加強實驗創新 提高學習興趣
--以“自然界中的硫”為例

山東省博興第一中學(256500) 沈金龍 山東省博興縣第三中學(256500) 李 娜

1 教學內容分析

“硫的轉化”是魯科版必修1第3章第2節的內容,第1課時“自然界中的硫”是硫的轉化知識的核心之一。通過鐵及其化合物內容的探究,學生已初步建構研究物質性質的價、類二維視角,已具備一定的價-類二維思想。本課時旨在通過自然界中硫的轉化,讓學生認識硫元素的家族,構建含硫元素的價-類二維圖,從價-類二維的視角預測并驗證硫單質的化學性質,總結研究含同一元素物質間的轉化方法,為接下來“不同價態硫元素之間的轉化”“氮的循環”的學習做好鋪墊。

2 教學目標

(1)能從物質類別和元素價態兩個角度,對自然界中含硫物質進行歸類;能繪制價-類二維圖,建立認知模型,豐富研究物質性質的思路和方法,發展證據推理和模型認知的核心素養。

(2)能運用價-類二維圖,預測硫單質的化學性質,設計、實施實驗并能分析、解釋有關實驗現象,體會實驗對認識和研究物質性質的重要作用,形成證據意識,發展證據推理與模型認知、科學態度與創新意識的核心素養。

(3)認識硫磺的用途,感受化學與生活的密切聯系,體會化學在生產生活中的學科價值。通過綠色化學實驗設計,增強環保意識,發展科學態度與社會責任的核心素養。

3 教學實錄

引入:(PPT展示圖片):我們在焚燒麥秸時會聞到輕微的刺激性氣味,在倒垃圾的時候會聞到惡臭味,大家知道這是什么元素在搞怪嗎?其實這是硫元素,在焚燒麥秸時硫元素會變成含有SO2的刺激性氣味的氣體,食物腐爛時,在微生物的作用下,硫元素轉化成H2S等氣體,在生命體還有人體中,硫元素是常量元素,是生命元素,是構成細胞、蛋白質、氨基酸的基本元素,沒有硫元素就沒有生命,那么自然界中有哪些含硫元素的物質呢?這些物質又是如何轉化的呢?

設計目的:通過學生熟悉的生活常識導入本節課的學習,提高學生學習化學的興趣,體現化學的學科價值。

3.1 任務1:構建硫及其化合物的價-類二維圖

問題1:火山噴發時,大量的硫及其化合物噴涌而出,單質硫主要存在于火山周圍的地域中,以化合態存在的硫多為礦物。不同價態硫元素之間是如何轉化的呢?

問題2:尋找自然界中含硫的物質并根據物質的類別和硫元素的化合價,標注在學案價-類二維圖上。

學生:通過閱讀課本第97-98頁,了解自然界中含硫物質及含硫物質之間的轉化,獨立構建硫的價-類二維圖(如圖1)。

圖1 硫及其化合物的價-類二維圖[1]

交流研討1:利用硫的價-類二維圖分析推測,預測硫單質有哪些化學性質。

學生:首先獨立思考,根據價-類二維圖,從化合價的角度和物質類別的角度,分析預測硫單質的化學性質,獨立完成之后,小組之間互相交流,最后達成共識,完成硫單質的化學性質的預測(見表1)。學生展示最想通過實驗驗證的反應。

表1 學生預測硫單質的化學性質

設計目的:學生根據建構的價-類二維圖,提煉出研究物質性質的基本方法。

過渡:實踐是檢驗真理的唯一標準,下面我們就用實驗來驗證我們的預測。

3.2 任務2:探究硫單質的化學性質

實驗探究1:操作臺上有本實驗的實驗藥品和器材、液封除毒氣集氣瓶(盛有氧氣),酒精燈,硫粉。根據實驗步驟完成實驗并記錄實驗現象(如圖2)。

圖2 液封除毒氣集氣瓶及硫在氧氣中燃燒的現象

實驗步驟:①在燃燒匙內加入少量的硫粉,觀察硫粉的顏色和狀態;②將燃燒匙放在酒精燈上加熱,觀察硫粉狀態的變化;③持續加熱至燃燒,觀察火焰的顏色,迅速打開液封除毒氣集氣瓶玻璃蓋,將燃燒匙伸入,觀察火焰顏色。

