草酸與高錳酸鉀反應速率

孔瑩瑩

草酸相關知識是高考的熱點，在近五年各地高考題中均有涉及，考查的知識包括弱電解質的電離平衡、鹽的水解平衡、難溶電解質的沉淀溶解平衡、草酸的分解及有機合成制備等。其中影響草酸和高錳酸鉀反應速率的因素不僅是新課標的重點，而且在其研究過程中運用的控制變量法，作為科學探究中的重要思想方法，被廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗之中。

本課將教學目標和現代化教育手段有機結合，嘗試將曲線的繪制和控制變量法及定量分析引入教學，重點研究影響草酸和高錳酸鉀反應速率的因素，引導學生通過合作學習制定實驗方案，利用色度傳感器進行測量，對透光率與時間關系的曲線進行分析，從微觀角度分析推測曲線形狀的成因，計算反應速率，從而提高化學學科核心素養，培養科學探究與創新意識。

一、教學目標

1.知識與技能

了解草酸的相關性質，掌握影響反應速率的因素，能靈活運用控制變量的思想方法研究問題，有能力分析相關圖像并進行速率計算。

2.過程與方法

通過自主學習、啟發引導、合作學習研究草酸和高錳酸鉀反應速率影響因素，掌握控制變量的思想方法。

3.情感態度與價值觀

體會數字化實驗的引入對化學實驗的影響。提高實驗探究能力、信息整合能力與合作交往能力。

二、教學重點和難點

控制變量法的應用。

三、教學方法

啟發引導、自主探究、小組討論、多媒體展示、數字化信息實驗系統。

四、教學過程

課前預習：為學生推送草酸相關學習資料包，包括草酸的百科知識及近5年高考真題。學生根據資料構建草酸知識的思維導圖。

【設計意圖】通過信息平臺傳遞知識，學生在課前自主完成學習。在思維導圖繪制過程中，涉及到如何快速閱讀和整理信息內容，充分發揮學生學習的主觀能動性和創造天賦。

導入新課：情境導入。動畫片《大力水手》中的主角大力水手吃了菠菜會變強壯，創作者的靈感來自于當時的一篇報道。報道稱100g菠菜中含有35mg鐵，這個數值很高，以至于現在人們仍認為菠菜是補鐵佳品。但作者不知這篇報道點錯了小數點，菠菜的鐵含量被擴大了10倍。事實上，菠菜中鐵的含量只比其他蔬菜略高，而且其含有的大量草酸還會阻礙鐵的吸收。草酸有什么性質呢？

【設計意圖】從學生喜歡的動畫片入手，指出人們對菠菜補鐵的錯誤認識，引起共鳴，激發學生的興趣，推動課程進展。

學生活動：兩名同學和大家分享思維導圖（包括性質及相應高考考點）。

【設計意圖】學生之間相互溝通評價，更能引起思考，產生共鳴。根據“學習金字塔理論”，教別人可使知識留存率高達90%。

教師總結提升：總結評價學生的思維導圖，概括提升研究物質的三個角度，總結草酸考點，查找與新課標中重點的交叉點。

【設計意圖】以草酸為例建立研究物質角度的模型，培養模型認知素養。通過考點查找，使學生做到心中有數、知己知彼，引出對影響草酸和高錳酸鉀反應速率因素的研究。

提問：草酸與高錳酸鉀反應的原理是什么？影響該反應速率的因素有哪些？

【設計意圖】引導學生復習回顧。

學生活動：小組討論、設計實驗方案，研究溫度、各反應物的濃度對反應速率的影響，把方案繪制成一張表格（提供試劑：0.1mol/L 草酸溶液、0.005mol/L 高錳酸鉀溶液、2mol/L 硫酸溶液、蒸餾水）。

利用App進行投屏，展示學生的實驗方案，其他同學評價。

【設計意圖】小組合作能充分發揮生生間的相互交流、協作功能，培養學生的合作意識、團隊精神，讓學生由被動變為主動，把個人自學、小組交流、全班討論、教師指點等有機地結合起來，進而促使小組之間合作、競爭，激發了學習熱情，挖掘了個體學習潛能，增大了信息量，使學生在互補促進中共同提高。

教師總結提升：（借助表格1進行方法總結）當研究的變量因素有多種的時候，如果同時研究，不知道具體哪種因素導致了實驗結果。所以要控制將其中一個因素作為變量，其他因素保持一致，再進行研究，這種方法就是控制變量法。要運用該方法進行實驗方案的設計，首先要明確研究的變量因素有什么，然后選定參照實驗組，以該組實驗為參照組進行控制變量的研究。

提問：如何判斷各組與對照組相比反應速率的快慢？

教師總結：方法有很多種，對于有顏色的溶液體系，在某些情況下，可以通過褪色時間長短進行速率快慢的判斷。

追問：分別將第二組至第四組實驗與第一組實驗對比，比較反應時間;第五組實驗與第一組對比時，反應時間如何？為什么？

教師總結過渡：v=，前四組實驗△c一致，可以從△t判斷速率快慢。如果要借助時間反應速率的快慢，必須保證高錳酸鉀的量一致。但是第五組與第一組存在雙變量，需要通過具體的計算。反應時間需要測量。人眼觀察顏色褪盡存在較大誤差，用能提供精準數字的儀器進行測量。

【設計意圖】通過第一組和第五組對比，學生再次體會控制變量法的應用，強調高考易錯點。

演示實驗：教師和學生合作，利用數字化信息系統進行第一組和第五組的對比實驗。實驗過程中，教師介紹相關的儀器及原理。實驗結果如圖2。

學生活動：根據實驗圖像計算第一組和第五組反應速率。

【設計意圖】本部分利用數字化儀器色度傳感器進行實驗，把傳統的觀察顏色褪盡的定性實驗轉變成顯示透光率變為零時所用時間的定量實驗，目的是為了讓學生體會到數字化實驗的精確性、信息技術的先進性并對該反應的本質進行分析。

提問：曲線形狀和自己頭腦中的形狀是否相同？推測曲線形狀的成因，并設計實驗驗證假設。

【設計意圖】通過分析推理證實或證偽自己的假設，面對“異常”現象敢于提出自己的見解。培養學生的證據推理、科學探究與創新意識。

教師總結過渡：曲線形狀的成因可能是由于反應自身放熱，溫度升高速率逐漸加快，但是在實驗時，用溫度傳感器測定的反應溫度幾乎不變，這是因為反應物量很少，能及時與環境進行熱交換，溫度對速率影響很小;也可能隨著反應的進行，生成的錳離子對反應有催化作用，可以在反應開始前加入硫酸錳進行對比。

學生活動：利用0.01mol/L MnSO4溶液，繼續完善實驗方案，探究催化劑對反應速率的影響。

演示實驗：學生根據制定的實驗方案進行實驗驗證。

【設計意圖】學習的精髓是反復做重要的事情，尤其是自己做不好的事。多次利用控制變量的方法，鞏固強化。

教師總結：定量研究標志著化學成為一門真正的科學。我們要善于利用控制變量的研究方法，把多變量問題分解成單一變量問題進行逐一研究，然后再綜合解決。而且數字化信息實驗系統能為我們提供更加科學、精確的數據。拓寬了研究的領域，加大了研究的深度。

五、作業

Cr2O72-+3H2C2O4+8H+=6CO2↑+2Cr3++7H2O

若該反應速率方程可表示為

v=k.ca（Cr2O72-）.cb（H2C2O4）.cc（H+）

請你設計實驗方案（已知通過實驗能夠測定出任意時刻各粒子的濃度），思考至少制定幾組實驗方案能夠求出該反應的速率方程。