高中化学实验改进及教学策略——以“碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸的反应”为例

李文飞

(江苏省南京师范大学灌云附属中学,江苏 连云港 222200)

实验不仅是化学教学中最为活跃和生动的教学手段,也是探究化学知识不可或缺的重要途径[1-2].在新课程改革的背景下,要求化学实验朝着生活化、绿色化和现代化的方向转变,以便于拓宽学生的学习思路[3].关于“碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸的反应”的内容也是高中化学考试当中不可忽视的内容,为了对其进行更进一步的分析,采取创设相应的情景,深入挖掘其中存在的联系,组织学生积极开展项目式学习方法的探究,帮助学生形成高阶思维[4].

1 传统“碳酸纳、碳酸氢钠与盐酸的反应”实验

例题一个研究组研究了碳酸钠、碳酸氢钠和稀盐酸的反应.

(1)实验用品:

碳酸钠粉末(置于广口瓶)、稀盐酸(置于容积为125 mL的细口瓶中)、抹布、纸槽、试管架、Ф15×150 mm的试管、大烧杯(盛装废液)、药匙.

(2)实验步骤:

①药品与仪器需仔细检查;

②选择干燥试管,放入少量碳酸钠粉末;

③将1～2 mL稀盐酸加入试管中;

④观察实验现象,及时向监考老师报告;

⑤实验完成后,及时清洗试管,并将实验器材复位.

(3)在含有少量碳酸钠(俗称____)和碳酸氢钠的试管中加入足够的稀盐酸,观察到两者反应剧烈,产生大量气泡.碳酸氢钠与稀盐酸反应的化学方程式为____.

【问题提出】

碳酸钠、碳酸氢钠和稀盐酸反应产生二氧化碳的速率相同吗?

【实验的具体设计】

(4) A设计的实验如图1所示.实验过程中,两个注射器中的稀盐酸应为____(充注操作),观察到如图2所示的现象.所以他得出结论,碳酸氢钠和稀盐酸反应产生二氧化碳更快.

(5) B质疑A的实验:

①碳酸钠、碳酸氢钠和稀盐酸的反应非常剧烈,很难通过观察来判断产气速度;

②____,他认为,应该取含碳量相同的碳酸钠和碳酸氢钠,如果碳酸钠的质量仍然是0.318 g,应该取____g碳酸氢钠.

该组学生在老师的指导下设计了如图3所示的实验.

图3 B实验设计情况

①其中的连通管的作用是____.

②取相同体积、相同碳元素重量的碳酸钠和碳酸氢钠稀溶液(各取2滴酚酞溶液)和足够体积、相同浓度的稀盐酸进行实验.实验过程中溶液颜色变化记录于表1.瓶内压力随时间的变化如图4所示.

表1 实验过程中溶液颜色变化记录

图4 B实验结果

【实验结论】(6)通过分析图4所示的实验数据,可以得出,在相同条件下,____与稀盐酸反应更快生成二氧化碳,原因是____.

【反思与应用】①二者与稀盐酸反应均很剧烈,稀盐酸足量,相同质量的碳酸钠和碳酸氢钠完全反应产生二氧化碳的质量不相同,所以通过气球变大的程度无法确定两物质反应的快慢.含有碳元素的质量相同时,需要碳酸氢钠的质量为0.252 g;

②碳酸钠溶液、碳酸氢钠溶液和稀盐酸反应的速率都很剧烈,连通管主要起平衡气压的作用,避免装置中压强过大导致稀盐酸不能顺利滴下;

③由压强随时间的变化图可知,相同条件下,反应全部结束前,碳酸氢钠和稀盐酸反应时,装置中的压强越大,说明产生二氧化碳越多;

④碳酸钠和稀盐酸之间的反应是分步进行的.

2 “碳酸纳、碳酸氢钠与盐酸的反应”的实验改进方案

2.1 内容改进方案

教材中“碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应”是一个定性实验,笔者通过层层递进,将其设计为定量实验.

(1)使用压强传感器测定在密闭体系中的压强变化情况,作为判断产生气体速度快慢的重要依据.

