高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及教學(xué)策略
——以“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”為例

李文飛

(江蘇省南京師范大學(xué)灌云附屬中學(xué),江蘇 連云港 222200)

實(shí)驗(yàn)不僅是化學(xué)教學(xué)中最為活躍和生動的教學(xué)手段,也是探究化學(xué)知識不可或缺的重要途徑[1-2].在新課程改革的背景下,要求化學(xué)實(shí)驗(yàn)朝著生活化、綠色化和現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)變,以便于拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)思路[3].關(guān)于“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的內(nèi)容也是高中化學(xué)考試當(dāng)中不可忽視的內(nèi)容,為了對其進(jìn)行更進(jìn)一步的分析,采取創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情景,深入挖掘其中存在的聯(lián)系,組織學(xué)生積極開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法的探究,幫助學(xué)生形成高階思維[4].

1 傳統(tǒng)“碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)

例題一個(gè)研究組研究了碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應(yīng).

(1)實(shí)驗(yàn)用品:

碳酸鈉粉末(置于廣口瓶)、稀鹽酸(置于容積為125 mL的細(xì)口瓶中)、抹布、紙槽、試管架、Ф15×150 mm的試管、大燒杯(盛裝廢液)、藥匙.

(2)實(shí)驗(yàn)步驟:

①藥品與儀器需仔細(xì)檢查;

②選擇干燥試管,放入少量碳酸鈉粉末;

③將1～2 mL稀鹽酸加入試管中;

④觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,及時(shí)向監(jiān)考老師報(bào)告;

⑤實(shí)驗(yàn)完成后,及時(shí)清洗試管,并將實(shí)驗(yàn)器材復(fù)位.

(3)在含有少量碳酸鈉(俗稱____)和碳酸氫鈉的試管中加入足夠的稀鹽酸,觀察到兩者反應(yīng)劇烈,產(chǎn)生大量氣泡.碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為____.

【問題提出】

碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率相同嗎?

【實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)】

(4) A設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)過程中,兩個(gè)注射器中的稀鹽酸應(yīng)為____(充注操作),觀察到如圖2所示的現(xiàn)象.所以他得出結(jié)論,碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳更快.

(5) B質(zhì)疑A的實(shí)驗(yàn):

①碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應(yīng)非常劇烈,很難通過觀察來判斷產(chǎn)氣速度;

②____,他認(rèn)為,應(yīng)該取含碳量相同的碳酸鈉和碳酸氫鈉,如果碳酸鈉的質(zhì)量仍然是0.318 g,應(yīng)該取____g碳酸氫鈉.

該組學(xué)生在老師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn).

圖3 B實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)情況

①其中的連通管的作用是____.

②取相同體積、相同碳元素重量的碳酸鈉和碳酸氫鈉稀溶液(各取2滴酚酞溶液)和足夠體積、相同濃度的稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程中溶液顏色變化記錄于表1.瓶內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化如圖4所示.

表1 實(shí)驗(yàn)過程中溶液顏色變化記錄

圖4 B實(shí)驗(yàn)結(jié)果

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】(6)通過分析圖4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出,在相同條件下,____與稀鹽酸反應(yīng)更快生成二氧化碳,原因是____.

【反思與應(yīng)用】①二者與稀鹽酸反應(yīng)均很劇烈,稀鹽酸足量,相同質(zhì)量的碳酸鈉和碳酸氫鈉完全反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量不相同,所以通過氣球變大的程度無法確定兩物質(zhì)反應(yīng)的快慢.含有碳元素的質(zhì)量相同時(shí),需要碳酸氫鈉的質(zhì)量為0.252 g;

②碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液和稀鹽酸反應(yīng)的速率都很劇烈,連通管主要起平衡氣壓的作用,避免裝置中壓強(qiáng)過大導(dǎo)致稀鹽酸不能順利滴下;

③由壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化圖可知,相同條件下,反應(yīng)全部結(jié)束前,碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)時(shí),裝置中的壓強(qiáng)越大,說明產(chǎn)生二氧化碳越多;

④碳酸鈉和稀鹽酸之間的反應(yīng)是分步進(jìn)行的.

2 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

2.1 內(nèi)容改進(jìn)方案

教材中“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)”是一個(gè)定性實(shí)驗(yàn),筆者通過層層遞進(jìn),將其設(shè)計(jì)為定量實(shí)驗(yàn).

(1)使用壓強(qiáng)傳感器測定在密閉體系中的壓強(qiáng)變化情況,作為判斷產(chǎn)生氣體速度快慢的重要依據(jù).

(2)為了了解鹽酸與碳酸鈉溶液反應(yīng)的本質(zhì),需使用到酸式滴定管與pH傳感器.

2.2 實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)方案

碳酸氫鈉、碳酸鈉、鹽酸溶液、燒杯、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、試管與配套活塞、滴定計(jì)數(shù)器、pH采集器、磁力攪拌器、針筒注射器等器材.

