基于核心素養(yǎng)的初中化學(xué)學(xué)生變化觀念的教學(xué)研究—如何證明反應(yīng)的發(fā)生

李 燃

一、問題的提出

在初中化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，化學(xué)變化無疑是核心的一部分內(nèi)容，落實(shí)發(fā)展學(xué)生變化觀念的養(yǎng)成也是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)不可或缺的重要組成部分。在初中化學(xué)課程設(shè)置中，學(xué)生首先接觸的一些化學(xué)反應(yīng)都具有較為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如，大理石和稀鹽酸的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色沉淀等，從而可以根據(jù)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來判斷化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。然而也存在著這樣一些反應(yīng)，沒有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在化學(xué)反應(yīng)過程中不發(fā)光、不變色、無明顯的熱量變化、無沉淀生成、無氣體生成，導(dǎo)致不易判斷是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。那么對(duì)于這樣的化學(xué)反應(yīng)該采取什么方法證明反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了呢？又是否可以將證明無明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)而反應(yīng)發(fā)生的思路和方法進(jìn)行合理的整合，試著歸納出證明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一般方法呢？這些都是本文要討論的內(nèi)容。

二、教材內(nèi)容分析及功能價(jià)值

1.教材中有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)

在初中教材中存在著大量的化學(xué)反應(yīng)，它們伴隨著明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如，產(chǎn)生大量氣泡，生成難溶于水的沉淀，發(fā)生明顯的顏色變化，發(fā)光或產(chǎn)生火焰等(見表1)。對(duì)于這些反應(yīng)可以直接通過觀察現(xiàn)象判斷反應(yīng)的發(fā)生。

表1 具有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的初中教材化學(xué)反應(yīng)

2.教材中無明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)

(1)二氧化碳和水的反應(yīng)

二氧化碳和水的反應(yīng)沒有明顯現(xiàn)象，需要借助紫色石蕊溶液的顏色變化來檢驗(yàn)生成物碳酸，進(jìn)而判斷反應(yīng)的發(fā)生。在這里首先要排除二氧化碳和水的干擾[1]，也就是要證明二氧化碳和水都不能使紫色石蕊溶液變紅，即水和二氧化碳均不顯酸性，而二氧化碳和水混合時(shí)可以使紫色石蕊變紅，推理出生成了顯酸性的新物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)是通過證明生成物的出現(xiàn)證明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的。

(2)酸堿中和反應(yīng)

氫氧化鈉與鹽酸的反應(yīng)是酸堿中和反應(yīng)的一個(gè)典型代表，在反應(yīng)過程中同樣沒有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要借助一些手段來證明反應(yīng)的發(fā)生[2]。例如，用紫色石蕊溶液的顏色變化或者酚酞溶液的顏色變化證明鹽酸的消耗或者氫氧化鈉的消耗。也可以利用溫度計(jì)測(cè)量反應(yīng)前后溶液溫度的升高體現(xiàn)反應(yīng)過程中的能量變化，進(jìn)而證明反應(yīng)的發(fā)生。本實(shí)驗(yàn)是通過反應(yīng)物的消耗和能量變化證明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的。

同樣也可以通過生成物證明反應(yīng)的發(fā)生，例如，證明水的生成。但是由于溶液中原本就是有水的，因此必須要選擇一個(gè)無水的體系來檢驗(yàn)水的生成。利用固體氫氧化鈉和冰醋酸進(jìn)行反應(yīng)，并用無水硫酸銅的變色指示水的生成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但是，由于冰醋酸有非常強(qiáng)烈的刺激性氣味，且具有揮發(fā)性和一定的毒性，因此，在初做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境問題以及安全隱患。為了解決這個(gè)問題，筆者設(shè)計(jì)了如下的裝置(如圖1所示)：試管1中盛裝無水硫酸銅，上邊的注射器中事先裝有冰醋酸；試管2 中盛裝固體氫氧化鈉和無水硫酸銅；試管3中盛裝固體氫氧化鈉和無水硫酸銅，上邊的注射器中事先裝有冰醋酸。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如圖2所示：試管1注入冰醋酸后無水硫酸銅仍不變藍(lán)，證明冰醋酸中無水；試管2中無水硫酸銅未變藍(lán)，證明固體氫氧化鈉中無水；試管3注入冰醋酸后無水硫酸銅變藍(lán)，證明固體氫氧化鈉和冰醋酸接觸后有水的生成，即反應(yīng)生成了水。整個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)改進(jìn)后藥品用量少，實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比明顯，且由于冰醋酸是事先在通風(fēng)櫥中裝入注射器的，且注射器可在使用前后保持密閉，因此該實(shí)驗(yàn)過程中并未出現(xiàn)刺激性氣味，保證了教學(xué)環(huán)境的安全和舒適。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察

三、如何證明化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生—以氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)為例進(jìn)行分析

