基于核心素养的初中化学学生变化观念的教学研究—如何证明反应的发生

李 燃

一、问题的提出

在初中化学的学习过程中，化学变化无疑是核心的一部分内容，落实发展学生变化观念的养成也是培养学生化学学科核心素养不可或缺的重要组成部分。在初中化学课程设置中，学生首先接触的一些化学反应都具有较为明显的实验现象，例如，大理石和稀盐酸的反应会产生大量的气泡，氢氧化钠溶液和硫酸铜溶液的反应会产生蓝色沉淀等，从而可以根据产生的实验现象来判断化学反应的发生。然而也存在着这样一些反应，没有明显的实验现象，在化学反应过程中不发光、不变色、无明显的热量变化、无沉淀生成、无气体生成，导致不易判断是否发生了化学反应。那么对于这样的化学反应该采取什么方法证明反应确实发生了呢？又是否可以将证明无明显实验现象出现而反应发生的思路和方法进行合理的整合，试着归纳出证明化学反应发生的一般方法呢？这些都是本文要讨论的内容。

二、教材内容分析及功能价值

1.教材中有明显实验现象的化学反应

在初中教材中存在着大量的化学反应，它们伴随着明显的实验现象，例如，产生大量气泡，生成难溶于水的沉淀，发生明显的颜色变化，发光或产生火焰等(见表1)。对于这些反应可以直接通过观察现象判断反应的发生。

表1 具有明显实验现象的初中教材化学反应

2.教材中无明显实验现象的化学反应

(1)二氧化碳和水的反应

二氧化碳和水的反应没有明显现象，需要借助紫色石蕊溶液的颜色变化来检验生成物碳酸，进而判断反应的发生。在这里首先要排除二氧化碳和水的干扰[1]，也就是要证明二氧化碳和水都不能使紫色石蕊溶液变红，即水和二氧化碳均不显酸性，而二氧化碳和水混合时可以使紫色石蕊变红，推理出生成了显酸性的新物质。本实验是通过证明生成物的出现证明化学反应发生的。

(2)酸碱中和反应

氢氧化钠与盐酸的反应是酸碱中和反应的一个典型代表，在反应过程中同样没有明显的实验现象，需要借助一些手段来证明反应的发生[2]。例如，用紫色石蕊溶液的颜色变化或者酚酞溶液的颜色变化证明盐酸的消耗或者氢氧化钠的消耗。也可以利用温度计测量反应前后溶液温度的升高体现反应过程中的能量变化，进而证明反应的发生。本实验是通过反应物的消耗和能量变化证明化学反应发生的。

同样也可以通过生成物证明反应的发生，例如，证明水的生成。但是由于溶液中原本就是有水的，因此必须要选择一个无水的体系来检验水的生成。利用固体氢氧化钠和冰醋酸进行反应，并用无水硫酸铜的变色指示水的生成这个实验。但是，由于冰醋酸有非常强烈的刺激性气味，且具有挥发性和一定的毒性，因此，在初做实验的时候，造成了较为严重的环境问题以及安全隐患。为了解决这个问题，笔者设计了如下的装置(如图1所示)：试管1中盛装无水硫酸铜，上边的注射器中事先装有冰醋酸；试管2 中盛装固体氢氧化钠和无水硫酸铜；试管3中盛装固体氢氧化钠和无水硫酸铜，上边的注射器中事先装有冰醋酸。

图1 实验装置设计

实验操作及现象如图2所示：试管1注入冰醋酸后无水硫酸铜仍不变蓝，证明冰醋酸中无水；试管2中无水硫酸铜未变蓝，证明固体氢氧化钠中无水；试管3注入冰醋酸后无水硫酸铜变蓝，证明固体氢氧化钠和冰醋酸接触后有水的生成，即反应生成了水。整个实验经改进后药品用量少，实验操作简单，实验现象对比明显，且由于冰醋酸是事先在通风橱中装入注射器的，且注射器可在使用前后保持密闭，因此该实验过程中并未出现刺激性气味，保证了教学环境的安全和舒适。

