淺談實(shí)驗(yàn)探究在化學(xué)教學(xué)中的意義

趙孟剛

摘? 要：化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性質(zhì)很強(qiáng)的學(xué)科，在化學(xué)知識(shí)中，關(guān)于鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)，為何沒(méi)置換出紅色的銅的問(wèn)題，根據(jù)金屬活動(dòng)性順序可知，Cu2+的氧化性強(qiáng)于H+，鈉卻與硫酸銅溶液中的水先反應(yīng)，文章就這一問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做了深入的分析，形成了教學(xué)案例，闡述了在高中化學(xué)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的重要性，以期為其他教育工作者提供一定的教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué);置換反應(yīng);實(shí)驗(yàn)探究

一、關(guān)于鈉的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的引入

鈉的有關(guān)知識(shí)，是高中必學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，在講解鈉的化學(xué)性質(zhì)時(shí)，鈉與鹽溶液的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是證明鈉化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷闹匾囼?yàn)，教師通常用鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)來(lái)講解。實(shí)驗(yàn)時(shí)教師一般取黃豆大小的鈉扔到盛有硫酸銅溶液的燒杯里，看到的現(xiàn)象是“浮、熔、游、響、藍(lán)色沉淀”，未見(jiàn)到有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，很多學(xué)生的疑惑油然而生，而教師一般解釋是：鈉的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，先與水反應(yīng)，生成的氫氧化鈉再與硫酸銅反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀。實(shí)際上，這個(gè)解釋很難消除學(xué)生的疑惑，眾所周知，銅離子的氧化性比氫離子強(qiáng)，這是不爭(zhēng)的事實(shí)，鈉再活潑，也應(yīng)該先與銅離子反應(yīng)，置換出銅單質(zhì)。此時(shí)教師不得不做出更深層次的解釋。那深層次的解釋又是什么呢？又如何用鈉置換出CuSO4中的銅呢？這就要求教師要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以厘清學(xué)生的疑思。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

文章就鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)，專門進(jìn)行了探究和分析。實(shí)驗(yàn)案例如下：實(shí)驗(yàn)前，教師首先讓學(xué)生分析鈉的化學(xué)性質(zhì)，其活潑性比銅強(qiáng)，根據(jù)前置后，強(qiáng)制弱的原則，將鈉投入到硫酸銅溶液中，能看到溶液顏色變淺，鈉消失，并且有紅色物質(zhì)出現(xiàn)。4個(gè)小組的學(xué)生將黃豆大小的鈉投入到硫酸銅溶液中，同時(shí)觀察現(xiàn)象，學(xué)生得出的結(jié)論均是：鈉消失，有氣泡，同時(shí)有藍(lán)色沉淀產(chǎn)生，但無(wú)紅色物質(zhì)出現(xiàn)。4個(gè)小組的成員都陷入了沉思，為什么沒(méi)有看見(jiàn)紅色物質(zhì)呢？

而后，學(xué)生開(kāi)始討論，教師引導(dǎo)學(xué)生就此問(wèn)題進(jìn)行探究，組織學(xué)生小組合作分工，分別開(kāi)展查閱資料和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（一）提出問(wèn)題

問(wèn)題1：鈉為何在硫酸銅溶液里沒(méi)置換出銅？

問(wèn)題2：鈉能否置換出硫酸銅中的銅？

（二）猜想

猜想1：鈉的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，放在硫酸銅溶液中先與水接觸，發(fā)生反應(yīng)：由于鈉的密度比水小，浮于水面，與銅離子接觸面小，故難置換出銅。

猜想2：由于硫酸銅溶液中，銅離子與水分子形成配合離子——四水合銅離子，Cu2+被包裹，即銅離子難與金屬鈉“見(jiàn)面”，故難以反應(yīng)。

猜想3：硫酸銅溶液中，銅離子濃度太小，幾乎被水隔開(kāi)。

猜想4：一定條件下，鈉能置換出硫酸銅中的銅。

（三）查閱資料

1. 四水合銅離子在水溶液中存在平衡。

[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O

2. 五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3. 硫酸銅晶體分解溫度：

45℃：CuSO4·5H2O=CuSO4·3H2O+2H2O

110℃以上：CuSO4·3H2O=CuSO4·2H2O+2H2O

258℃以上：CuSO4·2H2O=CuSO4+H2O

650℃：CuSO4=2CuO+SO3

（四）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)1：實(shí)驗(yàn)時(shí)取一小塊鎂條，用砂紙打磨掉表面的氧化膜，然后放進(jìn)盛有硫酸銅溶液的試管里。

