草酸酸性實(shí)驗(yàn)探究

劉瑤瑤

一、教學(xué)設(shè)計背景與理念

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)五個維度中包含了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”兩個方面，需要學(xué)生認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動;能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計探究方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;在探究中學(xué)會合作，面對“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見解;具有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，具有探索未知、崇尚真理的意識等。而這兩個維度的學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)主要是依托于課堂教學(xué)中的科學(xué)探究環(huán)節(jié)。

草酸又名乙二酸，化學(xué)性質(zhì)活潑，草酸呈現(xiàn)酸性的原因是分子中含有官能團(tuán)羧基（-COOH），是典型的有機(jī)二元弱酸，考查時可以將有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)有效結(jié)合;將弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類的水解平衡、酸堿中和滴定、氧化還原滴定等化學(xué)反應(yīng)原理知識有機(jī)融合，考查學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)。而學(xué)生對于化學(xué)反應(yīng)原理中的抽象理論的理解往往不夠透徹，難點(diǎn)難以突破，涉及到圖像圖表、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計時尤其難以下手。本教學(xué)設(shè)計以草酸的酸性實(shí)驗(yàn)探究為主題，通過任務(wù)驅(qū)動方式，以問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計和討論、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)探究過程，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和曲線進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理，突破難點(diǎn)。

二、教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證草酸的酸性、弱酸性和草酸是二元酸;復(fù)習(xí)與草酸相關(guān)的弱電解質(zhì)電離和鹽類水解部分知識，學(xué)會分析滴定曲線。

過程與方法：通過對實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計討論、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程使學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法;通過對滴定曲線的分析，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和圖像分析能力。

情感、態(tài)度與價值觀：通過對草酸酸性實(shí)驗(yàn)的探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神和科學(xué)探究意識。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：草酸的弱電解質(zhì)的證明和二元酸的證明。

難點(diǎn)：草酸的二元酸的證明和滴定曲線分析。

四、教學(xué)方法、手段

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、多媒體互動教學(xué)。

五、教學(xué)過程

【課前預(yù)習(xí)階段 】

1.查閱資料了解草酸。

2.學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證草酸酸性。

學(xué)生可能設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案：草酸與指示劑作用;草酸與氫氧化鈉反應(yīng);草酸與碳酸鈉或碳酸氫鈉反應(yīng)放出二氧化碳;一定濃度的草酸水溶液的pH的測定;草酸與活潑金屬反應(yīng)放出氫氣。

設(shè)計意圖：課前學(xué)生通過查閱資料，初步了解草酸的結(jié)構(gòu)和基本化學(xué)性質(zhì)，為課上的草酸酸性實(shí)驗(yàn)探究奠定基礎(chǔ)。

【課上實(shí)驗(yàn)探究】

引入新課：草酸可以除去瓷磚上頑固的污垢，這與草酸的什么性質(zhì)有關(guān)？為什么草酸具有酸性？草酸是強(qiáng)酸還是弱酸？草酸是幾元酸？

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)探究情境，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)。

任務(wù)1：草酸的酸性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1.課前學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案的討論：包括合理性，是否易操作。

2.實(shí)驗(yàn)方案的選定和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

A.草酸溶液中滴加甲基橙：甲基橙變紅。

B.草酸與與滴有酚酞的氫氧化鈉溶液反應(yīng)：草酸能與氫氧化鈉反應(yīng)。

C.室溫下，利用pH計測定0.1mol/L草酸水溶液pH：pH=1.3。

D.草酸與碳酸氫鈉固體反應(yīng)：產(chǎn)生無色無味使澄清石灰水變渾濁的氣體CO2 。

3.利用CO2傳感器測定草酸與碳酸氫鈉固體反應(yīng)產(chǎn)生的CO2 。

高考鏈接1：2015全國高考26（3）：設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明：①草酸的酸性比碳酸的強(qiáng)____________________。

答案：向碳酸氫鈉固體中加入草酸溶液，觀察是否有無色無味使澄清石灰水變渾濁的氣體產(chǎn)生，若有，證明草酸酸性強(qiáng)于碳酸。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過對實(shí)驗(yàn)方案的討論，了解實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的合理性和易實(shí)現(xiàn)易操作的原則;通過手持技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合共同感受用草酸制備碳酸的過程，為任務(wù)2中利用強(qiáng)酸制備弱酸的原理證明草酸的弱酸性埋下伏筆。

