探究氯化鐵溶液灼燒的變化

摘要： 將浸泡過氯化鐵溶液的粉筆于酒精燈上灼燒，觀察實驗現(xiàn)象并解釋其原因，意外發(fā)現(xiàn)有黑色固體析出。引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究證實對黑色物質(zhì)形成的反應(yīng)機(jī)理的猜想。學(xué)生在真實的問題情景中經(jīng)歷實驗探究全過程，提高了發(fā)現(xiàn)問題的意識和探究能力。

關(guān)鍵詞： 水解；實驗探究；氯化鐵； 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 10056629（2018）2005004中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)是一門與實驗相關(guān)的自然科學(xué)，實驗探究是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)在要素，也是綜合培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的一種有效方法[1]。教學(xué)中利用實驗出現(xiàn)的意外現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，確定探究課題，設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，動手進(jìn)行實驗，觀察記錄分析實驗現(xiàn)象，評價與反思并最終獲得正確結(jié)論。學(xué)生親歷實驗探究的過程，在探究的過程中引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突和深度思考，激勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，并應(yīng)用化學(xué)知識解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，提高學(xué)生分析解決問題的能力。

1教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過實驗，理解將揮發(fā)性酸對應(yīng)的弱堿鹽溶液蒸干、灼燒的生成物，且能夠依據(jù)離子平衡原理加以解釋。

（2） 對比評價FeCl3溶液蒸干、灼燒實驗的兩套方案，掌握實驗方案評價的策略。

（3） 在解決問題過程中思考Fe2+和Fe3+檢驗、鐵的氧化物性質(zhì)知識的應(yīng)用。

（4） 借助改進(jìn)實驗意外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、猜想、設(shè)計方案、驗證、評價反思的過程建構(gòu)科學(xué)探究的思路和方法。

2教學(xué)過程流程

教學(xué)過程流程簡圖見圖1。

3教學(xué)過程

FeCl3、 AlCl3等鹽溶液蒸干會促進(jìn)水解，生成氫氧化物，灼燒得氧化物。教學(xué)中為了便于學(xué)生理解，對上述實驗進(jìn)行取證。

[教師演示]用傳統(tǒng)方式演示FeCl3水解相關(guān)實驗： 將大約20mL飽和FeCl3溶液先在蒸發(fā)皿中蒸發(fā)，再在坩堝中灼燒，觀察實驗現(xiàn)象。加熱溶液，溶液顏色由黃色變?yōu)榧t褐色，溶液蒸發(fā)后轉(zhuǎn)入坩堝中灼燒，固體顏色由紅褐色變?yōu)殍F銹色。

[教師講解]針對實驗耗時長、藥品用量大、污染環(huán)境的問題，介紹對上述實驗的改進(jìn)方法。

[學(xué)生實驗]將一只粉筆浸泡在FeCl3溶液中（濃稀均可），用坩堝鉗夾持粉筆于酒精燈上灼燒（圖2）[2]，隨著加熱時間的持續(xù)，可在1min內(nèi)觀察到粉筆表面顏色的變化： 黃色→紅褐色→鐵銹色→黑色。

[學(xué)生討論]實驗現(xiàn)象中前三種顏色出現(xiàn)的原因： FeCl3溶液水解生成Fe（OH）3， Fe（OH）3受熱分解為Fe2O3。

[教師提問]與傳統(tǒng)實驗相比較，改進(jìn)后實驗的優(yōu)點是什么？

[學(xué)生討論]操作簡單、耗時短、藥品用量少、節(jié)約、環(huán)保。

設(shè)計意圖： 學(xué)生親歷對實驗方案的評價過程，在實踐中學(xué)習(xí)化學(xué)實驗評價的要點即科學(xué)、簡約、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

[學(xué)生提問]為什么粉筆表面顏色最終變?yōu)楹谏亢谏镔|(zhì)是怎么生成的，成分是什么？

[教師指導(dǎo)]依據(jù)反應(yīng)物、反應(yīng)條件合理猜想可能發(fā)生的反應(yīng)，對黑色物質(zhì)是怎么生成的進(jìn)行猜想。

