關于酒精成分中氫氧元素的定性探究

符愛琴

關于酒精成分中氫氧元素的定性探究

符愛琴

（常州市北環(huán)中學江蘇常州213017）

文章以化學實驗中常用的酒精為載體，帶領學生一步步“追蹤”酒精中的氫氧元素，激活學生探究欲望，引領學生進行探究式學習，在發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。

酒精；元素組成；定性分析；探究學習

在初中化學的學習過程中,學生對酒精的認識是逐步展開的,從用途、可燃性、氣味、俗名、化學名稱、生活中的應用、元素組成到有機物類別等,而對酒精元素組成的定性分析最簡單的是燃燒法,又叫李比希法(除此之外還可以用元素分析儀測定)。因此,利用燃燒法對酒精的元素組成進行實驗探究,可以促進化學知識的應用,更好地認識物質世界［1］,同時有利于激活學生的探究欲望,讓探究式學習能夠真實地發(fā)生在化學學習課堂教學當中。

圖1 燒杯內附有石灰水

一、適時切入，拓展思維深度

組成物質有100多種元素,那么酒精是由什么元素組成呢？對于剛剛接觸化學的初三學生是很難猜到碳氫氧元素的,因此,教師此時要盡可能考慮到學生的經驗基礎和學習心理［2］。布魯納認為,人類的知覺過程就是對客觀事物不斷進行歸類的過程,所以他提倡教師幫助學生學習的過程中,不僅要提供必要的信息,而且要教會學生掌握并綜合運用對客觀事物歸類的方法［3］。因此,對于酒精的元素組成探究就可以從“查閱資料得知”開始,讓學生知道酒精的組成與石蠟相似。

［問題］酒精是由什么元素組成呢？

［猜想與假設］酒精中含有碳元素和氫元素。

［驗證方案］驗證酒精燃燒后的生成物,看是否有二氧化碳和水生成。

［設計原理］檢驗酒精燃燒后的生成物,看是否含有碳元素和氫元素,如果有,就證明酒精中一定含有碳元素和氫元素。再次鞏固和證實元素種類在化學變化前后是不變的。

學生設計的實驗方案如圖1：先把一只冷而干燥的小燒杯放在酒精燈火焰上方,觀察是否有水霧出現(xiàn);再將一只附有澄清石灰水的燒杯罩在酒精燈火焰上方,觀察是否變渾濁。通過圖1的實驗,學生發(fā)現(xiàn)無法區(qū)別石灰水是否變渾濁,石灰水太少,看不清楚。

那么,是否可以換個辦法來驗證呢？學生就想到了如圖2所示實驗,將燒杯倒轉,再倒入澄清石灰水振蕩,看澄清石灰水是否變渾濁。

圖2 倒轉燒杯，倒入石灰水

圖3 玻璃棒上附有石灰水

有些地區(qū)中考的試題也曾出現(xiàn)類似考題,對酒精成分的分析,一致認同的答案就是,點燃酒精燈,在火焰上方罩一只冷而干燥的燒杯,燒杯內壁有水霧生成,證明酒精中含有氫元素,然后將燒杯迅速倒轉,倒入澄清石灰水,澄清石灰水變渾濁,證明酒精中含有碳元素。而事實上,我們多次實驗后發(fā)現(xiàn),按照這種方法,澄清石灰水不能變渾濁。即使等到小燒杯很燙手,倒轉燒杯后,倒入澄清石灰水后仍然沒有變渾濁。經分析,可能是收集到的二氧化碳太少。

馬上就有學生想到了用玻璃棒醮取少量澄清石灰水放在酒精燈火焰上灼燒,如圖3。結果發(fā)現(xiàn)澄清石灰水變渾濁了。能夠想到這樣簡潔的操作確實很好,這就是所謂頓悟,而頓悟學習的實質是在主體內部構建一種心理完形［4］。

不過,這是短暫的驚喜。這個的實驗結論,稍后就被學生自己推翻了?！拔龀龅陌咨腆w不一定是氫氧化鈣生成的碳酸鈣”。因為澄清石灰水中的“氫氧化鈣”被加熱后,溶解在水的能力減弱(學生此時還沒有學過溶解度),因此,玻璃棒上出現(xiàn)的白色固體也有可能是析出的氫氧化鈣,而不是生成的碳酸鈣。

二、步步追問，突破思維定勢

圖4 蠟燭燃燒的產物是什么

圖5 酒精組成元素的探究

怎樣才能避免澄清石灰水被加熱呢？

我們在美國高中主流理科教材《化學概念與應用》上冊中找到了關于驗證蠟燭燃燒生成的二氧化碳的方法,如圖4。在盤子里加入約1cm深的自來水,快速地將錐形瓶從上面移向蠟燭,使瓶口浸入水面以下,并保持這個位置約1分鐘。記錄觀察結果。從水中提出錐形瓶,翻轉瓶身,使瓶口向上,再在錐形瓶中加入約25mL石灰水。在錐形瓶上塞上塞子后,旋轉振蕩約1分鐘。如果溶液變渾濁,說明生成了碳酸鈣,也說明錐形瓶里有二氧化碳［5］。

這種方法給學生很多啟示。于是,有學生提出用圖5的方法,用一個倒掛的漏斗,將生成的氣體通入澄清石灰水,觀察澄清石灰水是否變渾濁。結果發(fā)現(xiàn),還是不能變渾濁。通過分析,學生認為可能是產生的氣體較少,而管子太長,于是學生又作了改進,縮短了漏斗到試管的距離,如圖6。多次實驗仍然不能使澄清石灰水變渾濁。因此學生推斷,通過這樣的裝置無法證明酒精燃燒產生二氧化碳。