任務(wù)2：草酸弱酸性的證明

問題1：任務(wù)1實(shí)驗(yàn)中哪一個實(shí)驗(yàn)可以說明草酸是弱酸？請說明你的理由。

學(xué)生討論回答：室溫下，pH計測定0.1mol/L草酸水溶液pH=1.3，原因是：若草酸是一元強(qiáng)酸：pH=1;若草酸是二元強(qiáng)酸：pH= -lgc（H+）= - lg0.2=0.7，證明草酸是不完全電離的。

問題2：你還可以設(shè)計哪些實(shí)驗(yàn)方案來證明草酸是弱酸或者弱電解質(zhì)？

1.學(xué)生可能設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案：

A.測定草酸鈉溶液的pH —— 證明草酸根的水解，從而證明草酸是弱酸;

B.等濃度等體積的硫酸和草酸測定導(dǎo)電能力—— 證明草酸的不完全電離;

C.等濃度等體積的硫酸和草酸與活潑金屬反應(yīng)，起始反應(yīng)速率對比——證明草酸的不完全電離;

D.等pH、等體積的硫酸和草酸與活潑金屬反應(yīng)平均反應(yīng)速率的對比——證明草酸電離平衡的移動;

E.等體積的草酸和水加熱過程中pH的變化——證明草酸電離平衡的存在。

2.選定可行實(shí)驗(yàn)方案：E 方案裝置如圖1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：0.1mol/L草酸溶液（橫坐標(biāo)：溫度，縱坐標(biāo)：pH）

3.小結(jié)證明草酸是弱酸的方法：強(qiáng)酸制備弱酸;證明草酸的不完全電離;證明草酸的電離平衡的移動;證明草酸鹽的水解。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的原則：控制變量;對照性;合理性;易實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計意圖：以問題為導(dǎo)向進(jìn)行草酸是弱酸的證明，學(xué)生再次設(shè)計和討論實(shí)驗(yàn)方案，了解實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的單變量和對照性原則，利用溫度和pH傳感器相結(jié)合測定溫度對草酸電離平衡的影響，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法。

任務(wù)3：草酸為二元酸的確定

問題1：室溫下，測定0.1mol/L草酸水溶液的pH=1.3是否可以說明草酸是二元酸？為什么？

學(xué)生討論回答：若草酸是一元強(qiáng)酸? c（H+）=0.1mol/L，而實(shí)際pH=1.3，只能證明其c（H+）<0.1mol/L。

問題2：2015全國高考26：設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明：草酸為二元酸____________。請同學(xué)們討論后，設(shè)計出合理的實(shí)驗(yàn)方案。

1.學(xué)生可能設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案：

A.利用等濃度的標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定等濃度的草酸溶液

2n（NaOH）=n（H2C2O4）。

B.對比等濃度等體積的鹽酸和草酸與Zn（或者碳酸氫鈉）反應(yīng)產(chǎn)生的H2（或者CO2）的量。

2.選定的實(shí)驗(yàn)方案：A ，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 。

3.滴定實(shí)驗(yàn)：邊滴定邊進(jìn)行曲線分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

滴定曲線分析：

（4）25.00mL 0.1 mol/L的草酸溶液滴定至終點(diǎn)時消耗0.1 mol/L氫氧化鈉溶液體積為50.00mL。

結(jié)論：草酸為二元酸，且該滴定過程可用酚酞做指示劑。

4.小結(jié)：證明草酸是二元酸的方法：滴定或與一元強(qiáng)酸進(jìn)行對比;曲線或圖像分析要點(diǎn)：橫縱坐標(biāo)、起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)等。

高考鏈接2：2016江蘇高考14改編：H2C2O4為二元弱酸，20℃時，配制一組c（H2C2O4）+c（HC2O4-）+ c（C2O42-）= 0.100 mol·L-1的H2C2O4和NaOH混合溶液，溶液中部分微粒的物質(zhì)的量濃度隨PH的變化曲線如下圖所示。下列指定溶液中微粒的物質(zhì)的量濃度關(guān)系一定正確的是（ BD ）

