巧借鄉(xiāng)土素材 助推實驗創(chuàng)新 提升學(xué)科素養(yǎng)

史培艷

摘要：為探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應(yīng)的劇烈程度的本質(zhì)，引導(dǎo)鄉(xiāng)村學(xué)生巧借鄉(xiāng)土素材，利用實驗室儀器紐裝實驗裝置進(jìn)行實驗探究;通過文獻(xiàn)查閱，實驗創(chuàng)新，融合布倫斯特酸堿理論、堿平衡常數(shù)、路易斯酸堿理論、路易斯堿結(jié)構(gòu)等分析CO3-、HC03與H+結(jié)合能力的證據(jù)。宏觀實驗、微觀分析、證據(jù)推理等相結(jié)合，得出碳酸氫鈉與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡劇烈程度強于碳酸鈉，碳酸氫鈉與質(zhì)子結(jié)合能力弱于碳酸鈉。

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)土素材;實驗創(chuàng)新;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);碳酸鈉;碳酸氫鈉

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0082-05

中圖分類號：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.023

化學(xué)實驗是化學(xué)教學(xué)重要手段，是課堂探究主要活動，是開展“素養(yǎng)為本”教學(xué)最有效的形式。教師通過引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新實驗，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察、質(zhì)疑、思考、分析、比較、抽象、概括等思維能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式改變，進(jìn)一步提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、問題的提出

1.教材中實驗

《碳酸鈉的性質(zhì)與應(yīng)用》是蘇教版《化學(xué)1》中專題2第二單元重點內(nèi)容之一，其中碳酸鈉、碳酸氫鈉性質(zhì)比較是本節(jié)課重點。如圖1裝置，將滴管中的濃鹽酸加入瓶中，觀察實驗現(xiàn)象。教材中Na2C03、NaHC03與酸反應(yīng)對比的觀點是“都放出C02氣體，但NaHC03與酸反應(yīng)的劇烈程度強于Na2C03”[1]。

存在問題是使用濃鹽酸與未知濃度的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液反應(yīng)，可能會出現(xiàn)反應(yīng)劇烈程度相似的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進(jìn)行性質(zhì)比較。

2.學(xué)生的疑惑

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求對碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質(zhì)進(jìn)行比較學(xué)習(xí)[2]。在比較學(xué)習(xí)過程中，有的學(xué)生疑惑：“同濃度Na2C03溶液的pH大于NaHCO3溶液的pH，說明Na2CO3與水電離的H+結(jié)合能力強于NaHCO3，Na2CO3、NaHCO3與酸反應(yīng)實質(zhì)是C03-、HCO3與酸電離出的H+反應(yīng)，則CO2-與H+反應(yīng)快，即Na2CO3與酸反應(yīng)的劇烈程度強于NaHCO3，只是微觀上反應(yīng)快肉眼看不到而已”。Na2CO3、NaHCO3與酸反應(yīng)的劇烈程度具體是指什么？

3.研究的現(xiàn)狀

通過文獻(xiàn)查閱，了解到很多一線教師對碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應(yīng)進(jìn)行實驗探索，對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的主要幾種類型裝置及實驗結(jié)論見表l。

4.本文的目的

自從波意耳提出現(xiàn)代化學(xué)，多數(shù)化學(xué)家認(rèn)為“化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)”。著名的化學(xué)教育家戴安邦先生也說過：“化學(xué)實驗教學(xué)是實施全面的化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式。”然而，量子化學(xué)的發(fā)展將化學(xué)帶入新時代，中科院上海有機所退休研究員、博導(dǎo)陳敏伯說：“化學(xué)不再是純實驗化學(xué)。”[15]通過本實驗創(chuàng)新、理論搜集、數(shù)據(jù)分析，讓學(xué)生了解化學(xué)是“實驗、理論、計算”于一身的科學(xué)。

鄉(xiāng)村中學(xué)沒有先進(jìn)的傳感器，更沒有能體現(xiàn)粒子之間反應(yīng)的設(shè)備。為了反映碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應(yīng)情況及反應(yīng)本質(zhì)，本研究目的是（1）利用實驗室的儀器、藥品和鄉(xiāng)土素材進(jìn)行實驗創(chuàng)新，在實驗過程中，學(xué)生仔細(xì)觀察并描述實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗結(jié)論;（2）搜集相關(guān)數(shù)據(jù)、理論、微觀結(jié)構(gòu)等證據(jù)，分析碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應(yīng)本質(zhì)，從宏觀和微觀角度準(zhǔn)確描述反應(yīng)的劇烈程度是指什么;（3）通過宏觀實驗、微觀分析、證據(jù)推理等，提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，見圖2。