能否將酒精放在密閉的容器中燃燒呢？老師追問。

學生隨后設計出了如圖7所示的實驗裝置。在將一定量酒精倒入廣口瓶,然后用火柴點燃酒精,這時,學生發(fā)現(xiàn),廣口瓶內的酒精一點著就熄滅了,無法往下繼續(xù)實驗。通過分析,師生認定可能是氧氣不充足,酒精無法燃燒。我們又嘗試用紙張來替代酒精做這個實驗,將紙張揉成一團,點燃后放入另一個廣口瓶,結果紙張也是很快就熄滅了。

圖6 縮短導氣管

三、層層改進，培養(yǎng)思維方法

看似簡便的實驗蘊含著很多的科學原理。在步步啟發(fā),層層改進的情況下,最終學生們設計出了如圖8的實驗步驟和方法。

圖7 將酒精倒入廣口瓶后點燃

圖8 酒精組成元素的探究

取一滴管酒精擠入坩堝,點燃酒精,用坩堝鉗將坩堝小心地放入100mL的燒杯中,在火焰上方罩一只250mL(冷而干燥)的燒杯,觀察是否有水霧出現(xiàn)。然后將罩在上面的燒杯拿走,將坩堝從100mL的燒杯中取出來,倒入澄清石灰水,觀察是否變渾濁。

在這個不斷地實驗、改進、再實驗、再改進的過程中,學生生成了很多疑問。

問題1：在探究過程中,有學生用火柴點燃酒精后,沒有及時取出火柴,是否影響實驗的可信度？

于是,我們邊查閱資料邊交流。火柴中本身含有碳元素,燃燒后產生二氧化碳,如果不及時取出來,那使澄清石灰水變渾濁的原因就不止是酒精燃燒引起的了。

問題2：在探究過程中,有學生認為“將盛放酒精的坩堝放入燒杯后,再點燃”更方便,這樣是否可行？

盛放酒精的坩堝在放入燒杯后再點燃,火柴點燃酒精的過程也產生二氧化碳,有可能殘留在燒杯,為了確保不受火柴的影響,還是應該在引燃酒精后再放入燒杯。

問題3：此探究過程中,有些學生先將澄清石灰水倒入燒杯,然后再將引燃后的酒精放入燒杯,然后罩上大燒杯?，F(xiàn)象是澄清石灰水變渾濁,大燒杯里有水霧。這樣的探究方法是否可行？為什么？

如果將澄清石灰水預先倒入燒杯,坩堝內的酒精燃燒會使燒杯底部及燒杯內的澄清石灰水溫度升高,而澄清石灰水中的氫氧化鈣遇熱后溶解度變小,因此澄清石灰水變渾濁并不能說明是酒精燃燒生成二氧化碳造成的。

問題4：此實驗能否驗證酒精中含有氧元素？

此實驗不能定性和定量測定氧元素。如果要測定氧元素,需測定反應物的質量,在密閉的容器中,將其引燃,測定燃燒后生成的二氧化碳和水的質量,通過計算才能知道是否含有氧元素。問題探討到此,老師可以激勵學生,質量守恒定律和化學方程式計算學完后,大家再來設計實驗驗證酒精中是否含有氧元素。

問題5：定性地驗證有機物中的碳元素有哪些方法？驗證酒精中的碳元素可采用其中的哪幾種？為什么？定性地驗證有機物的氫元素有哪些方法？

思考、研討如下：定性地驗證有機物中的碳元素,目前一般常用的方法有三種。第一種,如石蠟,將其引燃,往火焰中迅速插入一塊冷而干燥的白瓷板,觀察白瓷板上是否有黑色物質生成。第二種,如蔗糖、面粉之類,將其引燃,觀察是否有黑色殘渣生成。第三種,如酒精、甲烷等,將生成氣體通入澄清石灰水,觀察是否變渾濁。只不過,用裝置收集其燃燒生成的氣體有點復雜而已。第三種方法適用于酒精,因為酒精易發(fā)生充分燃燒,很難產生炭黑或留下黑色殘渣。

定性地驗證有機物中氫元素,一般也是使其燃燒,觀察其生成物。簡單地看,是否有水珠或水霧生成,還有可以將生成的氣體通過無水硫酸銅,觀察白色固體是否變藍色。在定量的鑒定題中,一般將其生成的氣體通過濃硫酸,測定濃硫酸增重的質量,即生成水的質量。

學生在探求新知、尋找規(guī)律獲得意外成功的驚喜時,在山重水復疑無路之后,突然產生的靈感所帶來快樂時,無不感受到探究的樂趣和科學的魅力,從內心深處升騰起一種難以言喻的成就感,它可以成為激發(fā)創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、獲取創(chuàng)新能力的巨大源泉。

［1］［2］吳俊明.發(fā)展化學實驗教學研究需要大智慧［J］.化學教學，2013，（2）：3-4

［3］朱峰.布魯納“發(fā)現(xiàn)學習論”對我國教育改革的啟示［J］.重慶科技學院學報（社會科學版），2008，（06）：55-57

［4］邱江，張慶林.創(chuàng)新思維中原型激活促發(fā)頓悟的認知神經機制［J］.心理科學進展，2011，（03）：312-313

［5］［美］菲利普等著.王祖浩等譯.化學概念與應用［M］.杭州：浙江教育出版社，2008.8：30-31

1008-0546（2013）05-059-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.05.025