基于实际问题解决的实验方案设计的教学实践

卞海燕

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）指出要充分认识化学实验的独特价值，引导学生综合运用所学的化学知识和技能，进行实验设计和实验操作，分析和解决与化学有关的实际问题。

1教学主题内容与学情分析

高三化学复习实验方案设计部分，化学知识上涉及物质的转化、反应条件的控制、反应物的加料顺序、物质的分离提纯、离子检验等等内容，包括很多化学反应、实验设计以及实验操作。考察方式往往是真实情境下的不同复杂和陌生程度的问题解决，学生需要先从物质转化的角度总体上设计路线，再灵活选用合适具体的实验操作用文字输出。

学生在复习过程中主要存在的问题有：（1）对知识的理解不到位，如对于结晶的认识停留在氯化钠是蒸发结晶，氯化钾是降温结晶，没有提升到对结晶的本质理解层面。（2）缺乏分析解决问题的一般思路，在实验设计中不能准确的给出合理的实验路线。（3）传统的教学过程，学生在学习过程中往往被动，参与性不强。

基于以上问题，通过课堂教学如何调动学生课堂的积极主动性，提升学生对相关知识的理解，使实验设计中琐碎知识结构化，同时形成物质制备的一般思维模型，是亟待解决的问题。

2知识的教学价值

废铁制品是学生生活中非常熟悉的物品，有资料显示我们国家钢铁制品报废和浪费每年4亿吨左右，而硫酸亚铁铵用途非常广泛。如何以废铁屑制备硫酸亚铁铵，这是一个真实而富有意义的问题，引导学生讨论以废铁屑制备硫酸亚铁铵的具体实验设计为例，可以解决相关知识的碎片化问题，促使学生的知识功能化、思维路径化，感受真实而又有用的化学。

3 教学目标

进一步认识、巩固过滤、结晶、洗涤等基本实验操作和规范。

通过具体综合性问题的分析，认识物质制备的基本流程并学习构建基本的思维模型。

通过废铁屑的再利用以及定量测定产品的纯度等活动，发展科学态度和社会责任。

4教学流程

5教学过程

5.1实际问题的确立——如何从废铁屑制备得到纯净干燥的硫酸亚铁铵

引入真实情境：机械厂在加工机械时会产生大量铁屑，这些废料大多数厂家都把它们当做废品处理掉。硫酸亚铁铵用途十分广泛，可用做净化剂、媒染剂，医药中用于治疗缺铁性贫血，更是制备其他铁化合物的原料。如何用这些废铁屑或者其他废弃的铁制品生产化工原料或化学试剂，真正做到变废为宝，提高资源的利用率，是我们化学人需要研究的问题。

问题1：结合已有物质转化的相关知识，思考如何从铁转化为硫酸亚铁铵，写出相关物质转化流程或方程式？

学生：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑;FeSO4+（NH4）2SO4=（NH4）2Fe（SO4）2

