核心素养导向下测定空气中氧气含量的实验教学

2023-05-24张雯洁

中小学实验与装备 2023年1期

张雯洁

广东省中山市三角镇教育和体育事务中心(528445)

化学是一门以实验为基础的科学。实验教学作为传授化学知识的重要途径之一,在化学教学中的地位举足轻重。在核心素养导向下,如何发挥实验教学的育人功能,本文以人教版教材中的“空气”第1课时“测定空气中氧气的含量”为例,通过化学史让学生感受科学家们不断探究的精神,培养学生严谨的科学态度;巧妙设计探究过程,让学生经历、体验拉瓦锡经典实验的探究过程,发展学生的科学思维能力;通过对实验进行创新改进,提高学生的环保意识、动手能力、创新思维能力。

1 教学背景

本节课选自人教版化学9年级上册第2单元课题1“空气”第1课时的内容,通过“测定空气中氧气含量”实验让学生学习实验操作,培养学生观察、分析实验现象的能力;通过领会该实验的设计意图,体会200多年前拉瓦锡研究空气成分的实验思路。空气中氧气含量的测定是研究空气成分的一个基础实验,这个实验对于认识空气的组成起着重要的作用,是学生建立定量研究思维、体验化学探究实验过程的很好素材。

2 实验教学流程框架设计

本节课通过化学史实,以问题为导向,设置课前实验让学生了解红磷燃烧消耗氧气,且产物是固体,接着重点讲解拉瓦锡实验,让学生了解实验原理及操作要点,及其作为课堂实验需改进之处,仿照设计实验,建立与红磷测定实验的联系,再针对存在的不足之处进行改进创新,培养学生的科学思维,发展学生的核心素养。教学流程如图1所示。

图1 实验教学流程

3 实验改进设计

3.1 课堂教材实验不足之处[1]

3.1.1 瓶身难以均分

集气瓶瓶口与瓶体大小不一致,很难做到将水面上方空间均匀地五等分,引起测量的系统误差。

3.1.2 实验误差较大

整个燃烧过程没有始终在密闭装置中完成,伸入红磷过慢会有空气受热逸出;装置气密性不好;红磷燃烧不能将容器里的氧气耗尽等,以上任一情况的出现都可能导致达不到理想效果或实验失败。

3.1.3 产物逸散有污染

红磷燃烧产生的五氧化二磷会逸散到空气中污染空气,不利于师生健康。

3.1.4 实验现象不清晰

红磷燃烧后,待冷却到室温后再打开止水夹,水会倒流到集气瓶的实验现象,由于水透明无色,坐在后排的学生难以观察到。

3.1.5 缺乏“等量替换”思想

学生对于集气瓶中减少的气体体积等于进入集气瓶中水的体积这一“等量替换”思想还不能很好地理解。

3.2 实验创新改进

3.2.1 瓶体上下均分

实验改进装置如图2所示。

将集气瓶换成了玻璃注射器,注射器针筒直径上下一致,可以更好地进行划分。

图2 实验改进装置图

3.2.2 减小实验误差

为了使装置气密性更好,在玻璃注射器上方用强力玻璃胶接了一小段塑料管;同时注意不要将燃烧匙穿出胶塞。

3.2.3 防止空气污染

为了防止五氧化二磷逸散到空气中,改为容器内部水溶点燃红磷,但红磷燃烧所需温度高,改用着火点低的白磷代替,且白磷燃烧耗氧量更多。

3.2.4 实验现象更明显

将水改为红墨水,实验现象更清晰明了,学生也更容易观察实验现象。

4 实验教学过程

4.1 创设情境,提出问题

演示课前小实验(见图3):将红磷点燃,放入底部装有少量水的集气瓶,盖上玻璃片,观察到红磷燃烧,火焰熄灭后再将红磷提起至瓶口附近,观察到红磷又燃烧起来。

提出问题:我们如何测量空气中氧气的含量呢?

