草酸與高錳酸鉀反應(yīng)速率

孔瑩瑩

草酸相關(guān)知識(shí)是高考的熱點(diǎn)，在近五年各地高考題中均有涉及，考查的知識(shí)包括弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽的水解平衡、難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡、草酸的分解及有機(jī)合成制備等。其中影響草酸和高錳酸鉀反應(yīng)速率的因素不僅是新課標(biāo)的重點(diǎn)，而且在其研究過(guò)程中運(yùn)用的控制變量法，作為科學(xué)探究中的重要思想方法，被廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)之中。

本課將教學(xué)目標(biāo)和現(xiàn)代化教育手段有機(jī)結(jié)合，嘗試將曲線(xiàn)的繪制和控制變量法及定量分析引入教學(xué)，重點(diǎn)研究影響草酸和高錳酸鉀反應(yīng)速率的因素，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)合作學(xué)習(xí)制定實(shí)驗(yàn)方案，利用色度傳感器進(jìn)行測(cè)量，對(duì)透光率與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)進(jìn)行分析，從微觀角度分析推測(cè)曲線(xiàn)形狀的成因，計(jì)算反應(yīng)速率，從而提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)與技能

了解草酸的相關(guān)性質(zhì)，掌握影響反應(yīng)速率的因素，能靈活運(yùn)用控制變量的思想方法研究問(wèn)題，有能力分析相關(guān)圖像并進(jìn)行速率計(jì)算。

2.過(guò)程與方法

通過(guò)自主學(xué)習(xí)、啟發(fā)引導(dǎo)、合作學(xué)習(xí)研究草酸和高錳酸鉀反應(yīng)速率影響因素，掌握控制變量的思想方法。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀

體會(huì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的影響。提高實(shí)驗(yàn)探究能力、信息整合能力與合作交往能力。

二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

控制變量法的應(yīng)用。

三、教學(xué)方法

啟發(fā)引導(dǎo)、自主探究、小組討論、多媒體展示、數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

四、教學(xué)過(guò)程

課前預(yù)習(xí)：為學(xué)生推送草酸相關(guān)學(xué)習(xí)資料包，包括草酸的百科知識(shí)及近5年高考真題。學(xué)生根據(jù)資料構(gòu)建草酸知識(shí)的思維導(dǎo)圖。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)信息平臺(tái)傳遞知識(shí)，學(xué)生在課前自主完成學(xué)習(xí)。在思維導(dǎo)圖繪制過(guò)程中，涉及到如何快速閱讀和整理信息內(nèi)容，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造天賦。

導(dǎo)入新課：情境導(dǎo)入。動(dòng)畫(huà)片《大力水手》中的主角大力水手吃了菠菜會(huì)變強(qiáng)壯，創(chuàng)作者的靈感來(lái)自于當(dāng)時(shí)的一篇報(bào)道。報(bào)道稱(chēng)100g菠菜中含有35mg鐵，這個(gè)數(shù)值很高，以至于現(xiàn)在人們?nèi)哉J(rèn)為菠菜是補(bǔ)鐵佳品。但作者不知這篇報(bào)道點(diǎn)錯(cuò)了小數(shù)點(diǎn)，菠菜的鐵含量被擴(kuò)大了10倍。事實(shí)上，菠菜中鐵的含量只比其他蔬菜略高，而且其含有的大量草酸還會(huì)阻礙鐵的吸收。草酸有什么性質(zhì)呢？

【設(shè)計(jì)意圖】從學(xué)生喜歡的動(dòng)畫(huà)片入手，指出人們對(duì)菠菜補(bǔ)鐵的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，引起共鳴，激發(fā)學(xué)生的興趣，推動(dòng)課程進(jìn)展。

學(xué)生活動(dòng)：兩名同學(xué)和大家分享思維導(dǎo)圖（包括性質(zhì)及相應(yīng)高考考點(diǎn)）。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生之間相互溝通評(píng)價(jià)，更能引起思考，產(chǎn)生共鳴。根據(jù)“學(xué)習(xí)金字塔理論”，教別人可使知識(shí)留存率高達(dá)90%。

教師總結(jié)提升：總結(jié)評(píng)價(jià)學(xué)生的思維導(dǎo)圖，概括提升研究物質(zhì)的三個(gè)角度，總結(jié)草酸考點(diǎn)，查找與新課標(biāo)中重點(diǎn)的交叉點(diǎn)。

【設(shè)計(jì)意圖】以草酸為例建立研究物質(zhì)角度的模型，培養(yǎng)模型認(rèn)知素養(yǎng)。通過(guò)考點(diǎn)查找，使學(xué)生做到心中有數(shù)、知己知彼，引出對(duì)影響草酸和高錳酸鉀反應(yīng)速率因素的研究。

提問(wèn)：草酸與高錳酸鉀反應(yīng)的原理是什么？影響該反應(yīng)速率的因素有哪些？

【設(shè)計(jì)意圖】引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回顧。

學(xué)生活動(dòng)：小組討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究溫度、各反應(yīng)物的濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，把方案繪制成一張表格（提供試劑：0.1mol/L 草酸溶液、0.005mol/L 高錳酸鉀溶液、2mol/L 硫酸溶液、蒸餾水）。

