“尿不濕及其活性成分的探究”教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號:1005-6629(2010)07-0042-04 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

1設(shè)計(jì)思想

綠色高吸水樹脂是人教版新教材《選修5(有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ))》最后一節(jié)“功能高分子材料”的重要內(nèi)容，單純作為科普介紹課堂易顯單調(diào)而空洞，作為綠色高吸水樹脂的代表物——尿不濕，學(xué)生既熟悉又陌生，讓學(xué)生對探究日常生活用品尿不濕及其活性成分很容易產(chǎn)生認(rèn)知興趣，而且經(jīng)過了較為完整的有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之后，學(xué)生已經(jīng)具備了探究尿不濕中的活性成分的知識基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)，因而，本節(jié)課宜定位為以學(xué)生實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探究教學(xué)。通過對尿不濕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的分析，將探究的問題回歸到生活實(shí)際，激發(fā)了課后繼續(xù)探究的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2 教學(xué)過程

[回顧與思考]上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了合成纖維的“六大綸”，其中有一種纖維材料因具有較好的吸水性，被稱為“人造棉花”，它是什么物質(zhì)?

[學(xué)生] 維綸，聚乙烯醇。

[教師] 維綸具有吸水性的原因是什么?

[學(xué)生] 高分子中含有大量的親水基團(tuán)——羥基。

[設(shè)置問題情境] 聚乙烯醇因具有較好的吸水性，曾被用來制造“尿不濕”，那么現(xiàn)在嬰兒廣為使用的尿不濕的吸水材料還是不是聚乙烯醇呢?

(設(shè)計(jì)意圖:從學(xué)生的已有知識引入，貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，容易產(chǎn)生認(rèn)知共鳴，進(jìn)而創(chuàng)設(shè)問題情境，一氣呵成。)

[實(shí)驗(yàn)探究] 尿不濕填充物和棉花的鑒別和吸水能力的比較

[分組實(shí)驗(yàn)1] 仔細(xì)觀察分別盛有0.5 g棉花和尿不濕填充物的燒杯，初步鑒別。

[觀察交流] 外觀相似，棉花的體積明顯大得多，仔細(xì)觀察，尿不濕填充物中有小顆粒。

[分組實(shí)驗(yàn)2] 在燒杯中分別加入25 mL的水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬箪o置，觀察現(xiàn)象。

[觀察交流] 棉花中明顯看見水，尿不濕填充物“棉花”狀逐漸消失，體系呈凝膠狀。

[教師演示] 迅速將課前準(zhǔn)備的盛有尿不濕填充物的加水燒杯倒置，無水流出。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論] 尿不濕填充物的吸水性比傳統(tǒng)吸水劑棉花要強(qiáng)得多。

(設(shè)計(jì)意圖:分組實(shí)驗(yàn)1，對比觀察實(shí)驗(yàn)，相似性為后續(xù)小組討論創(chuàng)設(shè)情境，細(xì)微差異性的發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生細(xì)致觀察的能力;分組實(shí)驗(yàn)2和演示實(shí)驗(yàn)，淋漓盡致地展現(xiàn)尿不濕填充物的高吸水性，尤其是教師演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的出乎意料，給同學(xué)留下了深刻的印象)

(教學(xué)反思:上述教師演示實(shí)驗(yàn)的成功效果，需要在尿不濕填充物中加水幾分鐘之后進(jìn)行，教師課前準(zhǔn)備好，課堂演示，節(jié)省了教學(xué)時(shí)間。由于等一會兒學(xué)生自己也能做，因此，學(xué)生對教師演示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，異常驚奇又深信不疑，這樣的精心設(shè)計(jì)對其他的慢速實(shí)驗(yàn)也可借鑒。)

[問題討論] 尿不濕中的填充物是“人造棉花”嗎?

[學(xué)生] 應(yīng)該不是，“人造棉花”和棉花的吸水性應(yīng)該較接近。

[教師] 為什么?

[學(xué)生] 因?yàn)榫垡蚁┐己屠w維素分子中都是平均每兩個(gè)碳原子擁有一個(gè)羥基。

[投影] 棉花與“人造棉花”的吸水性分析(圖1):

[思考與交流]是什么樣的強(qiáng)親水基團(tuán)使得尿不濕填充物具有高吸水性?

