化學仿真軟件在堿金屬與水的反應(yīng)教學中的應(yīng)用*

◆姜正毅　吳曉紅　陳偉

化學仿真軟件在堿金屬與水的反應(yīng)教學中的應(yīng)用*

◆姜正毅吳曉紅陳偉

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.16.038

通過化學虛擬實驗軟件“鱷魚夾”對探究性實驗“堿金屬與水的反應(yīng)”進行虛擬仿真，通過宏觀現(xiàn)象、數(shù)據(jù)與曲線和微觀示意圖的呈現(xiàn)，對“堿金屬與水的反應(yīng)”的相似性與遞變性進行討論，一方面幫助學生建構(gòu)起反應(yīng)體系的微觀世界和對反應(yīng)體系進行認識，另一方面保證學生不會因為化學實驗中潛在的危險而受到傷害，從而更好地實現(xiàn)中學教學中探究性實驗的教學。

化學仿真實驗；中學化學；堿金屬與水的反應(yīng)

1　前言

在高中探究性實驗“堿金屬與水的反應(yīng)”的教學過程中，由于堿金屬化學性質(zhì)活潑，因此進行實驗時反應(yīng)速度快，現(xiàn)象不宜觀察且具有一定的危險性［1］；而且由于堿金屬Li和K非常活潑，因此在實際教學過程中無法用其進行實驗教學。在實際教學過程中，借助化學仿真軟件“鱷魚夾”展開探究式教學活動，不僅能夠有效地避免實驗安全事故的發(fā)生，防止學生被反應(yīng)生成的強堿腐蝕或灼傷，而且能夠有效地借助軟件中的宏觀現(xiàn)象、微觀示意圖和數(shù)據(jù)圖表的展示，幫助學生對該反應(yīng)的相似性與遞變性進行認知與學習。

2　實驗演示思路

根據(jù)《普通高中化學課程標準（實驗）》，本部分的教學要求學生能結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實驗事實認識元素周期律，了解原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系［2］。因此，在教學過程中采用探究式教學模式，運用“鱷魚夾”化學仿真軟件進行化學虛擬實驗“Li、Na、K與H2O反應(yīng)”的演示，然后借助軟件中虛擬實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖表和曲線的展示，引導(dǎo)學生理解與掌握三個反應(yīng)的相似性與遞變性。

實驗演示一：堿金屬與水反應(yīng)的相似性該實驗的演示采用分別演示Li與水反應(yīng)、Na與水反應(yīng)、K與水反應(yīng)的方式進行。

現(xiàn)以Li與水反應(yīng)為例，將實驗演示過程列舉如下。

其次，按下開始仿真按鈕，開始虛擬實驗演示，反應(yīng)過程中的變化如圖2和圖3所示。

如圖2所示，單質(zhì)Li在反應(yīng)開始一段時間后，開始產(chǎn)生氣泡并浮在水面上，由此表明單質(zhì)Li的密度小于水并且反應(yīng)產(chǎn)生氣體。對比圖2和圖1中的信息欄得知，反應(yīng)過程中產(chǎn)生Li+和OH-，只是由于濃度過小，因而沒有出現(xiàn)在微觀示意圖中，但說明該反應(yīng)過程中有離子參加反應(yīng)，根據(jù)“離子反應(yīng)”的定義，能夠得知該反應(yīng)屬于離子反應(yīng)；對比“氣體”一欄得知，反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體成分為H2；對比“液體和固體”一欄得知，反應(yīng)前液體和固體的溫度為25.00 ℃，反應(yīng)一段時間后液體的溫度為28.322 ℃，固體的溫度為29.056 ℃，由此說明該反應(yīng)過程中會放出熱量，表明該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)。

圖1　反應(yīng)前示意圖

圖2　反應(yīng)場景1

圖3　反應(yīng)場景2

如圖3所示，單質(zhì)Li在進一步與水反應(yīng)的過程中發(fā)生爆炸，由此說明Li與水的反應(yīng)是非常劇烈的，間接表明金屬單質(zhì)Li具有強還原性；對比圖1、圖2和圖3的原子示意圖以及信息欄得知，隨著反應(yīng)的進行，兩種離子濃度在逐漸增大，兩種離子經(jīng)歷了從無到有的反應(yīng)歷程；進一步對比圖2和圖3的“液體”和“固體”一欄得知，溫度隨著反應(yīng)的進行進一步升高，而且由于發(fā)生爆炸，使得部分單質(zhì)Li與氧氣發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生Li2O固體；對比圖2和圖3的“氣體”一欄得知，圖2中H2的體積為46.575 cm3，圖3中則為31.769 cm3，由于H2屬于可燃性氣體，能夠推測反應(yīng)發(fā)生爆炸的根源可能與H2有關(guān)。

綜上所述，Li與水反應(yīng)的實驗現(xiàn)象是Li浮在水面上并且不斷熔化，而且反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量氣泡并發(fā)生爆炸，向反應(yīng)后的溶液滴加酚酞試液之后，溶液變?yōu)榧t色；通過信息欄與微觀示意圖的對比能夠得知，產(chǎn)生的氣體為H2，并且該反應(yīng)過程中會放出熱量，屬于放熱反應(yīng)；而且由于該反應(yīng)過程中有離子參加，故該反應(yīng)也屬于離子反應(yīng)，反應(yīng)過程中產(chǎn)生Li+和OH-；隨著OH-濃度的增加，使得液體的酸堿性由中性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性。

