CO2與NaOH溶液反應的探究教學實踐

洪 濤

(云南大學附屬中學，云南 昆明 650031)

2022年4月21日，教育部發布了《義務教育課程方案和課程標準(2022年版)》。其中，《義務教育化學課程標準(2022年版)》明確了“化學觀念”“科學思維”“科學探究與實踐”“科學態度與責任”四個方面的核心素養發展要求。對應核心素養提出了初中化學課程目標為：形成化學觀念，解決實際問題;發展科學思維，強化創新意識;經歷科學探究，增強實踐能力;養成科學態度，具有責任擔當。

科學探究是指用科學的方法進行探索，究其原因，解決問題。在教學中，引導學生經歷科學探究的一般過程，包括：提出問題、形成假設、設計并實施實驗或調查方案、獲取證據、分析解釋數據、形成結論及建構模型、反思評價及表達交流等要素[1]。初中化學教學主要通過觀察和實驗等科學方法獲取證據、基于證據進行分析推理及形成結論[2]，以增進學生對科學探究的理解，發展學生科學探究的能力。

發展科學思維要求引導學生，初步學會運用觀察、實驗、調查等手段獲取化學事實，能初步運用比較、分類、分析、綜合、歸納等方法認識物質及其變化，形成一定的證據推理能力;能從變化和聯系的視角分析常見的化學現象，能以宏觀、微觀、符號相結合的方式認識和表征化學變化;初步建立物質及其變化的相關模型，能根據物質的類別和信息提示預測其性質，并能解釋一些簡單的化學問題等[3]。

1 問題的提出

CO2與NaOH的反應，是在學習常見的堿的化學性質時的一個重要反應，教材中沒有要求進行演示實驗，只是讓學生與CO2和Ca(OH)2的反應進行類比，寫出相應的化學方程式。這樣，學生缺乏真實感知。教師正好以此為契機引導學生大膽質疑，探究CO2與NaOH溶液是否發生了化學反應，并進一步創設情境，探究實驗室露置于空氣中的NaOH溶液是否變質，變質程度如何，如何除去雜質。教師引導學生從真實的學習情境中發現問題，展開討論，在解決化學問題的同時形成和發展認識化學知識的思路與方法，體現從學習具體知識到建構化學觀念再到形成科學思維的過程。

2 教學過程

1)創設情境，引發質疑

[教師]PPT展示如圖1，寫出圖中兩個反應的化學方程式。

圖1 CO2分別通入澄清石灰水和NaOH溶液

[學生]Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

[教師]兩個反應的現象是什么？你判斷的依據是什么？

[學生]因為生成的CaCO3難溶于水，CO2通入澄清石灰水會產生渾濁;因為生成的Na2CO3易溶于水，CO2通入NaOH溶液無明顯現象。

[教師]現象是否如此？我們用事實來告訴大家。演示實驗：分別把CO2通入澄清石灰水和NaOH溶液，澄清石灰水中產生白色渾濁，NaOH溶液中無明顯現象。憑借產生白色渾濁判斷CO2與澄清石灰水發生了化學反應，那憑借什么判斷CO2與NaOH溶液發生了化學反應呢？

設計意圖：通過看圖寫化學方程式，發展同類遷移能力，通過反應現象的預測，培養依據物質的性質推測反應現象的能力，通過演示實驗培養實證意識，鼓勵大膽質疑。

2)提出問題，展開探究

[教師]PPT展示如圖2，請同學們以小組為單位討論：如何驗證CO2與NaOH發生了化學反應？簡述你設計的實驗方法，并說明設計的理由。

圖2 探究CO2與NaOH溶液是否發生了化學反應

設計意圖：引導學生經歷科學探究各個環節，增進對科學探究的理解，發展科學探究的能力。引導學生自主思考、討論交流、合作分享，發展學生評價、反思、改進實驗方案的能力，培養核心素養。

①方案一

[學生]可以取CO2與NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入無色酚酞溶液，若酚酞溶液不變紅，說明溶液不呈堿性，可以得出CO2與NaOH發生了化學反應的結論。

