利用黑枸杞的“化學(xué)平衡移動(dòng)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)

畢曉昀+楊硯寧

摘要：以黑枸杞水的顏色差異引入課題，設(shè)計(jì)了7個(gè)與之相關(guān)的系列探究實(shí)驗(yàn)。這些探究實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解化學(xué)平衡移動(dòng)的概念、化學(xué)平衡的影響因素及勒夏特列原理等化學(xué)知識(shí)，且具有一定的趣味性。

關(guān)鍵詞：黑枸杞；探究實(shí)驗(yàn)；化學(xué)平衡移動(dòng)；勒夏特列原理；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）7–0048–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 背景

“化學(xué)平衡移動(dòng)”是高二《化學(xué)反應(yīng)原理》知識(shí)的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)探究溫度、濃度和壓強(qiáng)變化對(duì)化學(xué)平衡的影響是學(xué)生獲得相關(guān)知識(shí)的必要手段。表1羅列了現(xiàn)行三種版本《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)所選用的可逆反應(yīng)。

表中共涉及四個(gè)可逆反應(yīng)，它們都具備實(shí)驗(yàn)操作簡單、顏色變化明顯的優(yōu)點(diǎn)，是“化學(xué)平衡移動(dòng)”教學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。2016年10月在常州舉行的江蘇省高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課評(píng)比中，9位教師以“化學(xué)平衡移動(dòng)”為題進(jìn)行同課異構(gòu)教學(xué)，其中8位教師的課堂實(shí)驗(yàn)均出自上述的四個(gè)可逆反應(yīng)，最終都取得了非常好的教學(xué)效果。

但換一個(gè)角度思考，這些可逆反應(yīng)也都存在共同的問題：缺少真實(shí)情境，遠(yuǎn)離社會(huì)生活，無法使學(xué)生產(chǎn)生興趣和共鳴，更無法將三個(gè)影響因素串聯(lián)在同一個(gè)可逆反應(yīng)上，形成連貫的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線。為了解決以上問題，筆者嘗試另辟蹊徑，以黑枸杞為實(shí)驗(yàn)素材設(shè)計(jì)了一系列的探究實(shí)驗(yàn)，該教學(xué)內(nèi)容的第1課時(shí)“濃度變化對(duì)化學(xué)平衡的影響”在該次優(yōu)質(zhì)課評(píng)比中獲得江蘇省一等獎(jiǎng)?，F(xiàn)將筆者的設(shè)計(jì)思路與同行們分享。

2 靈感的來源

筆者曾到青海旅游，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝擞煤阼坭脚菟鳛槿粘ｏ嬈罚念伾r艷多變引人注目。出于職業(yè)習(xí)慣，在搜索了與黑枸杞相關(guān)的資料之后又進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)黑枸杞水是研究化學(xué)平衡移動(dòng)的一種非常理想的試劑。

首先，黑枸杞泡出的水顏色艷麗，紅、紫、藍(lán)皆有可能，足夠吸引學(xué)生的眼球，勾起他們的好奇心和求知欲，并給學(xué)生提供了一個(gè)生活化的、有探究價(jià)值的學(xué)習(xí)情境。

第三，“黑枸杞水顏色多變”這一現(xiàn)象給學(xué)生提供了較大的探究空間：枸杞的用量、水的酸堿性、浸泡的時(shí)間長短、水的溫度等等都可能是顏色差異的原因，而這些因素在教師的引導(dǎo)下，可以有效地與“濃度、壓強(qiáng)、溫度變化對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響”融合，從而形成一條以黑枸杞為線索的實(shí)驗(yàn)探究主線，將有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)在一起。

第四，與其他富含花青素的食物（紫薯、紫甘藍(lán)、黑米等）相比，黑枸杞中花青素的溶出操作非常簡單易行，無需榨汁及過濾，非常適合課堂學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

基于以上的考慮，最終決定以黑枸杞水為實(shí)驗(yàn)素材和線索，設(shè)計(jì)了以下一系列探究實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

黑枸杞：每實(shí)驗(yàn)小組用量為2克，加水200mL浸泡并輕搖，1分鐘即可出現(xiàn)較為明顯的顏色差異，約10分鐘后顏色更為濃重，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

瓶裝水：筆者曾在超市購買十余種不同品牌的瓶裝水浸泡黑枸杞進(jìn)行對(duì)比，最終選出三個(gè)品牌，在其他條件相同的情況下，它們泡出的黑枸杞水分別顯示紅、紫、藍(lán)三種顏色，差異明顯，能夠給學(xué)生造成強(qiáng)烈的視覺沖擊，并引發(fā)思考與探究。