實驗現象:①淡黃色固體;②硫粉由固體熔化成液體,硫單質的熔點低;③硫在空氣中燃燒,火焰呈淡藍色,在氧氣中燃燒,火焰呈藍紫色。

實驗探究2:操作臺上放有本實驗的實驗藥品和器材,其中,小試管中盛有鐵粉和硫粉混合物,根據實驗步驟完成實驗并記錄實驗現象(如圖3)。

圖3 鐵與硫粉反應的現象

實驗步驟:①向小試管中的棉花上滴加4～5滴0.5 mol/L的NaOH溶液;②將小試管放在酒精燈上加熱,先預熱,試管底部出現紅熱狀態時,撤去酒精燈,觀察發生的現象。

實驗現象:固體混合物持續呈紅熱狀態,劇烈反應,放出大量的熱。

學生:根據實驗步驟的提示,完成實驗,觀察實驗現象并記錄實驗現象,從而得到實驗結論,學生展示,其他同學補充,從而實現硫單質性質的驗證。

追問1:請同學們思考,對于硫單質與鐵粉的反應,為何不能生成Fe2S3?

學生1:根據氧化性的強弱F2>Cl2>Br2>Fe3+>I2>S,硫單質只能將鐵元素氧化為亞鐵離子。

學生2:根據氧氣與鐵反應,會生成二價的鐵,根據硫單質與氧氣的反應,可得硫單質的氧化性比氧氣氧化性要弱,所以鐵與硫單質反應生成的應該是硫化亞鐵[2]。

追問2:Cu與S化合的產物呢?

教師總結:教師首先肯定學生的回答,由于硫單質具有弱氧化性,與變價的金屬單質反應時,會生成低價態的硫化物。

設計目的:通過預測性質、實施實驗、觀察現象、得到結論、解釋現象,學生構建完整的研究物質性質的基本方法和價-類二維圖,學習鞏固硫單質的化學性質,發展證據推理和模型認知、微觀辨識和宏觀探析、科學探究和創新意識的化學核心素養。

追問3:與金屬單質化合體現了硫單質的氧化性,與活潑金屬鈉研磨就可實現; 如果不小心將水銀溫度計打碎了,可以用硫粉覆蓋處理,請同學們寫出相關方程式。

設計目的:化學與生活密切聯系,生活中處處有化學,發現化學的美,使更多的學生喜歡上化學。

學生:歸納總結硫單質的化學性質。

追問4:通過對硫單質化學性質的探究,請總結研究物質化學性質可以從什么角度著手?

設計目的:鞏固研究物質性質價-類二維視角的方法,幫助學生厘清思路和方法,總結提升,使學生的思路清晰化,最終達到能力的進階,發展學生的模型認知、科學態度和社會責任的化學核心素養。

追問5:同學們完成實驗后,教師在清洗試管時,遇到了一個問題,請同學們思考如何將試管壁上的硫清洗掉?

學生:用水清洗,發現硫不溶于水。

過渡:水是大家非常熟悉的溶劑,它可以包容萬物,但是我們實驗后,發現硫單質是不溶于水的,現在我給大家提供了乙醇和二硫化碳這兩種有機溶劑,請同學們根據實驗步驟完成實驗。