[教師]請大家以小組進行討論，該同學設計的實驗方案是否合理？

[學生]首先，通入的CO2不一定能把NaOH反應完，若NaOH有剩余，剩余的NaOH也能使酚酞溶液變紅，這是不嚴謹;其次，即便NaOH反應完了，生成的Na2CO3屬于鹽，其溶液不一定是中性的，如果Na2CO3溶液呈堿性也會使酚酞溶液變紅，這是不合理。

[教師]Na2CO3溶液是否呈堿性？我們用事實來告訴大家！演示實驗：取Na2CO3溶液于試管中，滴入無色酚酞溶液，觀察到溶液變為紅色。根據實驗事實可知，即便CO2與NaOH溶液發生了化學反應，生成了Na2CO3，溶液仍然呈堿性。所以，我們不能用無色酚酞溶液檢驗CO2是否與NaOH發生了化學反應。

設計意圖：一部分學生通過物質名稱，錯誤的認為Na2CO3溶液呈酸性，一部分學生通過物質類別，Na2CO3屬于鹽，錯誤的認為Na2CO3溶液呈中性，我們通過實驗事實，改變學生慣勢思維，讓學生在認知沖突中加深印象，培養嚴謹思維的習慣;同時，通過反應物NaOH是否有剩余的質疑，引導學生認識化學反應既要考慮定性，還要考慮定量，養成全面、完整思考問題的習慣。

②方案二

[學生]可以取CO2與NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入足量的稀鹽酸，產生氣泡，說明溶液中有Na2CO3，可以得出CO2與NaOH發生了化學反應的結論。

[教師]請大家以小組進行討論，該同學設計的實驗方案是否合理？

[學生]合理的，若沒有發生化學反應，溶液中的NaOH與稀鹽酸反應是不會產生氣泡的，若發生了化學反應，生成的Na2CO3與稀鹽酸反應會生成CO2，CO2逸出，可以觀察到產生氣泡。

[教師]是否如我們同學所預測一樣，我們用事實來告訴大家。演示實驗：分別取NaOH溶液、CO2與NaOH溶液作用后的溶液于試管中，滴入足量的稀鹽酸，觀察到NaOH溶液中無明顯現象，CO2與NaOH溶液作用后的溶液中產生氣泡。根據實驗事實可知，CO2與NaOH反應生成了Na2CO3，所以，我們可以用稀鹽酸來檢驗CO2是否與NaOH發生了化學反應。

設計意圖：引導學生學會通過檢驗生成物的存在驗證反應發生，通過比較NaOH和Na2CO3性質的差異點，找到檢驗Na2CO3的方法，并通過實驗驗證，培養實證意識。

[教師]我們從微觀角度來分析一下，為什么可以用稀鹽酸來檢驗CO2是否與NaOH發生了化學反應？板書分析推理如圖3。

圖3 微觀角度分析如何檢驗CO2與NaOH溶液是否發生了化學反應

[學生]CaCl2溶液、BaCl2溶液等含有Ca2+或Ba2+的溶液，若觀察到產生白色沉淀，說明CO2與NaOH反應生成了Na2CO3。

③方案三

[教師]請同學們思考圖4實驗將產生什么現象？產生該現象的原因是什么？能否驗證CO2與NaOH發生了化學反應？

圖4 向集滿CO2的軟塑料瓶中倒入NaOH溶液

[學生]現象：塑料瓶會變癟;原因：NaOH溶液消耗CO2，使瓶內氣壓小于外界大氣壓，所以塑料瓶變癟;能驗證CO2與NaOH發生了化學反應。

[教師]現象是否如我們同學所預測的一樣，我們用事實來告訴大家。進行如圖的演示實驗……，觀察到塑料瓶變癟。僅憑塑料瓶變癟就得出CO2與NaOH發生了化學反應的結論，是否嚴謹？是否有同學存在質疑？如何排除質疑？

[學生]NaOH溶液中有水，CO2溶解于水也會使瓶內氣壓減小，要排除水的干擾，可用等體積的水進行同樣的實驗，對比塑料瓶變癟的程度。

[教師]我們用事實來告訴大家！進行如圖5的演示實驗……。觀察到塑料微微變癟，遠沒有圖4實驗變癟程度大，說明水溶解CO2不能使塑料瓶變得那么癟，由此可以得出CO2與NaOH溶液發生了化學反應。

