師]是否如我們同學(xué)所預(yù)測的一樣，我們用事實來告訴大家！進行演示實驗，觀察到產(chǎn)生白色沉淀，溶液變?yōu)榧t色。我們可以得出什么結(jié)論？

[學(xué)生]猜想2成立，該瓶NaOH溶液部分變質(zhì)。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生以探究目的為導(dǎo)向，對不同層次的問題進行分析推理，找到關(guān)鍵問題和解決問題的關(guān)鍵點，討論評價，實驗驗證，去偽存真，培養(yǎng)利用化學(xué)知識解決問題的能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

[教師]遷移拓展如下，請同學(xué)們討論后完成以下問題：

問題1.上述實驗中能代替CaCl2溶液的是( )

A.稀硫酸 B.Ba(OH)2溶液 C.BaCl2溶液

問題2.要除去部分變質(zhì)的NaOH溶液中的Na2CO3，可采用的方法是？

問題3.舉例說明在空氣中會與空氣成分發(fā)生反應(yīng)而變質(zhì)的物質(zhì)？

設(shè)計意圖：舉一反三，遷移拓展，學(xué)以致用，用以促學(xué)，學(xué)用相長。

4)課堂小結(jié)

[教師]請同學(xué)們談一談自己的收獲和存在的疑惑。

設(shè)計意圖：從知識、方法、能力、素養(yǎng)四個角度引導(dǎo)學(xué)生進行總結(jié)，以“輸出”鞏固“輸入”;同時，保留疑惑，為后續(xù)學(xué)習進行鋪墊，讓學(xué)生對化學(xué)學(xué)習保持興趣和好奇心，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，勇于探索。

3 教學(xué)反思

“四先四后”給學(xué)生的思維發(fā)展留出了時間和空間。一是先思考、后回答。當教師提出問題后，首先要求學(xué)生自主思考，對一些有挑戰(zhàn)性的問題，學(xué)生一時沒有思路時，教師進行了適當鼓勵、啟發(fā)、引導(dǎo)，一部分思維敏捷的同學(xué)可能已經(jīng)知道了答案，教師則要求他們不要提前“劇透”，“穩(wěn)住”他們，給全體學(xué)生思考的機會。二是先討論后結(jié)論。對于設(shè)計的任務(wù)，教師要求小組內(nèi)進行討論后再發(fā)言，對于學(xué)生回答的問題，教師先不做評判，也不下結(jié)論，而是讓其他學(xué)生進行討論、評價，是否合理？能否改進？理由或依據(jù)是什么？……三是先學(xué)生后教師。放手讓學(xué)生評價學(xué)生，讓學(xué)生發(fā)展學(xué)生，只要學(xué)生能解決的問題，教師都做一個忠實傾的聽者、學(xué)習者、仰慕者，很多時候?qū)W生的思考不局限于教師的設(shè)想，會出現(xiàn)有創(chuàng)見性的回答，對我們的教學(xué)有很好的啟發(fā)，是很好的課堂生成。四是先預(yù)測后實驗。在教師進行演示實驗前，先讓學(xué)生對可能出現(xiàn)的情況進行預(yù)測，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生主動思考，讓學(xué)生養(yǎng)成用化學(xué)的視角看物質(zhì)看變化的習慣，課上經(jīng)常聽到教師說“是否如此？我們用事實來告訴大家”，這樣能很好地利用學(xué)生預(yù)測與實驗事實的矛盾，引發(fā)認知沖突，引起學(xué)生的探究意愿和學(xué)習興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的求真精神和實證意識，讓學(xué)生體會到“實驗是化學(xué)的最高法庭”。

教學(xué)活動設(shè)計基于真實情景，知識結(jié)構(gòu)層層遞進，邏輯層次清晰。塑料瓶變癟、氣球膨脹、噴泉等實驗設(shè)計新穎，現(xiàn)象明顯，較好地體現(xiàn)了趣味性和學(xué)科融合。課上教師利用探究式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、講授式教學(xué)、實驗演示教學(xué)充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，充分體現(xiàn)了教師是學(xué)生學(xué)習的陪伴者、學(xué)生活動的參與者、學(xué)生發(fā)展的促進者。

教學(xué)過程充分體現(xiàn)以學(xué)為主的教學(xué)理念。教師緊扣CO2與NaOH反應(yīng)，進行了兩個探究，學(xué)生利用實驗探究法、小組交流討論法、分析歸納法，充分發(fā)揮了學(xué)生主體作用。通過教師創(chuàng)設(shè)的真實情景，提出問題，學(xué)生自主猜想假設(shè)、設(shè)計實驗方案、交流討論、評價改進、反思拓展，教師實驗演示，讓學(xué)生感受真實情景、培養(yǎng)實證意識。教師鼓勵學(xué)生質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生討論，鼓勵學(xué)生評價，充分尊重學(xué)生的認知，讓學(xué)生對問題的思考，由淺至深，從感性到理性，從片面到全面，從局部到整體，由低階到高階，讓學(xué)生的思維從廣度和深度得到了發(fā)展。