[分解思考1]常見親水性基團(tuán)有哪些?

[學(xué)生]-OH、-COOH等。

[分解思考2]如何增加它們的親水性?

[學(xué)生]將其變成鈉鹽。

[分解思考3]有證據(jù)表明改良后的基團(tuán)親水性增加了嗎?

[學(xué)生]苯酚鈉、苯甲酸鈉在水中的溶解度比苯酚、苯甲酸大。

[實(shí)驗(yàn)探究] 聚丙烯酸鈉吸水性的研究

在盛有0.5克聚丙烯酸鈉的燒杯中加入25 mL水，用玻璃棒充分?jǐn)嚢韬箪o置，觀察現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]靜置后呈凝膠狀，倒置后無液體流出。

[思考與交流]如何理解聚丙烯酸鈉的高吸水性?

[學(xué)生]離子與水分子之間的靜電作用比羧基與水分子之間的氫鍵要強(qiáng)得多。

[投影]帶有正電荷的鈉離子和帶有負(fù)電荷的羧酸根離子的親水性比氫鍵要強(qiáng)得多。

[實(shí)驗(yàn)探究]尿不濕中的填充物是聚丙烯酸鈉嗎?

在兩支試管中分別放入少量的聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，加入5 mL蒸餾水，分別滴加酚酞試液，觀察現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]聚丙烯酸鈉溶液中加酚酞試劑顯紅色，尿不濕填充物溶液中滴加酚酞試劑不顯色。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]尿不濕中的填充物不是聚丙烯酸鈉。

[資料在線]尿不濕填充物聚丙烯鈉通過保留一些羧基而使其接近中性。

[思考]尿不濕填充物中為何要保留部分羧基，使其接近中性?

[學(xué)生]接近中性刺激性小、安全、舒適，適于嬰兒的嬌嫩皮膚。

(設(shè)計(jì)意圖:本實(shí)驗(yàn)就教材提出的尿不濕填充物的活性成分——聚丙烯酸鈉展開探究，體現(xiàn)了用教材的思想，課堂探究的結(jié)論令同學(xué)和聽課教師感到意外，但仔細(xì)想來，應(yīng)更加感激產(chǎn)品設(shè)計(jì)師對嬰兒的一片關(guān)愛之情。)

[觀察與思考]用玻璃棒擠壓棉花、聚丙烯酸鈉和尿不濕填充物，觀察比較它們的保水性。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]保水性強(qiáng)弱次序:尿不濕填充物 > 聚丙烯酸鈉 > 棉花

[分組討論]人們想了怎樣的辦法來增強(qiáng)高吸水材料的保水性的呢?

[小組交流](1)親水基團(tuán)含量越多、親水性越強(qiáng)，保水性越好。

(2) 適度交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

[思考與交流](1)下列綠色高吸水樹脂的交聯(lián)劑是什么?交聯(lián)的原理是什么?

[學(xué)生] 丙三醇， ，通過酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。

[教師] 除了丙三醇通過酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)外，還有其他的交聯(lián)原理，請看思考2。

[思考與交流] (2)下列綠色高吸水樹脂的交聯(lián)劑是什么?交聯(lián)的原理又是什么?

[學(xué)生]，

通過加聚反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。

(教學(xué)反思:尋找交聯(lián)劑是教學(xué)難點(diǎn)，教師要充分了解學(xué)生的已有知識，實(shí)際教學(xué)中思考題的順序與本設(shè)計(jì)相反，結(jié)果表明學(xué)生對酯化反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)很容易解答。對通過加聚反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)，只有極個(gè)別學(xué)生有思路，因而本設(shè)計(jì)將其對調(diào)。)

[思考與交流] 上述交聯(lián)劑為何不用更簡單的交聯(lián)劑如:乙二醇、1，3-丁二烯?

[學(xué)生] 上述交聯(lián)劑中還含有親水性的基團(tuán)，如:-NH-、-OH。

[思考與交流] 請解釋高吸水樹脂的吸水機(jī)理。

[分解討論1] 吸水前，高吸水樹脂呈什么狀態(tài)?

[學(xué)生] 高分子網(wǎng)絡(luò)是固態(tài)網(wǎng)束，未電離。

[分解討論2] 吸水中，高吸水樹脂有何變化?