圖5 向集滿CO2的軟塑料瓶中倒入水

設計意圖：引導學生認識化學反應生成新物質的同時反應物也在被消耗，通過驗證反應物被消耗也可以驗證化學反應的發生，體會化學與物理(壓強)學科間的交叉，學會通過對比實驗排除干擾因素的方法。

④遷移拓展，學以致用

[教師]遷移拓展如下，請同學們討論后完成以下問題：

問題1.預測如圖6所示的兩個實驗可能產生什么現象。

圖6 兩個實驗

問題2.對于無明顯現象的化學反應，可以從哪幾個角度驗證反應的發生。

問題3.實驗室中的NaOH溶液應該如何保存。

針對問題1，在學生預測現象后，教師進行演示實驗，驗證學生的預測;針對問題2，教師引導學生從檢驗生成物的存在和驗證反應物被消耗兩個角度進行思考;針對問題3，學生可以回答出，需要密封保存，以防止NaOH和空氣中的CO2反應而變質。

設計意圖：學以致用，通過趣味實驗激發了興趣，鞏固了對化學反應消耗氣體造成氣壓變化的認識;通過總結，建立驗證無明顯現象的化學反應的思路和方法，建立解決此類問題的思維模型;通過NaOH的化學性質的學習，聯想它的保存方法，為NaOH的變質探究做好鋪墊。

3)進一步探究 發展高階思維

[教師]PPT展示如圖7。提出問題：該瓶溶液是否變質？請同學們充分討論，作出猜想，思考各種猜想的溶質成分是什么物質？如何利用所給試劑設計實驗驗證自己的猜想？(提供試劑：稀鹽酸、澄清石灰水、CaCl2溶液、酚酞溶液，提供資料信息：CaCl2溶液、BaCl2溶液呈中性)

圖7 實驗室中一瓶未蓋瓶塞的NaOH溶液

設計意圖：引導學生經歷因素更多、思維更復雜的探究，發展學生的猜想能力和實證意識，培養學生對實驗方案的設計、討論與評價能力。

[學生]在教師的引導下，學生討論分析后，猜想如表1。

表1 對NaOH溶液變質情況的猜想

[教師]探究是否變質的關鍵是檢驗哪種物質的存在？

[學生]關鍵檢驗是否存在 Na2CO3，可以考慮加入足量酸或含有Ca2+(Ba2+)的溶液，若產生氣泡(白色沉淀)，則說明已變質。

[教師]若確定已經變質，探究變質程度的關鍵是檢驗哪種物質的存在？

[學生]關鍵檢驗是否還存在NaOH，可以滴加無色酚酞溶液，若溶液變為紅色，則說明還有NaOH，為部分變質，若溶液仍為無色，則說明沒有NaOH，為完全變質。

[教師]該設計是否合理？

[學生]不合理，Na2CO3溶液呈堿性，也會使無色酚酞溶液變紅。

[教師]Na2CO3的存在將對NaOH的檢驗產生干擾，要檢驗是否存在NaOH需要先除去Na2CO3，請同學們思考，除去Na2CO3的試劑選擇哪種物質？稀鹽酸？澄清石灰水？CaCl2溶液？請大家充分討論，分別予以評價。

[學生]要除去Na2CO3，若選擇使用稀鹽酸，加入的稀鹽酸會先與NaOH反應，將造成后面檢驗不到NaOH的“假象”;若選擇使用澄清石灰水，加入的Ca(OH)2與Na2CO3反應生成CaCO3沉淀和NaOH，生成的NaOH將干擾NaOH的檢驗;若選擇使用CaCl2溶液，首先CaCl2能與Na2CO3反應生成CaCO3沉淀，生成的NaCl溶液為中性不會干擾NaOH的檢驗，其次，CaCl2不與NaOH反應且CaCl2溶液為中性，不會影響NaOH的檢驗。所以，應該選擇加入足量的CaCl2溶液。