本案例的研究內(nèi)容是探究化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生，是在學(xué)生對(duì)身邊的化學(xué)物質(zhì)主題中常見的化合物模塊的知識(shí)初步復(fù)習(xí)，對(duì)科學(xué)探究主題中發(fā)展科學(xué)探究能力的要求初步訓(xùn)練之后，針對(duì)如何證明化學(xué)反應(yīng)發(fā)生這個(gè)核心知識(shí)、高頻考點(diǎn)進(jìn)行分析和探究，旨在以此為依托，實(shí)現(xiàn)幫助學(xué)生整合知識(shí)體系，指導(dǎo)中考復(fù)習(xí)的目的，教學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 證明氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)的教學(xué)結(jié)構(gòu)圖

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已較好地掌握了常見物質(zhì)的性質(zhì)，對(duì)一些化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象有所了解；具備了利用化學(xué)知識(shí)分析解決簡單問題，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析反應(yīng)原理的能力；但是在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問題的應(yīng)用遷移能力，從個(gè)別到一般的思維提升上還有待訓(xùn)練和提高。針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，制訂了如下的教學(xué)目標(biāo)和重難點(diǎn)(見表2)。

表2 教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈉和水，該反應(yīng)沒有產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因此無法通過直接的觀察來證明此反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了。為了證明化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，必須要借助某些手段來體現(xiàn)反應(yīng)物的消耗或者生成物的生成，進(jìn)而證明反應(yīng)的發(fā)生，例如，可以證明二氧化碳的消耗或者碳酸鈉的生成。板書設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 用實(shí)驗(yàn)證明氫氧化鈉溶液和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的板書設(shè)計(jì)

1.證明二氧化碳的消耗

眾所周知，常溫常壓下二氧化碳是氣態(tài)物質(zhì)，恒容密閉裝置內(nèi)的二氧化碳被吸收后，壓強(qiáng)會(huì)下降，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致一系列的變化，例如，與裝置相連接的氣球會(huì)產(chǎn)生形變，U型管兩側(cè)液面會(huì)出現(xiàn)高低變化等。例如，圖5a中的氣球就會(huì)變鼓，圖5b中的U型管液面會(huì)左高右低，圖5c中右側(cè)試管內(nèi)水柱高度要高于左側(cè)試管內(nèi)的水柱高度。這些在裝置中所產(chǎn)生的現(xiàn)象都可以間接地體現(xiàn)恒容密閉容器內(nèi)二氧化碳的消耗，進(jìn)而證明了反應(yīng)的發(fā)生。

圖5 證明二氧化碳消耗的實(shí)驗(yàn)

2.證明碳酸鈉的生成

碳酸鈉屬于可溶性的碳酸鹽，證明溶液中存在著碳酸鈉的方法是初中化學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)之一。方法為取少量反應(yīng)后的溶液置于試管中，向其中滴加過量的稀鹽酸或者稀硫酸，會(huì)產(chǎn)生氣泡，將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水，若澄清石灰水變混濁，則證明反應(yīng)后的溶液中存在碳酸鈉，進(jìn)而證明了氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)的發(fā)生。

3.為什么不證明氫氧化鈉的消耗

氫氧化鈉屬于堿，其水溶液呈堿性，如果想證明它的消耗，往往需要通過指示劑的顏色變化來體現(xiàn)。但是對(duì)于這個(gè)反應(yīng)而言，作為反應(yīng)物的氫氧化鈉和作為生成物的碳酸鈉其水溶液均呈堿性，因此就不會(huì)在反應(yīng)的過程中產(chǎn)生指示劑的顏色變化，也就無法通過堿性的消失來證明氫氧化鈉參與了反應(yīng)，即無法證明反應(yīng)的發(fā)生。

四、探究化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一般方法

對(duì)于沒有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)而言，可以從反應(yīng)物的消耗和生成物的生成這兩個(gè)角度來證明反應(yīng)的發(fā)生。而在證明的過程中往往需要借助一些試劑和手段來間接地體現(xiàn)反應(yīng)物的消耗和生成物的生成。例如，密閉容器的壓強(qiáng)變化往往可以體現(xiàn)氣體的消耗或者生成；酸堿指示劑的顏色變化往往體現(xiàn)酸性物質(zhì)或者堿性物質(zhì)的生成或者消耗；化學(xué)反應(yīng)過程中往往伴隨著能量變化，可以通過溫度計(jì)來指示反應(yīng)前后體系的溫度變化進(jìn)而體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)然，在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的過程中也一定要注意排除一些可能存在的干擾。

除此之外，不僅這種無明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的反應(yīng)的證明可以從這兩個(gè)角度來思考，對(duì)于那些有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的反應(yīng)也可以認(rèn)為是從這兩個(gè)角度來思考的。例如，固體的消失和顏色的變化就可以認(rèn)為是反應(yīng)物消耗的一種表現(xiàn)，而氣體的生成以及沉淀的生成就可以認(rèn)為是生成物生成的一種表現(xiàn)。

因此，總結(jié)出判斷化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一般方法如圖6所示。

圖6 判斷化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的一般方法