利用App進(jìn)行投屏，展示學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，其他同學(xué)評(píng)價(jià)。

【設(shè)計(jì)意圖】小組合作能充分發(fā)揮生生間的相互交流、協(xié)作功能，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神，讓學(xué)生由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，把個(gè)人自學(xué)、小組交流、全班討論、教師指點(diǎn)等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而促使小組之間合作、競(jìng)爭(zhēng)，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，挖掘了個(gè)體學(xué)習(xí)潛能，增大了信息量，使學(xué)生在互補(bǔ)促進(jìn)中共同提高。

教師總結(jié)提升：（借助表格1進(jìn)行方法總結(jié)）當(dāng)研究的變量因素有多種的時(shí)候，如果同時(shí)研究，不知道具體哪種因素導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以要控制將其中一個(gè)因素作為變量，其他因素保持一致，再進(jìn)行研究，這種方法就是控制變量法。要運(yùn)用該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，首先要明確研究的變量因素有什么，然后選定參照實(shí)驗(yàn)組，以該組實(shí)驗(yàn)為參照組進(jìn)行控制變量的研究。

提問(wèn)：如何判斷各組與對(duì)照組相比反應(yīng)速率的快慢？

教師總結(jié)：方法有很多種，對(duì)于有顏色的溶液體系，在某些情況下，可以通過(guò)褪色時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行速率快慢的判斷。

追問(wèn)：分別將第二組至第四組實(shí)驗(yàn)與第一組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，比較反應(yīng)時(shí)間;第五組實(shí)驗(yàn)與第一組對(duì)比時(shí)，反應(yīng)時(shí)間如何？為什么？

教師總結(jié)過(guò)渡：v=，前四組實(shí)驗(yàn)△c一致，可以從△t判斷速率快慢。如果要借助時(shí)間反應(yīng)速率的快慢，必須保證高錳酸鉀的量一致。但是第五組與第一組存在雙變量，需要通過(guò)具體的計(jì)算。反應(yīng)時(shí)間需要測(cè)量。人眼觀察顏色褪盡存在較大誤差，用能提供精準(zhǔn)數(shù)字的儀器進(jìn)行測(cè)量。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)第一組和第五組對(duì)比，學(xué)生再次體會(huì)控制變量法的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)高考易錯(cuò)點(diǎn)。

演示實(shí)驗(yàn)：教師和學(xué)生合作，利用數(shù)字化信息系統(tǒng)進(jìn)行第一組和第五組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師介紹相關(guān)的儀器及原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

學(xué)生活動(dòng)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像計(jì)算第一組和第五組反應(yīng)速率。

【設(shè)計(jì)意圖】本部分利用數(shù)字化儀器色度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把傳統(tǒng)的觀察顏色褪盡的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成顯示透光率變?yōu)榱銜r(shí)所用時(shí)間的定量實(shí)驗(yàn)，目的是為了讓學(xué)生體會(huì)到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的精確性、信息技術(shù)的先進(jìn)性并對(duì)該反應(yīng)的本質(zhì)進(jìn)行分析。

提問(wèn)：曲線(xiàn)形狀和自己頭腦中的形狀是否相同？推測(cè)曲線(xiàn)形狀的成因，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)。

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)分析推理證實(shí)或證偽自己的假設(shè)，面對(duì)“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見(jiàn)解。培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

教師總結(jié)過(guò)渡：曲線(xiàn)形狀的成因可能是由于反應(yīng)自身放熱，溫度升高速率逐漸加快，但是在實(shí)驗(yàn)時(shí)，用溫度傳感器測(cè)定的反應(yīng)溫度幾乎不變，這是因?yàn)榉磻?yīng)物量很少，能及時(shí)與環(huán)境進(jìn)行熱交換，溫度對(duì)速率影響很小;也可能隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的錳離子對(duì)反應(yīng)有催化作用，可以在反應(yīng)開(kāi)始前加入硫酸錳進(jìn)行對(duì)比。

學(xué)生活動(dòng)：利用0.01mol/L MnSO4溶液，繼續(xù)完善實(shí)驗(yàn)方案，探究催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。

演示實(shí)驗(yàn)：學(xué)生根據(jù)制定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)習(xí)的精髓是反復(fù)做重要的事情，尤其是自己做不好的事。多次利用控制變量的方法，鞏固強(qiáng)化。

教師總結(jié)：定量研究標(biāo)志著化學(xué)成為一門(mén)真正的科學(xué)。我們要善于利用控制變量的研究方法，把多變量問(wèn)題分解成單一變量問(wèn)題進(jìn)行逐一研究，然后再綜合解決。而且數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能為我們提供更加科學(xué)、精確的數(shù)據(jù)。拓寬了研究的領(lǐng)域，加大了研究的深度。

五、作業(yè)

Cr2O72-+3H2C2O4+8H+=6CO2↑+2Cr3++7H2O

若該反應(yīng)速率方程可表示為

v=k.ca（Cr2O72-）.cb（H2C2O4）.cc（H+）

請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（已知通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)定出任意時(shí)刻各粒子的濃度），思考至少制定幾組實(shí)驗(yàn)方案能夠求出該反應(yīng)的速率方程。