在教師的引導下，同學們設計了實驗的步驟，預測了對應的現象及結論。如表2所示。

表2 探究NaOH溶液的變質情況

[教師]是否如我們同學所預測的一樣，我們用事實來告訴大家！進行演示實驗，觀察到產生白色沉淀，溶液變為紅色。我們可以得出什么結論？

[學生]猜想2成立，該瓶NaOH溶液部分變質。

設計意圖：引導學生以探究目的為導向，對不同層次的問題進行分析推理，找到關鍵問題和解決問題的關鍵點，討論評價，實驗驗證，去偽存真，培養利用化學知識解決問題的能力，發展核心素養。

[教師]遷移拓展如下，請同學們討論后完成以下問題：

問題1.上述實驗中能代替CaCl2溶液的是( )

A.稀硫酸 B.Ba(OH)2溶液 C.BaCl2溶液

問題2.要除去部分變質的NaOH溶液中的Na2CO3，可采用的方法是？

問題3.舉例說明在空氣中會與空氣成分發生反應而變質的物質？

設計意圖：舉一反三，遷移拓展，學以致用，用以促學，學用相長。

4)課堂小結

[教師]請同學們談一談自己的收獲和存在的疑惑。

設計意圖：從知識、方法、能力、素養四個角度引導學生進行總結，以“輸出”鞏固“輸入”;同時，保留疑惑，為后續學習進行鋪墊，讓學生對化學學習保持興趣和好奇心，鼓勵學生大膽質疑，勇于探索。

3 教學反思

“四先四后”給學生的思維發展留出了時間和空間。一是先思考、后回答。當教師提出問題后，首先要求學生自主思考，對一些有挑戰性的問題，學生一時沒有思路時，教師進行了適當鼓勵、啟發、引導，一部分思維敏捷的同學可能已經知道了答案，教師則要求他們不要提前“劇透”，“穩住”他們，給全體學生思考的機會。二是先討論后結論。對于設計的任務，教師要求小組內進行討論后再發言，對于學生回答的問題，教師先不做評判，也不下結論，而是讓其他學生進行討論、評價，是否合理？能否改進？理由或依據是什么？……三是先學生后教師。放手讓學生評價學生，讓學生發展學生，只要學生能解決的問題，教師都做一個忠實傾的聽者、學習者、仰慕者，很多時候學生的思考不局限于教師的設想，會出現有創見性的回答，對我們的教學有很好的啟發，是很好的課堂生成。四是先預測后實驗。在教師進行演示實驗前，先讓學生對可能出現的情況進行預測，這樣可以充分調動學生主動思考，讓學生養成用化學的視角看物質看變化的習慣，課上經常聽到教師說“是否如此？我們用事實來告訴大家”，這樣能很好地利用學生預測與實驗事實的矛盾，引發認知沖突，引起學生的探究意愿和學習興趣，培養了學生的求真精神和實證意識，讓學生體會到“實驗是化學的最高法庭”。

教學活動設計基于真實情景，知識結構層層遞進，邏輯層次清晰。塑料瓶變癟、氣球膨脹、噴泉等實驗設計新穎，現象明顯，較好地體現了趣味性和學科融合。課上教師利用探究式教學、啟發式教學、講授式教學、實驗演示教學充分發揮了教師的主導作用，充分體現了教師是學生學習的陪伴者、學生活動的參與者、學生發展的促進者。

教學過程充分體現以學為主的教學理念。教師緊扣CO2與NaOH反應，進行了兩個探究，學生利用實驗探究法、小組交流討論法、分析歸納法，充分發揮了學生主體作用。通過教師創設的真實情景，提出問題，學生自主猜想假設、設計實驗方案、交流討論、評價改進、反思拓展，教師實驗演示，讓學生感受真實情景、培養實證意識。教師鼓勵學生質疑，鼓勵學生討論，鼓勵學生評價，充分尊重學生的認知，讓學生對問題的思考，由淺至深，從感性到理性，從片面到全面，從局部到整體，由低階到高階，讓學生的思維從廣度和深度得到了發展。