圖4　反應(yīng)后示意圖

圖5　反應(yīng)狀態(tài)示意圖

總之，單質(zhì)Li因為其強還原性而與水反應(yīng)非常劇烈，反應(yīng)過程中產(chǎn)生強堿LiOH和H2。對于單質(zhì)Na與水反應(yīng)、單質(zhì)K與水反應(yīng)，也可采用上述的虛擬實驗演示與分析過程進行模擬仿真。

然后按下開始仿真按鈕，開始虛擬對比實驗演示，反應(yīng)過程中的變化如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

圖6　反應(yīng)場景1

圖7　反應(yīng)場景2

如圖6所示，K與水的燒杯中最先出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，溫度曲線最先呈現(xiàn)出急劇上升的趨勢，標志著該反應(yīng)的化學反應(yīng)速率最快；而Li與水和Na與水的燒杯中仍然處于產(chǎn)生大量氣泡的階段，Na與水反應(yīng)的溫度曲線僅僅是緩慢上升，Li與水反應(yīng)的溫度曲線并未發(fā)生明顯變化。由此可以說明K的金屬性強于Li和Na。

如圖7所示，繼K與水的燒杯中發(fā)生爆炸現(xiàn)象之后，Na與水的燒杯中也出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，其溫度曲線也呈現(xiàn)出急劇上升的趨勢；但此時K與水的反應(yīng)因單質(zhì)K的完全反應(yīng)而停止，其溫度曲線處于平衡不變的狀態(tài)；Li與水的燒杯中仍然處于產(chǎn)生大量氣泡的階段，其溫度曲線處于緩慢上升的階段。由此可以說明3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li。

如圖8所示，繼K、Na與水的燒杯中發(fā)生爆炸現(xiàn)象之后，Li與水的燒杯中也出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，其溫度曲線呈現(xiàn)出急劇上升的趨勢；而此時K、Na與水的反應(yīng)因單質(zhì)K、Na的完全反應(yīng)而停止，它們的溫度曲線表現(xiàn)出平衡不變的狀態(tài)。由此能夠進一步說明3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li。

如圖9所示，在反應(yīng)停止后，由溫度曲線觀察得知3種金屬與水的反應(yīng)均已達到平衡狀態(tài)。仔細觀察3條曲線不難發(fā)現(xiàn)，三者達到平衡的時間不同，K與水反應(yīng)的溫度曲線最先達到平衡，Na與水反應(yīng)的次之，Li與水反應(yīng)的溫度曲線最后才達到平衡狀態(tài)。由此生動直觀地說明3種金屬與水的反應(yīng)呈現(xiàn)出遞變性，也進一步證明了“3種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li”的實驗結(jié)論。

綜上所述，Li、Na、K三種金屬的金屬性由強到弱為K＞Na＞Li，其與水反應(yīng)的劇烈程度與化學反應(yīng)速率隨著3種金屬的金屬性的增強而增大，呈現(xiàn)出遞變性。

圖8　反應(yīng)場景3

圖9　反應(yīng)后示意圖

3　對教學的啟示

通過化學仿真軟件對以上實驗的演示，學生能夠直觀地對Li、Na和K分別與水反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，各自反應(yīng)體系當中微觀粒子的變化、溫度的變化、各成分量的變化等進行感性認識，隨后在教師的分析與總結(jié)中實現(xiàn)感性認識向理性認識的飛躍。

化學虛擬仿真實驗的使用，一方面能夠有效地幫助學生建構(gòu)起反應(yīng)體系的微觀世界和對反應(yīng)體系進行感性認識，達到化學學科要求學生能夠想象與建構(gòu)微觀世界的要求；另一方面也有效地避免了實驗安全事故的發(fā)生，防止學生因操作不當而被強堿腐蝕或者灼傷。因而將虛擬實驗系統(tǒng)引入中學課程教學，已經(jīng)成為中學實驗教學的一個發(fā)展趨勢，從而更好地實現(xiàn)中學教學中探究性實驗的教學［3］。

［1］唐久磊，張學軍，魏江明.自主探究性虛擬化學實驗設(shè)計：以堿金屬化學性質(zhì)探究為例［J］.化學教育，2014，35（17）：41-44.

［2］普通高中化學課程標準（實驗）［S］.北京：人民教育出版社，2001：12.

［3］楊濤.虛擬實驗在中學化學實驗教學中的應(yīng)用［J］.中國教育技術(shù)裝備，2015（13）：166-167.

TP391.9

B

1671-489X（2016）16-0038-03

*項目來源：2015年度寧夏回族自治區(qū)級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：20150188）。

作者：姜正毅，寧夏大學化學化工學院研究生，研究方向為學科教學（化學）；吳曉紅（通訊作者），寧夏大學化學化工學院，研究方向為課程與教學論；陳偉，寧夏大學教務(wù)處，研究方向為化學教學、科學教育等方面（750021）。