其他試劑與用品：食用小蘇打，食用白醋，0.1mol·L-1 H2SO4溶液，0.1mol·L-1 NaOH溶液，一次性品嘗紙杯，小燒杯，膠頭滴管，玻璃棒，試管，試管架，pH傳感儀，學(xué)案（內(nèi)附黑枸杞、花青素、瓶裝水pH評(píng)測(cè)等閱讀資料）。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)一 感受差異，引出課題

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]一嘗：一次性紙杯里有一些黑枸杞，它們營養(yǎng)豐富，一人一顆嘗嘗看味道如何？二泡：把剩下的黑枸杞全部轉(zhuǎn)移到礦泉水瓶里，蓋上瓶蓋輕搖，觀察水的顏色變化并與其他小組對(duì)比。三品：用小紙杯倒出部分水來品嘗一下黑枸杞水的味道。四查：閱讀資料，試分析黑枸杞泡水為什么會(huì)有顏色，與哪些物質(zhì)或反應(yīng)有關(guān)？

[學(xué)生反饋]好奇：大多數(shù)學(xué)生初次接觸黑枸杞，看它又小又黑的樣子不知是何物？不少學(xué)生猜它是藍(lán)莓，對(duì)于它既能吃喝又能做化學(xué)實(shí)驗(yàn)覺得很好奇，從而引發(fā)興趣。

興奮：看到其他小組泡出的水顏色與自己小組不同之后興奮之情溢于言表，搖動(dòng)水瓶的手臂也在不知不覺中加力，個(gè)別小組甚至將黑枸杞果粒搖碎，瓶中水出現(xiàn)一片渾濁。

期待：為什么顏色會(huì)不同？課上還會(huì)再用這些水做哪些實(shí)驗(yàn)？所有的學(xué)生都躍躍欲試。

設(shè)計(jì)意圖：本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)以黑枸杞水（也就是花青素水溶液）為主要試劑，意在與學(xué)生一起體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。用陌生的物質(zhì)（黑枸杞和花青素）以及新奇的現(xiàn)象（水溶液顏色的鮮艷與豐富變化）調(diào)動(dòng)起學(xué)生的好奇心和求知欲，在發(fā)現(xiàn)問題之后，經(jīng)過查閱資料尋找生活與化學(xué)的銜接點(diǎn)，體會(huì)“生活中的化學(xué)”以及“化學(xué)中的生活”。

實(shí)驗(yàn)二 實(shí)驗(yàn)探究c（H+）變化對(duì)化學(xué)平衡的影響

[問題情境]先就“黑枸杞水出現(xiàn)不同的顏色可能與哪些因素有關(guān)”展開討論，之后提出問題：在其他條件（溫度、黑枸杞用量、水的用量）相同的情況下，為什么用不同品牌的水泡出的黑枸杞水顏色會(huì)明顯不同？根據(jù)資料（如圖1）試討論分析該化學(xué)平衡可能受到了哪種因素的影響？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]小組討論后提出猜想，根據(jù)提供的儀器和試劑，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。

[學(xué)生反饋]討論結(jié)果：可能是水的酸堿性不同導(dǎo)致溶液顏色存在差異，因此需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：改變水的酸堿性，溶液的顏色會(huì)隨之發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)方案：取五支試管，各加入約3mL黑枸杞水，一支留作空白對(duì)照，其他試管分別加入少量食用小蘇打、食用白醋、0.1mol·L-1 H2SO4溶液、0.1mol·L-1 NaOH溶液，觀察顏色變化。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：與原溶液相比，加稀H2SO4或白醋溶液變紅；加稀NaOH溶液或小蘇打溶液變藍(lán)。

微觀分析：增大c（H+），平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；減小c（H+），平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。

[知識(shí)鏈接]（1）繪制速率時(shí)間圖（ν-t圖）對(duì)改變濃度后的化學(xué)平衡移動(dòng)過程進(jìn)行圖像表征。（2）得出結(jié)論：其他條件一定時(shí)，增大某一物質(zhì)的濃度，平衡會(huì)向使該物質(zhì)濃度減小的方向移動(dòng)；減小某一物質(zhì)的濃度，平衡會(huì)向使該物質(zhì)濃度增大的方向移動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：高二選修化學(xué)的學(xué)生基本具備結(jié)合資料內(nèi)容提出猜想，并在此基礎(chǔ)上體驗(yàn)“設(shè)計(jì)并完善實(shí)驗(yàn)方案”、“實(shí)驗(yàn)操作”、“現(xiàn)象分析”、“圖像解釋”等探究過程的能力。最初學(xué)生給出的方案也許并不完美，但經(jīng)過學(xué)生之間的相互補(bǔ)充以及必要時(shí)候的教師引導(dǎo)，較為完善的實(shí)驗(yàn)方案總能浮出水面。

