在比較中選擇在選擇中優(yōu)化

曹先　楊軍峰

摘要： CO2的實(shí)驗(yàn)室制取是初中化學(xué)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，探究的重點(diǎn)通常為CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，但對(duì)試劑的選擇、優(yōu)化較少涉及。本文依據(jù)“元素守恒”思想，結(jié)合化學(xué)史和實(shí)驗(yàn)對(duì)CO2實(shí)驗(yàn)室制取中藥品的選擇進(jìn)行多維度探究，突破知識(shí)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： CO2的實(shí)驗(yàn)室制取;元素守恒;藥品選擇;教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0090-03?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.024

一、問題的提出

CO2的實(shí)驗(yàn)室制取是九年級(jí)學(xué)生必須完成的八個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的內(nèi)容要求是：初步學(xué)習(xí) CO2的實(shí)驗(yàn)室制法

[1]即要求學(xué)生學(xué)會(huì)有關(guān)制取二氧化碳的方法，對(duì)制

取氣體的一般思路有基本了解，包括藥品的選擇、裝置的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的方法等[2]。實(shí)驗(yàn)室制取氣體的一般思路如圖1所示[3]：

在教學(xué)實(shí)踐中，教師大多聚焦于 CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，反應(yīng)原理的選擇，氣體純度、反應(yīng)條件以及反應(yīng)速率等，對(duì)于如何依據(jù)質(zhì)量守恒定律選擇藥品，如何依據(jù)藥品價(jià)格等對(duì)藥品進(jìn)行優(yōu)化關(guān)注較少[4]。基于以上認(rèn)識(shí)，筆者通過重構(gòu)教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了“實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的藥品選擇”的實(shí)驗(yàn)探究課。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）依據(jù)“化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變”，從常見物質(zhì)中挑選出實(shí)驗(yàn)室可以制取CO2的物質(zhì)，樹立元素守恒的思想。

（2）能結(jié)合藥品價(jià)格、狀態(tài)及反應(yīng)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)室可以制取CO2的藥品進(jìn)行篩選與優(yōu)化，增強(qiáng)學(xué)生節(jié)約成本、降低能耗等意識(shí)。

（3）通過物質(zhì)組成分析以及猜想假設(shè)、史料研讀、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等途徑，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.教學(xué)流程（見圖2）

三、教學(xué)實(shí)錄

環(huán)節(jié)一依據(jù)守恒探尋藥品

[回顧]實(shí)驗(yàn)室為什么選用KMnO4、KClO3、H2O2等試劑制取O2？

[學(xué)生]因?yàn)樗鼈兊慕M成中都含有氧元素，分解后都能生成氧氣。

[問題]C、NaCl、CaCO3、MgCO3、NH4Cl 這些物質(zhì)，哪些有可能用于制取CO2？你判斷的依據(jù)是什么？

[學(xué)生1]C、CaCO3、MgCO3可能會(huì)用于制取CO2。

[學(xué)生2]依據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不變，C、 CaCO3、MgCO3組成中都含有碳元素，可能會(huì)用于制取 CO2。

[問題]C如何生成CO2？該方法是否適用于實(shí)驗(yàn)室制取較為純凈的二氧化碳？為什么？

[學(xué)生1]碳和氧氣點(diǎn)燃后生成CO2。

[學(xué)生2]木炭還原氧化銅粉末生成CO2。

[學(xué)生3]碳和氧氣點(diǎn)燃后還會(huì)生成CO，得不到純凈的 CO2。木炭還原氧化銅粉末需要高溫條件，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣且耗能大。二者都不適合實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳。

[問題]CaCO3、MgCO3都含有碳元素，能否制取 CO2？

環(huán)節(jié)二通過史料感悟藥品

[問題]西晉張華在《博物志》中有“燒白石作白灰”的記載，就是將白石（主要成分是 CaCO3）加熱到900℃左右會(huì)有白灰（CaO）生成。請(qǐng)判斷還有別的物質(zhì)生成嗎？張華為什么沒有記載？你認(rèn)為該物質(zhì)可能是什么？

[學(xué)生1]依據(jù)元素守恒，不可能只生成CaO，還應(yīng)該有含碳的物質(zhì)生成。

[學(xué)生2]張華沒有說明可能生成了氣體。

[學(xué)生3]氣體可能是CO2，也可能是CO，還可能二者都有。

[問題]1755年，英格蘭化學(xué)家布萊克做了類似實(shí)驗(yàn)，將白堊（主要成分是 CaCO3）煅燒，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減了44%。你認(rèn)為氣體是什么？理由是什么？白堊煅燒的化學(xué)反應(yīng)方程式如何書寫？

[學(xué)生1]氣體是 CO2。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，假如白堊的質(zhì)量為100份，則其完全煅燒后會(huì)生成56份質(zhì)量的CaO，若生成氣體是CO2，質(zhì)量正好是44份。這與布萊克實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。

[學(xué)生2]白堊（石灰石）煅燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為 CaCO3 CaO+CO2↑