現(xiàn)象：有大量氣泡產(chǎn)生，在鎂條表面聚集有紅色物質(zhì)出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)2：將硫酸銅配成熱飽和溶液，直至冷卻后，有大量硫酸銅晶體析出來(lái)，細(xì)心的學(xué)生將鈉塊包裹在石蠟里，然后用小針刺一些小孔，用小木棍將其浸泡在熱的飽和硫酸銅溶液里。

現(xiàn)象：偶有氣泡產(chǎn)生，并有白色懸浮物產(chǎn)生（是鈉受熱融化后的凝固物）。

將反應(yīng)后的溶液用水稀釋，觀察燒杯底部有黑色物質(zhì)，向其中加入足量鹽酸，充分震蕩，黑色物質(zhì)完全消失，溶液變澄清透明綠色溶液，說(shuō)明無(wú)銅單質(zhì)產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)3：取兩藥匙硫酸銅晶體于試管中，然后用鑷子取黃豆大小的鈉塊放進(jìn)硫酸銅晶體中，固定在鐵架臺(tái)上加熱。

現(xiàn)象：試管壁有水珠產(chǎn)生，試管底部部分硫酸銅晶體由藍(lán)色變?yōu)榘咨?，一段時(shí)間后，鈉塊竄出晶體，產(chǎn)生火花，藍(lán)色晶體表面有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，還有黑色物質(zhì)出現(xiàn)。

將反應(yīng)后的紅色固體物質(zhì)和黑色物質(zhì)與未反應(yīng)的硫酸銅晶體分離開(kāi)，放在白色濾紙上，所產(chǎn)生的紅色銅一目了然。

（五）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析

1. 通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知，不管是鎂還是鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)，都有黑色物質(zhì)產(chǎn)生，將這些黑色物質(zhì)加水溶解，固體難溶于水，再滴加一定濃度的鹽酸，黑色物質(zhì)溶解，說(shuō)明產(chǎn)生的黑色物質(zhì)全是氧化銅。

2. 對(duì)實(shí)驗(yàn)1、2分析，鎂與硫酸銅溶液反應(yīng)產(chǎn)生大量的紅色物質(zhì)銅，而將鈉放到硫酸銅溶液中浸泡，仍然沒(méi)有銅產(chǎn)生，說(shuō)明鈉沒(méi)能大量置換出銅。

3. 實(shí)驗(yàn)3，硫酸銅晶體中，雖然銅離子的存在形式仍然是四水合銅離子，但由于“水分少”，通過(guò)查閱資料，四水合銅離子不穩(wěn)定，根據(jù)平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O加熱過(guò)程中水不斷減少，平衡向右移動(dòng)，鈉與銅離子發(fā)生置換反應(yīng)。

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)的解釋，根據(jù)配合物理論有關(guān)知識(shí)，四水合銅離子在水溶液中存在以下平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O，Cu2+的濃度很小，與鈉接觸的面積遠(yuǎn)沒(méi)有鈉與水接觸的面積大，所以鈉很難有機(jī)會(huì)置換出銅，而鎂不同，活潑性比鈉小，與水反應(yīng)弱得多（雖然加熱仍然要與水反應(yīng)）。雖然溶液中銅離子濃度很少，CuSO4在溶液中水解顯酸性，故將鎂放入硫酸銅溶液中，剛開(kāi)始有大量的氣泡產(chǎn)生，隨之有大量的銅在鎂片上聚集。本研究認(rèn)為，鎂與銅反應(yīng)，產(chǎn)生的銅與鎂形成原電池，堆積在鎂片上。而鈉與水反應(yīng)劇烈，且不斷熔化減小，難以像鎂那樣有足夠的條件置換出銅。