設計目的:知識問題化、問題情景化、情景生活化,基于真實問題的解決,激發學生的思考,解決現實問題。

3.3 任務三:認識硫單質的物理性質

實驗步驟:觀察試管中硫磺的顏色、狀態;然后分別向1號、2號、3號試管中加入2 mL水、乙醇、二硫化碳,振蕩試管,觀察硫固體是否溶解。

學生:完成實驗,觀察實驗現象,記錄實驗現象。

實驗結論:硫不溶于酒精,易溶于二硫化碳。

追問6:硫真的不溶于酒精嗎?下面請同學們再完成這個實驗,從2號試管中取出上清液于試管4中,向其中滴加3～4滴蒸餾水,觀察現象。

學生:開展實驗,分析實驗現象,得出結論:硫單質難溶于水,微溶于酒精,易溶于二硫化碳,清洗試管上的硫可以用二硫化碳。

設計目的:學生通過用酒精洗滌硫磺,無法從定性和定量的角度判斷出硫磺是否溶解,設計滴加到2號試管的上清液中,激發學生的認知沖突,加深學生對硫溶解性的再認識。

教師總結:由于二硫化碳有毒,在實驗室中常用氫氧化鈉溶液清洗試管壁上的硫磺,其原理是什么呢?

學生:從物質的類別角度,結合氯氣的化學性質,展示硫單質與氫氧化鈉的反應:

設計目的:從類維和價維的角度,解釋硫與氫氧化鈉反應的原理,凸顯價-類二維研究方法的價值。

學生活動11:結合實驗探究和課本內容,歸納總結硫單質的物理性質和用途,學生展示硫單質的物理性質(見表2)。

表2 學生總結硫單質的物理性質

設計目的:幫助學生整理硫單質的物理性質,從物理性質和化學性質2個方面認識硫單質,通過認識硫磺的用途,感受化學與生活的密切聯系,體會化學在生產生活中的學科價值。

總之,通過3個實驗任務,幫助學生構建、應用研究物質性質的思維模型。基于價態、類別兩個視角預測物質的性質,實驗驗證預測,得出結論,形成研究元素化合物的基本方法。從重視講授知識的完整性,上升為知識學習中重視學生化學觀念的建立和學科素養的培養,強化從價、類兩個視角學習物質性質的化學觀念培養。

4 教學反思

4.1 應用價、類視角,建構物質轉化的思路方法

學生能夠形成基于物質類別、元素化合價認識物質性質的角度和思路,即價類二維系統的元素觀,建立含硫元素的物質家族,建立含硫元素的物質之間轉化關系,應用轉化關系分析實際問題,形成知識結構和認識模型,從注重具體物質的性質和方程式的歸納總結到注重核心素養和能力的發展進階。

4.2 改進教材實驗,實現學生分組實驗

化學是一門自然科學,實踐是檢驗真理的唯一標準,學生通過設計實驗,完成實驗,觀察實驗現象,得出結論,符合學生的認知規律,加深學生對物質性質的理解。筆者就課本上的實驗進行改進,將課本中敞開的實驗環境改成相對密封的實驗條件,筆者就實驗的改進如下:①硫單質還原性實驗,裝置使用液封除毒氣集氣瓶,將硫的燃燒置于相對密封的環境中,該集氣瓶還可以防止二氧化硫有毒氣體外溢,保護師生安全;②硫單質氧化性的實驗,將硫粉和鐵粉放置于10 mm×100 mm的小試管內(防止在大試管內進行實驗,由于放熱多,試管受熱不均勻,試管炸裂),并且用玻璃棒將混合物壓實,盡可能減少硫單質與氧氣反應生成有毒的二氧化硫。

4.3 設計問題精準化、情景生活化

王祖浩教授認為:知識只是素養的媒介和手段,知識轉化為素養的重要途徑是情境,教師需要幫助學生構建從真實問題情境中學習的認識路徑。筆者在本節課的設計中,秉承“知識問題化,問題情境化,情境生活化”設計理念[3],如:垃圾桶附近為何會有惡臭味、水銀溫度計打碎之后的處理、試管內壁上的硫如何清理,讓學生感受到化學與生活的密切聯系,體會化學在生產生活中的學科價值。