问题2：工业上使用的废铁屑中常含有少量油污、S、P等其他不溶性杂质。若以此制备纯净干燥的硫酸亚铁铵，请设计合理的生产方案并简要画出实验流程图。（试剂自选）

信息1：S、P在与稀硫酸反应时会生成有毒气体H2S、PH3等

信息2：硫酸亚铁铵是浅蓝色晶体，100～110℃分解，溶于水不溶于乙醇，常温下稳定。

活动1：学生独立完成实验流程图。

信息3：

学生独立完成生产方案，画出流程图。

学生小组讨论，完善方案。

展示学生典型方案，教师把每个步骤标上序号①②③④：

废铁屑→铁屑→硫酸亚铁→硫酸亚铁铵

5.2分解問题1——从废铁屑到硫酸亚铁

教师问：请大家从原料、操作两个角度在这基础上提出你的改进意见，并说出依据，先看第①②个环节。

学生1：废铁屑需要用碳酸钠洗去表面的油污，碳酸钠水解呈碱性。

学生2：用热的饱和碳酸钠溶液，加热条件下促进碳酸钠的水解，提高去油污的速率。

学生3：硫酸是不是需要确定浓度？浓度太大铁会钝化，浓度太低，反应速率太低。

学生4：可以适当加热，也能提高废铁屑的溶解速率。

教师提供资料卡：硫酸的浓度约为3.3mol/L，一般温度控制在80℃进行。

学生5：搅拌可以增大铁屑和稀硫酸的接触面积，提高铁屑的溶解速率。

学生6：硫酸应该加过量。

学生7：硫酸分批加到没有气泡为止。

教师小结：废铁屑要用热的碳酸钠溶液浸泡除去表面的油污，倾倒掉浸泡液。再分批加入3.3mol/L的硫酸溶液，小心加热到80℃，不断搅拌至没有气泡产生，停止加硫酸。

第③个环节，我们先请同学说出你的想法，为什么通入NaOH溶液中，然后其他同学说说你的想法，同时说出你的依据。

学生8：把产生的H2S、PH3气体通入NaOH溶液，是利用了非金属气态氢化物可以和碱反应生成盐。

学生9：我觉得也把溶解过程中产生的H2S、PH3气体通入高锰酸钾里，利用气体的还原性，可以用高锰酸钾氧化，这样生成硫、磷的盐

教师小结：两种方法都可以，一个是利用的非金属气态氢化物的同性，一个是利用了-2价硫、-3价磷的还原性。

教师提供资料卡2：为防止环境污染，将酸溶生成的气体用CuSO4溶液吸收，其中PH3被CuSO4氧化为H3PO4，同时又紫色固体生成。H2S和CuSO4生成硫酸以及CuS沉淀。

5.3分解问题2——从硫酸亚铁到纯净干燥的硫酸亚铁铵

教师：第④步有没有需要改进的？

学生10：加多少硫酸铵呢？

学生11：适量

学生12：怎么判断适量呢？

学生13：不知道

教师提供资料卡：在500ml烧杯中加入26.4g硫酸铵和240ml水，搅拌下溶解后加入硫酸亚铁55.6克。

教师：加入计算量的硫酸铵固体。这样得到的产品有没有满足题设的要求？

学生14：这样得到的只是硫酸亚铁铵的溶液，要得到纯净干燥的硫酸亚铁铵，还需要蒸发浓缩，降温结晶，过滤、洗涤、干燥？

学生15：要用蒸发结晶，不能用降温结晶。因为硫酸亚铁铵的溶解度和另外两个物质相比较小，且变化不大。

学生16：根据硫酸亚铁铵的信息，硫酸亚铁铵是浅蓝色晶体，100～110℃分解，溶于水不溶于乙醇，应该用乙醇洗涤，100℃以下干燥。

5.4分解问题3——硫酸亚铁铵纯度的检验

教师提供资料卡3：将硫酸亚铁铵溶液小心缓慢加热煮沸，溶液逐渐经黄褐色转变淡蓝色，继续蒸发溶液，当烧杯壁上有晶体析出时停止加热，室温过夜滤出晶体，滤液再浓缩、结晶，合并两次过滤的晶体，在空气中干燥，得到淡蓝绿色晶体。

教师：这样制备得到的硫酸亚铁铵的纯度有没有达到要求，我们可以利用比色管（一种通过目测溶液颜色深浅测量溶液浓度的仪器）。已知纯度为Ⅲ级硫酸亚铁铵晶体的标准是：每1.0g硫酸亚铁铵晶体配制成25mL溶液后，Fe3+含量不超过0.2mg。

请写出判断制得的硫酸亚铁铵晶体样品是否达到Ⅲ级标准的实验方案？[实验中须使用的试剂有：Fe3+浓度0.2mg·（25mL）-1的溶液、1mol·L-1H2SO4溶液、1mol·L-1KSCN溶液、蒸馏水] 。

学生觉得有困难，讨论后回答.。

学生17：取1.0g硫酸亚铁铵晶体中加入几滴1mol·L-1H2SO4溶液，加入蒸馏水配成25ml的溶液，装入比色管中，再滴入几滴1mol·L-1KSCN溶液，盖上盖子。再将Fe3+浓度0.2mg·（25mL）-1的溶液装入比色管中，滴入等量1mol·L-1KSCN溶液，盖上盖子。将两只比色管对比颜色。

5.5构建无机物制备的思维模型

教师：从废铁屑到产品硫酸亚铁铵，经历几个环节？

学生18：原料到产品，需要经历预处理，除杂，制备，分离提纯，检验几个关键步骤。

教师：构建从原料到产品的思维模型，结合你已有知识，注明每一步步骤中有哪些处理方式？

学生小組讨论后汇报。

学生19：投影

（1）实验方案设计基本流程：原料→核心反应→产品→检验

（2）核心反应中包括：反应条件的控制、反应物的加料顺序、试剂的选择、尾气的处理

（3）产品的分离提纯中包括：过滤、洗涤、干燥

（4）产品的检验中包括：离子检验、浓度测定、纯度分析

6 结语

在高三化学复习过程中，选择合适的问题情境，引导学生在沉浸在实际问题的解决中，促进了学生学习方式的转变，使知识和认识思路结构化，有利于提升学生的化学学科能力。

溧阳市光华高级中学 213300