图2 实验现象观察

三、如何证明化学反应的发生—以氢氧化钠与二氧化碳的反应为例进行分析

本案例的研究内容是探究化学反应是否发生，是在学生对身边的化学物质主题中常见的化合物模块的知识初步复习，对科学探究主题中发展科学探究能力的要求初步训练之后，针对如何证明化学反应发生这个核心知识、高频考点进行分析和探究，旨在以此为依托，实现帮助学生整合知识体系，指导中考复习的目的，教学结构图如图3所示。

图3 证明氢氧化钠与二氧化碳的反应的教学结构图

在学习本节课之前，学生已较好地掌握了常见物质的性质，对一些化学反应的现象有所了解；具备了利用化学知识分析解决简单问题，观察实验现象，分析反应原理的能力；但是在设计实验解决问题的应用迁移能力，从个别到一般的思维提升上还有待训练和提高。针对学生的学习情况，制订了如下的教学目标和重难点(见表2)。

表2 教学目标及重难点

氢氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和水，该反应没有产生明显的实验现象，因此无法通过直接的观察来证明此反应确实发生了。为了证明化学反应的发生，必须要借助某些手段来体现反应物的消耗或者生成物的生成，进而证明反应的发生，例如，可以证明二氧化碳的消耗或者碳酸钠的生成。板书设计如图4所示。

图4 用实验证明氢氧化钠溶液和二氧化碳发生反应的板书设计

1.证明二氧化碳的消耗

众所周知，常温常压下二氧化碳是气态物质，恒容密闭装置内的二氧化碳被吸收后，压强会下降，进而会导致一系列的变化，例如，与装置相连接的气球会产生形变，U型管两侧液面会出现高低变化等。例如，图5a中的气球就会变鼓，图5b中的U型管液面会左高右低，图5c中右侧试管内水柱高度要高于左侧试管内的水柱高度。这些在装置中所产生的现象都可以间接地体现恒容密闭容器内二氧化碳的消耗，进而证明了反应的发生。

图5 证明二氧化碳消耗的实验

2.证明碳酸钠的生成

碳酸钠属于可溶性的碳酸盐，证明溶液中存在着碳酸钠的方法是初中化学的重点知识之一。方法为取少量反应后的溶液置于试管中，向其中滴加过量的稀盐酸或者稀硫酸，会产生气泡，将产生的气体通入澄清石灰水，若澄清石灰水变混浊，则证明反应后的溶液中存在碳酸钠，进而证明了氢氧化钠与二氧化碳的反应的发生。

3.为什么不证明氢氧化钠的消耗

氢氧化钠属于碱，其水溶液呈碱性，如果想证明它的消耗，往往需要通过指示剂的颜色变化来体现。但是对于这个反应而言，作为反应物的氢氧化钠和作为生成物的碳酸钠其水溶液均呈碱性，因此就不会在反应的过程中产生指示剂的颜色变化，也就无法通过碱性的消失来证明氢氧化钠参与了反应，即无法证明反应的发生。

四、探究化学反应发生的一般方法

对于没有明显实验现象的化学反应而言，可以从反应物的消耗和生成物的生成这两个角度来证明反应的发生。而在证明的过程中往往需要借助一些试剂和手段来间接地体现反应物的消耗和生成物的生成。例如，密闭容器的压强变化往往可以体现气体的消耗或者生成；酸碱指示剂的颜色变化往往体现酸性物质或者碱性物质的生成或者消耗；化学反应过程中往往伴随着能量变化，可以通过温度计来指示反应前后体系的温度变化进而体现化学反应的发生。当然，在进行相关实验的过程中也一定要注意排除一些可能存在的干扰。

除此之外，不仅这种无明显实验现象的反应的证明可以从这两个角度来思考，对于那些有明显实验现象的反应也可以认为是从这两个角度来思考的。例如，固体的消失和颜色的变化就可以认为是反应物消耗的一种表现，而气体的生成以及沉淀的生成就可以认为是生成物生成的一种表现。

因此，总结出判断化学反应发生的一般方法如图6所示。

图6 判断化学反应发生的一般方法