[學(xué)生討論]提出猜想： ①酒精不完全燃燒的碳；②酒精與粉筆灼燒的產(chǎn)物；③酒精還原Fe2O3得到的物質(zhì)。

[教師提問]如何設(shè)計實驗證實是猜想①、②？

[學(xué)生討論]實驗方案。

[學(xué)生實驗]把潔凈的粉筆置于酒精燈上灼燒，不會呈現(xiàn)黑色。實驗直接排除了猜想①和②。

[教師提問]如何設(shè)計實驗證實是猜想③酒精還原了Fe2O3可得到黑色物質(zhì)？

[學(xué)生討論]實驗方案。

[教師演示]酒精還原Fe2O3的實驗[3]： 如圖3，在密閉裝置中，將酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質(zhì)玻璃管中。先在粉筆處加熱，用酒精蒸汽排盡裝置中的空氣后，再在Fe2O3處加熱，約5min左右可以在硬質(zhì)玻璃管中觀察到紅色Fe2O3變成黑色。取下裝置中新制的Cu（OH）2加熱，觀察到新制的Cu（OH）2由藍(lán)色沉淀變成磚紅色沉淀。

[學(xué)生討論]酒精被氧化為乙醛并有黑色物質(zhì)生成，猜想③正確。

[學(xué)生提問]黑色物質(zhì)是什么？

[教師指導(dǎo)]類比酒精還原CuO實驗，圍繞反應(yīng)物（乙醇、Fe2O3），根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，進(jìn)行推理判斷。

[學(xué)生討論]提出猜想： 黑色物質(zhì)可能是單質(zhì)Fe、 FeO或Fe3O4。

[教師提問]如何設(shè)計實驗，探究黑色物質(zhì)是三種中的哪一種？（限選實驗儀器與試劑： 燒杯、試管、玻璃棒、藥匙、滴管、酒精燈、試管夾、吸鐵石、黑色粉末樣品、3mol·L-1 H2SO4溶液、 6mol·L-1 HNO3溶液、 3mol·L-1 HCl溶液、 0.01mol·L-1 KMnO4溶液、 20% KSCN溶液、蒸餾水）

[學(xué)生討論]實驗方案。

[學(xué)生實驗]實驗①： 取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引；實驗②： 在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后，固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生；實驗③： 取上述實驗②清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取實驗②清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學(xué)生討論]實驗①證明黑色物質(zhì)不是FeO，實驗②證明黑色物質(zhì)不是單質(zhì)Fe，實驗③證明既有Fe2+又有Fe3+，由此得出結(jié)論，黑色物質(zhì)是Fe3O4。

[學(xué)生提問]是否因反應(yīng)時間太短，導(dǎo)致了酒精只能將Fe2O3還原成Fe3O4？

[教師演示]如圖3，在密閉裝置中，用酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質(zhì)玻璃管中加熱，觀察到將紅色Fe2O3變成黑色后再持續(xù)加熱5分鐘使其充分反應(yīng)。取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引。在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生，取上述清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取上述清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學(xué)生討論]得出結(jié)論： 酒精將Fe2O3還原為Fe3O4，與反應(yīng)時間無關(guān)。

至此學(xué)生完成了探究歷程（圖4）：

[教師出示]信息資料： 鐵的氧化物有FeO、 Fe2O3和Fe3O4等。FeO是鐵的氧化物之一，其外觀呈黑色粉末，由氧化態(tài)為+2價的鐵與氧共價結(jié)合。FeO屬于非整比化合物，其中鐵和氧元素的比例會發(fā)生變化，范圍從Fe0.84O到Fe0.95O。FeO是一種黑色粉末，不穩(wěn)定，在空氣中加熱，可被氧化成Fe3O4，隔絕空氣加熱會歧化為Fe和Fe3O4。

[教師提問]根據(jù)信息酒精還原Fe2O3得到的產(chǎn)物Fe3O4會不會是由于FeO的不穩(wěn)定性而生成的？

[學(xué)生討論]酒精還原Fe2O3時先用酒精蒸汽排盡了空氣，是無氧氣環(huán)境加熱，故不會是由于FeO在空氣里加熱而被氧化成Fe3O4，又因為在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生，證明無單質(zhì)Fe，故不會是由于隔絕空氣加熱歧化為Fe和Fe3O4，由此得出結(jié)論酒精將Fe2O3還原產(chǎn)物只能是Fe3O4。