A. PH=2.5的溶液中：c（H2C2O4）+ c（C2O42-）> c（HC2O4-）

B. c（Na+）=0.100 mol·L-1的溶液中：

c（H+）+c（H2C2O4）=c（OH-）+ c（C2O42-）

C. 此溫度下，H2C2O4的Ka2=4.2

D. PH=7的溶液中：c（Na+）>2 c（C2O42-）

設(shè)計意圖：通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案證明草酸是二元酸，學(xué)生再次熟練實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的一般原則，同時通過用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液滴定等濃度草酸的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)繪制滴定曲線，學(xué)生進(jìn)行曲線分析，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想方法的同時，提高了學(xué)生的圖像和曲線分析能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力，有助于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提高。

【簡評】

草酸兼具有機(jī)物和無機(jī)物的性質(zhì)，考查方式多樣。三位教師圍繞草酸這一主題，從不同角度展現(xiàn)了不同的草酸。三位教師均采取了以學(xué)生為主體的不同程度的混合式教學(xué)，并利用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，將抽象的化學(xué)原理和概念轉(zhuǎn)換成直觀的、可視化的圖像，利于學(xué)生掌握科學(xué)的探究方法和思維方法。對三位教師的課例進(jìn)行研究，有助于教師之間相互借鑒、取長補(bǔ)短。

郎老師的課借用菠菜豆腐這一矛盾體引入，以高考題目為載體，引導(dǎo)學(xué)生將草酸重要理化性質(zhì)應(yīng)用于生活實(shí)際，涵蓋了草酸所有化學(xué)性質(zhì)，使學(xué)生對草酸有了完整的認(rèn)識。本節(jié)課的亮點(diǎn)在于借助手持技術(shù)對草酸二元酸的性質(zhì)展開深入的實(shí)驗(yàn)探究，給學(xué)生以曲線形式的視覺感受，帶領(lǐng)學(xué)生在生活、教材和題目中尋覓知識的生長點(diǎn)，脈絡(luò)清晰。

劉老師的課亮點(diǎn)之一是“實(shí)驗(yàn)方案的討論”環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解控制變量和設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)的思想;二是在“二元酸的證明”環(huán)節(jié)中，利用手持技術(shù)進(jìn)行草酸與氫氧化鈉溶液的滴定實(shí)驗(yàn)，對曲線進(jìn)行分析，計算草酸的Ka1、Ka2，草酸根的Kh1、Kh2，并利用常數(shù)進(jìn)行溶液酸堿性的判斷，使學(xué)生學(xué)會了一些科學(xué)的思維方法，提高了對數(shù)據(jù)處理、圖像分析等方面的能力。

在孔老師的課上，學(xué)生分組設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案并討論，出現(xiàn)了許多生成性問題，有助于學(xué)生體會并應(yīng)用控制變量法。利用手持技術(shù)測量溶液的透光率與時間的曲線，引導(dǎo)學(xué)生討論曲線異常原因，從根源分析反應(yīng)的特點(diǎn)，探求知識的真相，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

三節(jié)課從不同角度詮釋了草酸的性質(zhì)。郎老師的課更注重學(xué)生對草酸這一物質(zhì)認(rèn)識的完整性、系統(tǒng)性;劉老師和孔老師選擇從草酸的某一方面的性質(zhì)出發(fā)，進(jìn)行較為深入的實(shí)驗(yàn)探究。前者屬于性質(zhì)教學(xué)課，重視學(xué)生參與和學(xué)生對知識的運(yùn)用和整合;后者則為實(shí)驗(yàn)探究課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力以及科學(xué)方法的運(yùn)用能力。然而后兩節(jié)課的側(cè)重點(diǎn)亦有所不同，一個是以酸性研究為主線逐層逐級，階梯式的研究草酸的酸性，由淺入深，課程設(shè)置有梯度、有高度，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程;另一個則利用了思維導(dǎo)圖導(dǎo)課，讓學(xué)生課前自主研究，課上自主探究、討論，更多地調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

對三位教師提出兩點(diǎn)教學(xué)建議：在課堂上的學(xué)生討論環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)充分參與討論，及時掌握學(xué)生討論情況;可適當(dāng)精簡課堂內(nèi)容，縮減寬度，拓展深度。