提供的四種試劑中，H2SO4溶液和NaOH溶液是實(shí)驗(yàn)室常用的酸和堿，白醋和小蘇打則是家庭中容易得到的酸性和堿性的物質(zhì)。從物質(zhì)的類別來看，涉及強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿及顯堿性的鹽，具有一定的覆蓋面。特別是白醋和小蘇打的選用，為學(xué)生在家庭環(huán)境中進(jìn)行課后實(shí)驗(yàn)探究開拓了思路。

[教師演示實(shí)驗(yàn)]向黑枸杞水中加入稀鹽酸，利用pH傳感儀測(cè)定溶液pH，并繪制c（H+）隨時(shí)間變化的曲線（如圖3）。

[學(xué)生反饋]從圖像可以看出，c（H+）并不能恢復(fù)到原來的程度，也就是說化學(xué)平衡移動(dòng)只能減弱濃度的改變，并不能將它消除。

[知識(shí)鏈接]（1）歸納結(jié)論：其他條件一定時(shí)，改變某一物質(zhì)的濃度，平衡會(huì)向減弱這種改變的方向移動(dòng)。（2）問題解決：CO的中毒與解毒原理分析；合成氨工業(yè)中反應(yīng)物生成物濃度的控制。

設(shè)計(jì)意圖：遵循“循序漸進(jìn)”的原則，在學(xué)生學(xué)會(huì)定性判斷平衡移動(dòng)的方向后，進(jìn)一步討論平衡移動(dòng)的程度問題。因c（H+）的變化是肉眼不可見的，因此利用pH傳感儀進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，從圖像上直接感受c（H+）的變化，從而得出“減弱改變”這一結(jié)論，為進(jìn)一步得出勒夏特列原理埋下伏筆。

實(shí)驗(yàn)四 實(shí)驗(yàn)探究濃縮、稀釋對(duì)化學(xué)平衡的影響

[問題情境]網(wǎng)上有圖片顯示，黑枸杞泡水的過程中會(huì)出現(xiàn)漂亮的“拉絲”現(xiàn)象，是真的嗎？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]向黑枸杞水中投入兩粒黑枸杞干果，靜置，觀察現(xiàn)象并分析可能的原因。

[教師演示]向較濃的呈現(xiàn)紫紅色的黑枸杞水中緩慢加水，同時(shí)向顏色相近的顏料水中緩慢加水，觀察并對(duì)比顏色變化。

[學(xué)生反饋]學(xué)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：確實(shí)有拉絲現(xiàn)象，剛開始絲是紫紅色的，隨著向水中的擴(kuò)散，變成紫色甚至藍(lán)色。

教師實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：黑枸杞水隨著稀釋，顏色由紅變淺的同時(shí)，會(huì)變成藍(lán)色；而顏料水隨著稀釋，顏色變成淺紅色，并不會(huì)變藍(lán)。

剖析現(xiàn)象并解讀：花青素濃度大的時(shí)候顏色偏紅，即濃縮會(huì)使平衡向正向移動(dòng)；整體濃度小的時(shí)候顏色偏藍(lán)，即稀釋會(huì)使平衡向逆向移動(dòng)。

[知識(shí)鏈接]（1）利用化學(xué)平衡常數(shù)K與濃度商Q比較的方法從理論上證明學(xué)生的結(jié)論。（2）將結(jié)論類比遷移至氣態(tài)可逆反應(yīng)體系，得出壓強(qiáng)變化對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)影響的結(jié)論。（3）問題解決：合成氨工業(yè)的壓強(qiáng)控制。（4）總結(jié)歸納得出勒夏特列原理，并預(yù)測(cè)：升高體系溫度，平衡會(huì)向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)；降低體系溫度，平衡會(huì)向放熱反應(yīng)方向移動(dòng)。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)] 3只一次性紙杯中各有0.5g黑枸杞，分別同時(shí)加入20毫升熱水、室溫水、冰水（均為自來水），輕輕振蕩片刻后，觀察顏色差異。