二、實驗創(chuàng)新

1.實驗儀器及藥品

軟塑料藥瓶、注射器、輸液管、輸液用開關(guān)、紗布、用完的圓珠筆芯、鐵架臺、表面皿。

0.2mol/L碳酸鈉溶液、0.2mol/L碳酸氫鈉溶液、1.0mol/L檸檬酸溶液、飽和碳酸鈉溶液、飽和碳酸氫鈉溶液、酚酞、溴百里香酚藍(lán)、502膠水。

2.實驗裝置

改進(jìn)后的實驗裝置（圖3）：用軟塑料藥瓶作反應(yīng)器，用部分輸液管和圓珠筆芯做導(dǎo)管，導(dǎo)管上套醫(yī)用開關(guān)。導(dǎo)管有長短兩種，長導(dǎo)管伸入塑料藥瓶中，下端靠近塑料瓶底部，滴加檸檬酸溶液用;短導(dǎo)管剛伸人塑料瓶口，導(dǎo)氣用;導(dǎo)管另一端連接注射器。將裝置固定在鐵架臺上。

3.實驗操作及現(xiàn)象

（1）加料：向塑料藥瓶中加入約60.0mL 0.2mol/L碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，滴加2滴酚酞（酚酞變色pH范圍：←無色=8.2-粉紅-10.0-紅色→）。碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液分別呈玫瑰紅、粉色。內(nèi)側(cè)注射器分別取約30.0mL 1.0mol/L檸檬酸溶液，并使長導(dǎo)管充滿檸檬酸，趕走長導(dǎo)管中空氣，此時注射器中液面刻度值約為29.5mL。

（2）趕氣：關(guān)上連接裝有鹽酸注射器導(dǎo)管上的開關(guān)，打開連接用于收集氣體注射器導(dǎo)管上的開關(guān)，擠壓塑料瓶，趕走空氣，關(guān)上開關(guān)。塑料瓶未恢復(fù)到原來形狀，說明裝置的氣密性很好。

（3）粘布并染布：取下外側(cè)2支用于收集氣體的注射器的活塞，在活塞分別用502膠水粘上等大的白色紗布條。表面皿上加入約2mL飽和碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，并滴加2滴溴百里香酚藍(lán)，溶液分別呈藍(lán)紫色、藍(lán)色;將活塞上紗布分別浸泡在藍(lán)紫色、藍(lán)色溶液中。染色后，將活塞和紗布一起塞人注射器中，把活塞推至底部，趕走空氣，連接導(dǎo)管。過程如圖4。

（4）加酸：打開所有開關(guān)，同時向反應(yīng)器中緩慢加入約1.0mol/L檸檬酸（不揮發(fā)，制得CO2較純），反應(yīng)器中粉色消失快，并快速產(chǎn)生氣泡，反應(yīng)器鼓起，收集氣體的注射器活塞上移，藍(lán)色紗布（增大溶液與氣體的接觸面）快速變?yōu)榫G色后變?yōu)辄S色;另一反應(yīng)器中玫瑰紅逐漸變淺至無色，先無氣泡，后產(chǎn)生氣泡，反應(yīng)器緩慢鼓起，注射器中活塞緩慢上移，上移到頂后又緩慢下移，紗布條由藍(lán)紫色先變?yōu)樗{(lán)色，后藍(lán)色變?yōu)榫G色，上邊綠色變黃。如圖5。

（5）紗布變色分析：溴百里香酚藍(lán)也稱溴麝香草酚藍(lán)，是一種酸堿指示劑，變色pH范圍：←黃色-6.0-綠色- 7.6-藍(lán)色→，飽和碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液中滴加溴百里香酚藍(lán)分別呈藍(lán)紫色和藍(lán)色。在生物學(xué)中，根據(jù)溴百里香酚藍(lán)色澤差異顯著，顏色由藍(lán)變綠再變黃特點，常用來檢測CO2[16]。外側(cè)注射器中活塞上移快慢不同，裝碳酸氫鈉溶液對應(yīng)外側(cè)注射器活塞上移速度快，且藍(lán)色紗布變綠到黃變化快;裝碳酸鈉溶液對應(yīng)外側(cè)注射器活塞上移速度慢，且藍(lán)紫色紗布變綠慢，過一段時間，因CO2與碳酸鈉溶液反應(yīng)，內(nèi)壓減小，活塞又下移一部分。