[學(xué)生] 首先水分子通過氫鍵與樹脂分子鏈上的大量親水基團(tuán)發(fā)生水合作用，親水基團(tuán)離解。

[分解討論3] 電離產(chǎn)生的陽離子和陰離子都能自由移動(dòng)嗎?

[學(xué)生] 陽離子鈉離子能自由移動(dòng)，陰離子羧酸根離子固定在高分子鏈上不能自由移動(dòng)。

[投影、講解] 電離產(chǎn)生的陰離子固定在高分子鏈上，陰離子之間的排斥作用使高分子網(wǎng)束張展，形成孔穴。

[分解討論4] 陽離子能在整個(gè)體系中自由運(yùn)動(dòng)嗎?

[學(xué)生]應(yīng)該不會，因?yàn)殛庪x子不能自由移動(dòng)，如果陽離子在整個(gè)體系中自由運(yùn)動(dòng)，則從燒杯中取一些溶液出來， 溶液中將只有鈉離子而帶電，這是不可能的。

[講解]為了維持溶液的電中性，陽離子不會向外部溶劑擴(kuò)散，導(dǎo)致可移動(dòng)陽離子在樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的濃度增大，從而造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓。水分子通過滲透壓作用不斷向網(wǎng)內(nèi)滲透，隨著水的滲透，網(wǎng)內(nèi)離子濃度逐漸減小，滲透壓逐漸減小。同時(shí)，三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張也產(chǎn)生相應(yīng)的彈性收縮力，逐漸抵消陰離子的靜電斥力，最終達(dá)到吸水平衡。

(設(shè)計(jì)思想:將高吸水樹脂的較復(fù)雜的吸水機(jī)理按吸水過程分解成幾個(gè)相對簡單的問題，結(jié)合學(xué)生討論和教師講解共同完成，這是對傳統(tǒng)講授式教學(xué)的一種改進(jìn)。)

(教學(xué)反思:高吸水樹脂的吸水機(jī)理，教材不作要求，但能預(yù)見教學(xué)時(shí)學(xué)生很可能提出這樣的問題，實(shí)際教學(xué)時(shí)學(xué)生也確實(shí)提出了高吸水樹脂是如何吸水、保水的問題，因而花些時(shí)間深入淺出的作些討論是值得的。)

[實(shí)驗(yàn)探究]請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)驗(yàn)說明高吸水樹脂的吸水主要原因之一是聚電解質(zhì)的離子滲透壓。

[設(shè)計(jì)方案1]通過對比實(shí)驗(yàn)比較高吸水樹脂分別在蒸餾水中、生理鹽水中的吸水能力。

[設(shè)計(jì)方案2]在已吸水的高吸水樹脂中加入少量食鹽固體，觀察該樹脂是否失水。

[分組實(shí)驗(yàn)]請按小組討論的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

方案1現(xiàn)象:高吸水樹脂分別在蒸餾水中的吸水能力顯著大于生理鹽水中的吸水能力。

方案2現(xiàn)象:樹脂明顯失水，燒杯中出現(xiàn)大量的鹽水。

[過渡設(shè)置情境]除了具有高吸水性、安全、舒適的尿不濕填充物之外，尿不濕產(chǎn)品中還有哪些輔助材料，它們又應(yīng)具有怎樣的功能?

[小組討論]至少還應(yīng)有內(nèi)外兩層，相當(dāng)于構(gòu)成一個(gè)容器，內(nèi)層緊靠嬰兒皮膚應(yīng)當(dāng)很舒適，最好具有單向透水性，外層要求相對較低，但也應(yīng)舒適、不透水。

[學(xué)生演示]打開一個(gè)尿不濕實(shí)樣，仔細(xì)觀察尿不濕的結(jié)構(gòu);并就尿不濕的內(nèi)層和外層進(jìn)行相關(guān)的簡單驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

[教師]綠色高吸水樹脂作為一種新型功能高分子材料因其高吸水能力、高保水能力、重復(fù)吸水能力以及高度的安全無毒性，近年來在國民經(jīng)濟(jì)及人們生活中發(fā)揮了越來越重要的作用，尿不濕只是一個(gè)典型的實(shí)例，請同學(xué)們課后通過相互討論、網(wǎng)絡(luò)搜索等方法進(jìn)一步了解它的應(yīng)用。