[教師講解]教師介紹X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD），并給出由河北大學(xué)化學(xué)實驗室對黑色產(chǎn)物測樣得出的產(chǎn)物表征圖及結(jié)果（圖5），圖5顯示了Fe3O4（曲線a）、Fe2O3（曲線c）及單質(zhì)Fe（曲線d）的XRD譜圖。從Fe3O4的XRD譜圖上可以看出35.3°、 43.0°、 56.9°和62.5°分別對應(yīng)于Fe3O4的（311）、 （400）、 （511）和（440）晶面（JCPDS NO. 190629）。Fe2O3 XRD曲線上的33.1°、 35.7°、 54.2°、 62.6°和64.5°分別對應(yīng)于Fe2O3的（104）、 （110）、 （116）、 （214）

圖5Fe3O4（曲線a）、酒精還原Fe2O3的產(chǎn)物（曲線b）、Fe2O3（曲線c）及單質(zhì)Fe（曲線d）的X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD）

和（300）晶面（JCPDS NO. 898103）。曲線d上44.9°的XRD衍射峰對應(yīng)于單質(zhì)Fe的（110）晶面（JCPDS NO. 870721）。由圖可知，酒精還原Fe2O3所得到的產(chǎn)物（曲線b），其XRD譜圖與Fe3O4一致，而與Fe2O3和單質(zhì)Fe的XRD譜圖明顯不同，進(jìn)一步證明了通過酒精還原Fe2O3得到的產(chǎn)物是Fe3O4。

設(shè)計意圖： 學(xué)生初步了解目前化學(xué)研究中常用的儀器分析，開闊了眼界。先進(jìn)科研手段對學(xué)生探究結(jié)論的進(jìn)一步證實，使得學(xué)生的成就感倍增。教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生嘗試科學(xué)研究，將科研的種子植于學(xué)生心中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、不斷創(chuàng)新、勇于質(zhì)疑、堅持不懈的品質(zhì)。

4教學(xué)反思

FeCl3、AlCl3等鹽溶液在蒸干時，會完全水解，生成的氫氧化物在灼燒后轉(zhuǎn)化為氧化物。對FeCl3溶液灼燒實驗進(jìn)行改進(jìn)發(fā)現(xiàn)得到黑色粉末的意外現(xiàn)象。由此，設(shè)計了本節(jié)的實驗探究課，希望讓學(xué)生通過實驗探究，認(rèn)識所發(fā)生變化的本質(zhì)，提高問題意識、探究意識和探究能力。事實證明，化學(xué)實驗的意外現(xiàn)象，能使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲、引發(fā)探究欲望，活躍思維。課堂上，教師要抓住契機(jī)，充分利用意外現(xiàn)象生成的教學(xué)資源，不搪塞敷衍，不主觀臆斷，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行探究。

本節(jié)的教學(xué)設(shè)計也說明，在教學(xué)實踐中，教師要注意將課本中現(xiàn)象不明顯、成功率較低、污染大、耗時長的實驗加以改進(jìn)，提高實驗的效果。教師示范演示實驗創(chuàng)新，對于培養(yǎng)學(xué)生問題意識、批判精神，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識也是一個很好的示范。本節(jié)教學(xué)采用問題驅(qū)動式的教學(xué)方法，學(xué)生按以下程序開展學(xué)習(xí)活動： 提出問題—確定任務(wù)—實驗探究—解決問題。課堂上80%以上的時間是學(xué)生講實驗、做實驗、交流討論，教師只起引導(dǎo)的作用，把課堂真正地還給學(xué)生。在討論評價環(huán)節(jié)，全體學(xué)生參加了每個問題的討論，學(xué)生在遇到實際問題時，通過討論、探究去尋找答案，充分體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，學(xué)會交流討論，增強(qiáng)團(tuán)隊精神。

參考文獻(xiàn)：

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