[學(xué)生反饋]描述現(xiàn)象并解讀：與室溫水相比，熱水中的顏色偏藍(lán)，說明升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，所以逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；冰水中的顏色偏紅，說明降低溫度，平衡正向移動(dòng)，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)六 鑒別真假黑枸杞水

[問題情境]網(wǎng)上有人質(zhì)疑，用黑枸杞泡出的水呈現(xiàn)紫色，懷疑可能是工業(yè)染料染色而成？如何判斷一杯彩色的水是否是真的黑枸杞水呢？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]通過實(shí)驗(yàn)的方法判斷兩杯紫紅色溶液哪一杯是真正的黑枸杞水。（其中一杯是黑枸杞水，另一杯為顏料勾兌而成）

[學(xué)生反饋]任取少量紫紅色水，加白醋變紅（或加小蘇打變藍(lán)）說明是真黑枸杞水，如果顏色沒有明顯變化，說明不是黑枸杞水。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)五、六均為勒夏特列原理的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)五從純化學(xué)的角度，用于判斷可逆反應(yīng)的吸熱放熱情況；而實(shí)驗(yàn)六則是在生活中的應(yīng)用，利用平衡的移動(dòng)證明可逆反應(yīng)及花青素的存在，從而判斷真假黑枸杞水。

實(shí)驗(yàn)七 課后延伸的家庭實(shí)驗(yàn)

[問題情境]除了黑枸杞之外，你身邊還有很多食物富含花青素，比如紫薯、紫甘藍(lán)、藍(lán)莓、黑米等，它們都可以成為你的實(shí)驗(yàn)道具。你可以在家里做一些小實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證以下網(wǎng)絡(luò)說法的正誤。

（1）用白醋可以鑒別黑米的真假，是真的嗎？

（2）紫薯饅頭局部變綠是因?yàn)樽冑|(zhì)了，是真的嗎？

（3）花青素能夠抗氧化，是真的嗎？（藥店可以買到高錳酸鉀）

（4）黑枸杞不宜用熱水沖泡，是真的嗎？

設(shè)計(jì)意圖：留給學(xué)生的課后探究題目中，1和2涉及化學(xué)平衡知識(shí)在生活中的進(jìn)一步應(yīng)用，3與氧化還原知識(shí)相關(guān)，4則涉及花青素的不穩(wěn)定性，以指導(dǎo)學(xué)生在日常沖泡黑枸杞時(shí)不要用過熱的水，防止破壞花青素。

4 教學(xué)后記

本節(jié)課以黑枸杞水的顏色差異引入課題，課堂上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)探究，經(jīng)過對(duì)宏觀現(xiàn)象的微觀分析形成與化學(xué)平衡相關(guān)的多種結(jié)論。所有的實(shí)驗(yàn)及教學(xué)活動(dòng)都圍繞黑枸杞水展開，形成了清晰明朗的教學(xué)主線，帶給學(xué)生全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

教學(xué)情境及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的選擇，決定了學(xué)生與化學(xué)這門學(xué)科的距離有多遠(yuǎn)?！盎瘜W(xué)平衡移動(dòng)”本是純粹的理性的自然科學(xué)知識(shí)，它是枯燥、冰冷、甚至是無趣的。但當(dāng)它以“合成氨工業(yè)生產(chǎn)條件控制及全球糧食產(chǎn)量的大幅度提升”為背景時(shí)，它開始帶有煙火氣，變得不再那么遙不可及，但也僅僅是“遠(yuǎn)觀”；當(dāng)它與CO中毒解毒、含氟牙膏、碳酸飲料等社會(huì)生活中的現(xiàn)象相結(jié)合時(shí)，這些化學(xué)知識(shí)已經(jīng)走到孩子們身邊，算是“近賞”；而當(dāng)孩子們用黑枸杞進(jìn)行與化學(xué)平衡相關(guān)的一系列實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，已經(jīng)置身其中，可謂“把玩”。當(dāng)化學(xué)離孩子們?cè)絹碓浇臅r(shí)候，他們將慢慢學(xué)會(huì)從化學(xué)的視角看待社會(huì)生活、看待物質(zhì)世界，這應(yīng)該就是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的初衷吧！

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京：江蘇教育出版社，2009：52～55.

[2]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M].北京：人民教育出版社，2007：25～31.

[3]王磊主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2011：48～54.

[4]汪慧華，趙晨霞.花青素結(jié)構(gòu)性質(zhì)及穩(wěn)定性影響因素研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)），2009，（9）：32～35.