環(huán)節(jié)三對(duì)比分析優(yōu)化藥品

[問題]事實(shí)證明煅燒 MgCO3也會(huì)發(fā)生類似煅燒 CaCO3的反應(yīng)（分解溫度為700℃），它們的市場(chǎng)參考價(jià)：500 g碳酸鎂374元，500 g碳酸鈣20元。你會(huì)選擇哪一種藥品？

[學(xué)生1]還需要考慮試劑的價(jià)格。

[學(xué)生2]從價(jià)格的角度考慮，實(shí)驗(yàn)室制取 CO2最好選擇白堊（石灰石）。

[問題]用高溫煅燒白堊（石灰石）的方法是否適合實(shí)驗(yàn)室制取CO2？

[學(xué)生1]實(shí)驗(yàn)室常用的加熱儀器是酒精燈，火焰的最高溫度為500℃，不能達(dá)到反應(yīng)的要求。

[學(xué)生2]如此高的溫度需要耗費(fèi)大量的能源且不安全，不適合實(shí)驗(yàn)室制取CO2。

[問題]實(shí)驗(yàn)室制取 CO2氣體還需考慮反應(yīng)的條件。如果選擇價(jià)格相對(duì)便宜的白堊（石灰石）作為制取CO2的藥品之一，我們?cè)撊绾巫屗谳^為溫和的條件下放出CO2氣體呢？下面是生活中常用的補(bǔ)鈣劑及相關(guān)信息（見圖3）。

仔細(xì)觀察后猜想：難溶于水的碳酸鈣中的鈣元素是如何被人體吸收的？

[學(xué)生1]應(yīng)該是碳酸鈣和胃液中的稀鹽酸發(fā)生了反應(yīng)，生成了可溶物被人體吸收了。

[學(xué)生2]從不良反應(yīng)“噯氣，胃腸脹氣”等推測(cè)有 CO2氣體產(chǎn)生。

[演示]碳酸鈣D3顆粒與稀鹽酸反應(yīng)并驗(yàn)證產(chǎn)生的氣體是CO2。

[學(xué)生]大理石與稀鹽酸確實(shí)發(fā)生了反應(yīng)，生成的氣體能使澄清石灰水變渾濁，證明是CO2氣體。

[問題]廚房中的純堿（主要成分 Na2CO3）與碳酸鈣的組成有何相似之處？你認(rèn)為碳酸鈉與稀鹽酸可以反應(yīng)產(chǎn)生CO2嗎？

[學(xué)生1]都含有碳酸根離子（CO -）。

[學(xué)生2]它們的組成相似，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生CO2。

[分組實(shí)驗(yàn)]Na2CO3粉末、CaCO3粉末、塊狀大理石分別與稀鹽酸反應(yīng)。觀察反應(yīng)速率的快慢。

[學(xué)生1]都有 CO2生成，但使用 Na2CO3粉末與 CaCO3粉末產(chǎn)生CO2的速率很快，不利于收集氣體。

[學(xué)生2]塊狀大理石產(chǎn)生CO2的速率適中，有利于收集氣體。實(shí)驗(yàn)室可以用塊狀大理石和稀鹽酸反應(yīng)制取CO2。

[問題]塊狀大理石和稀鹽酸屬于“電性”反應(yīng)，即正價(jià)元素與負(fù)價(jià)元素結(jié)合。化學(xué)反應(yīng)方程式如何書寫？

[學(xué)生1]CaCO3+2HCl〓CaCl2+H2O+CO2↑。

[學(xué)生2]從藥品的來源、價(jià)格的低廉、操作的簡(jiǎn)便性和安全性等多方面考慮，在實(shí)驗(yàn)室里，稀鹽酸與塊狀大理石反應(yīng)的速率適中，最適宜做實(shí)驗(yàn)室制取CO2的原料。

四、教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)質(zhì)量守恒定律在眾多化學(xué)物質(zhì)中快速篩選出實(shí)驗(yàn)室制取CO2的合適藥品，強(qiáng)化學(xué)生的“元素守恒”思想，幫助學(xué)生構(gòu)建氣體制取中藥品選擇的思維模型，通過對(duì) CO2發(fā)現(xiàn)史中部分史料的分析，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行分析推理的能力。通過對(duì)比 CaCO3、MgCO3、Na2CO3組成和結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)它們?cè)谝欢l件下都可以產(chǎn)生CO2，滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的基本觀念，學(xué)生從微觀層面認(rèn)識(shí)物質(zhì)的水平得到提高。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，既適當(dāng)拓展了教材內(nèi)容，有利于學(xué)生掌握知識(shí)、開闊視野，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，學(xué)生真正學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室制取氣體時(shí)如何選擇試劑。

總之，CO2的實(shí)驗(yàn)室制法是鞏固和深化氣體物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室制取的思路和方法、訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能及發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的重要載體[5]。教師在教學(xué)中應(yīng)該充分挖掘其中蘊(yùn)含的學(xué)科價(jià)值與學(xué)科思想，在引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)科知識(shí)、基本技能、基本方法的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

參考文獻(xiàn)

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[5]楊梓生，吳菊華，林紅梁.初中化學(xué)教材與教學(xué)微研究（上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2017.