(2)为了了解盐酸与碳酸钠溶液反应的本质,需使用到酸式滴定管与pH传感器.

2.2 实验器材改进方案

碳酸氢钠、碳酸钠、盐酸溶液、烧杯、数据采集器、笔记本电脑、试管与配套活塞、滴定计数器、pH采集器、磁力搅拌器、针筒注射器等器材.

2.3 实验教学过程改进方案

2.3.1直奔主题,吸引关注

根据物质分类,二者均属盐,盐能与盐、酸、碱等物质发生化学反应.按照强酸制弱酸原理,碳酸氢钠与碳酸钠都会与盐酸发生反应,得到的产物都有二氧化碳.将实物展示出来,提出问题:消防灭火使用的灭火器里装的是碳酸氢钠还是碳酸钠呢?学生在观察物质后,可以得出结果,即碳酸氢钠.泡沫灭火器原理是:二氧化碳能灭火.基于速率角度激发学生继续思考:为什么泡沫灭火器会选择碳酸氢钠呢?学生猜想:碳酸氢钠和酸之间的反应速度更快.

师生开展互动讨论,盐酸和碳酸氢钠、碳酸钠反应都有气体产生,而产生气体速度的快慢会对压强的改变速度产生影响[5].

考虑到实验中控制变量的方法,设计第二个实验:在密闭空间当中,选择三支试管,第一支作为空白对照组,加入2 mL蒸馏水;第二支加入碳酸钠0.1 mol/L,第三支加入0.1 mol/L碳酸氢钠溶液,分别往三支试管中加入5 mL浓度为0.1 mol/L的盐酸.另外,快速用橡皮塞塞紧试管,通过压强传感器观察压强的变化,采用数据采集器绘制曲线.根据图像能够明显发现,曲线斜率最大的是碳酸氢钠与盐酸反应的试管.这表明在相同时间内,盐酸和碳酸氢钠反应得到的二氧化碳气体速率更大,反应速度更快.

在得到这一认识之后,让学生学会写相关化学方程式.

在这个实验教学当中,逐层深入,让教学过程层层递进,不显得过于突兀.学生在提出猜想——寻找证据——得到证实的过程中,找到正确的思维方式.同时也持续落实所必须要掌握的基础知识,让学生学会写相关反应的化学方程式.

2.3.2定量分析,继续拓展

按照两种物质和盐酸反应的化学方程式发现,碳酸钠所需的盐酸数量更多,是否是因为反应速率慢呢?可否增加盐酸量来验证呢?再设计第三个实验:先选择相同浓度0.1 mol/L,相同剂量10 mL的碳酸氢钠与碳酸钠溶液,逐滴加入盐酸,进行磁力搅拌.通过pH传感器获取溶液的pH变动情况,记录产生气泡时的pH以及所消耗的盐酸量.

根据得到的结果图像,发现在pH为8左右时,碳酸钠和盐酸反应才会出现气泡,之前并无气泡,盐酸和碳酸钠的比例接近1∶1;pH在8.24时,碳酸氢钠与盐酸反应出现气泡,绘制得到的图像曲线和碳酸钠溶液反应曲线吻合程度很高.结合上述结果,可以认为碳酸钠与盐酸的反应属于分阶段开展,即:

3 “碳酸纳、碳酸氢钠与盐酸的反应”的实验改进效果

实验中证明了碳酸氢钠的反应速度要更快一些,也能更快产生二氧化碳,提高灭火的速度.也说明了泡沫灭火器使用该物质的化学原理.

在这次教学当中,采用了实验与理论结合,图形与数字结合的方法.这对学生实验素养的提升与化学学科能力的提升都有重要的促进作用.另外,优化后的实验更重视师生之间的互动,教师巧妙设计问题,引导学生去观察、分析和解决问题,也引导学生积极质疑,启迪创新思维.已有的教学结果也证实,只要精心设计问题情境,学生的探索意识、思维兴趣等都能得到很好的激发.而且优化后的实验不管是问题设计还是具体的实验开展都遵循了循序渐进的原则,重视学生的认知规律,让学生在逐步掌握知识的过程中,去探索更深层的问题,从而培养学生的独创性和判断性思维.