图3 课前小实验

设计意图:通过课前小实验让学生知道红磷燃烧消耗氧气,得出空气中存在氧气,同时让学生了解白烟即固态的五氧化二磷,可溶于水,会污染环境,为后面实验药品的选择打下铺垫。创设实验情境,提出问题,激发学生后续学习研究的热情。

4.2 重温史实,理解原理

介绍科学家们认识并探究空气中各组分的过程,重点介绍拉瓦锡的曲颈甑实验:用定量方法得出了空气中氮气和氧气的含量。

提出问题:如果你是当时的拉瓦锡,你会怎么测量空气中氮气和氧气的含量呢?重点讲解拉瓦锡的实验过程,提出问题:曲颈甑中的汞和汞槽中的汞分别起什么作用?为什么玻璃钟罩内的汞液面会上升呢?什么现象能说明氧气约占空气体积的1/5?

演示抽气实验(见图4):通过拉动上面的注射器,可以看到水流进下面的注射器,并且抽走多少空气就吸入多少体积的水,即V气体减少≈V进入的水。

设计意图:通过化学史让学生了解科学家们不断探索的过程,培养学生敢于质疑、严谨求实的科学态度。对拉瓦锡的实验进行深入剖析讲解,让学生明白实验原理及过程,同时通过抽气实验将无形的压强差转化为有形的流动的液体,帮助学生建立定量研究意识。

图4 抽气实验

4.3 设计实验,模仿应用

提出问题1:作为课堂实验,拉瓦锡实验需要进行什么改进呢?分析得到拉瓦锡实验的不足之处有:①用到的材料汞有毒,易挥发出汞蒸气;②实验耗时长达12天;③实验装置较复杂等,引导学生选择合适的实验药品,从学过的能与氧气反应的物质,如木炭、蜡烛、硫磺、红磷等中选择,因红磷燃烧产物是五氧化二磷固体,不会对气体体积测定造成较大影响,故选择了红磷。

仿照拉瓦锡实验的原理及要点,设计课堂实验(见图5)。

设计意图：在分析理解拉瓦锡实验的基础上，一步步引导学生设计课堂实验，建立拉瓦锡实验与用红磷测定空气中氧气含量实验的联系，很好地突破了教学的难点，通过化学实验进行探究，培养学生证据推理能力和科学探究意识。

图5 仿照设计实验流程图

提出问题2：在实验中，有时进入水的体积大于瓶内空气体积的1/5，可能是什么原因呢？那小于1/5又是什么原因呢？引导学生分析小于1/5的原因可能有：①红磷量不足；②未冷却至室温就打开止水夹；③装置气密性不好；④没有充分消耗氧气等。大于1/5的原因可能有：①点燃红磷后伸入过慢，红磷燃烧放热使瓶内气体受热膨胀逸出；②弹簧夹未夹紧等[2]。

提出问题3：实验中红磷点燃的方式是什么？引导学生发现于装置外点燃红磷产生的五氧化二磷会污染空气，且伸入过慢会导致实验结果不准。

通过误差分析，学生学会分析教材实验存在的不足之处，引导学生针对这些问题进行实验创新改进(见图6)，如将红磷(燃点为240 ℃)换成耗氧量更多的白磷(燃点为40 ℃)，并且在装置内部水浴加热，防止五氧化二磷逸散污染空气。

注意事项:实验时取黄豆颗粒大小的白磷1粒,用滤纸吸干水分后,放进燃烧匙。实验后,接触过白磷的实验用品必须进行适当的处理:在通风橱中,用酒精灯灼烧小刀和镊子,烧掉吸水纸。若不小心接触白磷,要立即用水冲洗接触部位,然后用2%的CuSO4溶液(或2%的AgNO3溶液)轻抹,再用3%～5%的NaHCO3溶液湿敷,禁止用油脂性的烧伤药膏[3]。