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程改進(jìn)方案

2.3.1直奔主題,吸引關(guān)注

根據(jù)物質(zhì)分類,二者均屬鹽,鹽能與鹽、酸、堿等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng).按照強(qiáng)酸制弱酸原理,碳酸氫鈉與碳酸鈉都會與鹽酸發(fā)生反應(yīng),得到的產(chǎn)物都有二氧化碳.將實(shí)物展示出來,提出問題:消防滅火使用的滅火器里裝的是碳酸氫鈉還是碳酸鈉呢?學(xué)生在觀察物質(zhì)后,可以得出結(jié)果,即碳酸氫鈉.泡沫滅火器原理是:二氧化碳能滅火.基于速率角度激發(fā)學(xué)生繼續(xù)思考:為什么泡沫滅火器會選擇碳酸氫鈉呢?學(xué)生猜想:碳酸氫鈉和酸之間的反應(yīng)速度更快.

師生開展互動討論,鹽酸和碳酸氫鈉、碳酸鈉反應(yīng)都有氣體產(chǎn)生,而產(chǎn)生氣體速度的快慢會對壓強(qiáng)的改變速度產(chǎn)生影響[5].

考慮到實(shí)驗(yàn)中控制變量的方法,設(shè)計(jì)第二個(gè)實(shí)驗(yàn):在密閉空間當(dāng)中,選擇三支試管,第一支作為空白對照組,加入2 mL蒸餾水;第二支加入碳酸鈉0.1 mol/L,第三支加入0.1 mol/L碳酸氫鈉溶液,分別往三支試管中加入5 mL濃度為0.1 mol/L的鹽酸.另外,快速用橡皮塞塞緊試管,通過壓強(qiáng)傳感器觀察壓強(qiáng)的變化,采用數(shù)據(jù)采集器繪制曲線.根據(jù)圖像能夠明顯發(fā)現(xiàn),曲線斜率最大的是碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的試管.這表明在相同時(shí)間內(nèi),鹽酸和碳酸氫鈉反應(yīng)得到的二氧化碳?xì)怏w速率更大,反應(yīng)速度更快.

在得到這一認(rèn)識之后,讓學(xué)生學(xué)會寫相關(guān)化學(xué)方程式.

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中,逐層深入,讓教學(xué)過程層層遞進(jìn),不顯得過于突兀.學(xué)生在提出猜想——尋找證據(jù)——得到證實(shí)的過程中,找到正確的思維方式.同時(shí)也持續(xù)落實(shí)所必須要掌握的基礎(chǔ)知識,讓學(xué)生學(xué)會寫相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式.

2.3.2定量分析,繼續(xù)拓展

按照兩種物質(zhì)和鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式發(fā)現(xiàn),碳酸鈉所需的鹽酸數(shù)量更多,是否是因?yàn)榉磻?yīng)速率慢呢?可否增加鹽酸量來驗(yàn)證呢?再設(shè)計(jì)第三個(gè)實(shí)驗(yàn):先選擇相同濃度0.1 mol/L,相同劑量10 mL的碳酸氫鈉與碳酸鈉溶液,逐滴加入鹽酸,進(jìn)行磁力攪拌.通過pH傳感器獲取溶液的pH變動情況,記錄產(chǎn)生氣泡時(shí)的pH以及所消耗的鹽酸量.

根據(jù)得到的結(jié)果圖像,發(fā)現(xiàn)在pH為8左右時(shí),碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)才會出現(xiàn)氣泡,之前并無氣泡,鹽酸和碳酸鈉的比例接近1∶1;pH在8.24時(shí),碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)出現(xiàn)氣泡,繪制得到的圖像曲線和碳酸鈉溶液反應(yīng)曲線吻合程度很高.結(jié)合上述結(jié)果,可以認(rèn)為碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)屬于分階段開展,即:

3 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果

實(shí)驗(yàn)中證明了碳酸氫鈉的反應(yīng)速度要更快一些,也能更快產(chǎn)生二氧化碳,提高滅火的速度.也說明了泡沫滅火器使用該物質(zhì)的化學(xué)原理.

在這次教學(xué)當(dāng)中,采用了實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合,圖形與數(shù)字結(jié)合的方法.這對學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提升與化學(xué)學(xué)科能力的提升都有重要的促進(jìn)作用.另外,優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)更重視師生之間的互動,教師巧妙設(shè)計(jì)問題,引導(dǎo)學(xué)生去觀察、分析和解決問題,也引導(dǎo)學(xué)生積極質(zhì)疑,啟迪創(chuàng)新思維.已有的教學(xué)結(jié)果也證實(shí),只要精心設(shè)計(jì)問題情境,學(xué)生的探索意識、思維興趣等都能得到很好的激發(fā).而且優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)不管是問題設(shè)計(jì)還是具體的實(shí)驗(yàn)開展都遵循了循序漸進(jìn)的原則,重視學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,讓學(xué)生在逐步掌握知識的過程中,去探索更深層的問題,從而培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)性和判斷性思維.