4.實驗原理及結(jié)論

（1）反應(yīng)器中微觀原理

碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液與檸檬酸反應(yīng)，實質(zhì)是碳酸根、碳酸氫根水解產(chǎn)生的OH-優(yōu)先與檸檬酸電離的H+反應(yīng)，OH-濃度減小，使平衡不斷向水解方向移動，當(dāng)OH-消耗完，HCO3與H+反應(yīng)，生成H2CO3，因H2CO3不穩(wěn)定發(fā)生分解生成CO2。碳酸鈉溶液中OH-濃度大，結(jié)合質(zhì)子需要時間偏長，所以，碳酸鈉溶液中紅色褪色慢，產(chǎn)生氣泡慢。

（2）注射器中微觀原理

碳酸鈉溶液與CO2反應(yīng)，實質(zhì)是碳酸根水解產(chǎn)生的OH-優(yōu)先與碳酸電離的H+反應(yīng)，OH-濃度減小，使平衡不斷向水解方向移動，HCO3不斷增多，OH-被消耗。HCO3與碳酸不反應(yīng)，多余的CO2與水反應(yīng)，CO2+H2O==H2CO3=HCO3+ H+，碳酸電離程度強于碳酸氫跟水解程度，使溶液由原來堿性變?yōu)槿跛嵝浴?/p>

（3）實驗結(jié)論

同濃度、同體積的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液同時與酸反應(yīng)，NaHCO3與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡劇烈程度強于Na2CO3。CO3-能奪走H2CO3中H+，而HC03不能奪走H2CO3中H+，說明CO3-結(jié)合H+能力強于HCO3，即Na2C03結(jié)合質(zhì)子劇烈程度強于NaHCO3。 5.證據(jù)推理 根據(jù)物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化事實、堿平衡常數(shù)、粒子微觀結(jié)構(gòu)分析，比較Na2CO3、NaHCO3與酸反應(yīng)的本質(zhì)特征（表2）。

6.實驗創(chuàng)新之處

（1）形成封閉體系，使用軟塑料藥瓶，便于擠壓，趕走空氣，打破常規(guī)排空氣法收集氣體。

（2）使用檸檬酸代替鹽酸，CO2氣體中不會有氯化氫氣體，收集的CO2較純。

（3）根據(jù)同時逐次加入檸檬酸，溶液、紗布顏色變化、活塞移動現(xiàn)象，對比性強，便于對比分析宏觀現(xiàn)象差異原因。該實驗裝置實現(xiàn)檸檬酸分別與碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液反應(yīng)和CO2與碳酸鈉溶液反應(yīng)的一體化。

（4）根據(jù)布倫斯特酸堿理論即質(zhì)子理論，利用堿常數(shù)分析碳酸鈉、碳酸氫鈉接受質(zhì)子能力;根據(jù)路易斯酸堿理論，利用路易斯結(jié)構(gòu)分析，碳酸鈉、碳酸氫鈉給予電子對的數(shù)量有差異，CO3-路易斯結(jié)構(gòu)中孤電子對數(shù)比HCO3中多一對，CO3-比HCO3更易接受質(zhì)子。利用證據(jù)分析、推理，通過結(jié)構(gòu)模型解釋反應(yīng)本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（5）根據(jù)宏觀辨識和微觀探析，得出碳酸氫鈉與酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡劇烈程度強于碳酸鈉，但碳酸鈉接受質(zhì)子劇烈程度強于碳酸氫鈉。

三、實驗反思

從生活中學(xué)習(xí)化學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生把生活知識和理論知識融合進(jìn)行實驗創(chuàng)新，巧借鄉(xiāng)土素材，助推實驗創(chuàng)新對比分析。學(xué)生在真實實驗情境中親身體驗學(xué)習(xí)過程，宏觀上理解物質(zhì)性質(zhì)差異，微觀上掌握了微粒變化的本質(zhì)。文獻(xiàn)與實驗結(jié)合，進(jìn)行深度分析，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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