（六）學(xué)生總結(jié)與反思

實(shí)驗(yàn)2不能充分說(shuō)明鈉未與硫酸銅溶液反應(yīng)，生成的黑色物質(zhì)，是否是鈉置換出的銅與氧氣反應(yīng)生成了CuO所致？根據(jù)有關(guān)資料可知，是硫酸銅水解生成的氫氧化銅受熱分解所致。

實(shí)驗(yàn)3中鈉與CuSO4·5H2O反應(yīng)，雖然有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，但是試管破裂，在實(shí)際操作中存在安全隱患，有沒(méi)有安全的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)？要證明鈉只與水發(fā)生了反應(yīng)，最好是進(jìn)行定量分析，即取一定質(zhì)量的鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)，通過(guò)測(cè)量所收集氣體體積確定鈉的實(shí)際反應(yīng)情況，這樣得出的結(jié)論才嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)。對(duì)于試管中加熱鈉與CuSO4·5H2O晶體的混合物，可以在坩堝里進(jìn)行，這樣可以避免因試管炸裂而帶來(lái)的不安全的因素。

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1. 鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)，由于溶液中銅離子的存在形式而濃度較小，鈉與大量的水發(fā)生劇烈的反應(yīng)，體積不斷變小，難以得到銅物質(zhì)。

2. 鈉與硫酸銅晶體粉末混合加熱，能置換出銅。

三、實(shí)驗(yàn)探究在化學(xué)課堂教學(xué)中的重要意義

（一）挖掘?qū)W生設(shè)計(jì)潛能，促進(jìn)學(xué)生深度思考

本研究通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生探究鈉與硫酸銅溶液能否發(fā)生置換反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作動(dòng)手能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后激動(dòng)不已，尤其是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)置換出了銅的那一刻，自豪感油然而生，這不僅提升了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生為了能夠使鈉沉到溶液底部，能夠想到將蠟燭用燒熱的鐵絲將蠟燭中心掏空，然后將黃豆大小的鈉放進(jìn)去，再用融化的蠟燭將其封住，并插上木棍，用熱鐵絲在其四周刺上小孔，然后放到溶液中，設(shè)計(jì)巧妙，大膽創(chuàng)新，這是十分值得教師表?yè)P(yáng)的地方，體現(xiàn)了學(xué)生的深度思考與動(dòng)手能力。為了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生選擇鎂條而沒(méi)選擇鐵，是因?yàn)殇X、鐵與水不反應(yīng)，鎂與鈉化學(xué)性質(zhì)較近（打磨過(guò)的鎂雖與水反應(yīng)緩慢），再將硫酸銅晶體與鈉混合加熱，置換出了“期待中的銅”，學(xué)生的付出得到了回報(bào)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，充分挖掘了學(xué)生的設(shè)計(jì)潛能，打開(kāi)了學(xué)生的思考，也促使學(xué)生進(jìn)入化學(xué)知識(shí)的深度思考中。

在當(dāng)前教育部要求“雙減”的背景下，高中化學(xué)教師應(yīng)大膽放手，讓學(xué)生參與到教學(xué)中，深入思考，積極探索，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，從而讓學(xué)生體會(huì)到探究的樂(lè)趣，提升對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣。

（二）及時(shí)更新教學(xué)觀念，緊跟化學(xué)大概念課堂教學(xué)模式

隨著教育改革不斷深入，2020年，教育部印發(fā)了《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》。2022年4月《義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》也頒布實(shí)施，引領(lǐng)著我國(guó)教育改革正進(jìn)入新的階段。其中明確指出：“國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定課程性質(zhì)、課程理念、課程目標(biāo)、學(xué)業(yè)質(zhì)量和課程實(shí)施等，是教材編寫(xiě)、教學(xué)、考試評(píng)價(jià)以及課程實(shí)施管理的直接依據(jù)。”同時(shí)，還指出：“推進(jìn)綜合學(xué)習(xí)，整體理解與把握學(xué)習(xí)目標(biāo)，注重知識(shí)學(xué)習(xí)與價(jià)值教育有機(jī)融合，發(fā)揮每一個(gè)教學(xué)活動(dòng)多方面的育人價(jià)值?！?/p>

本研究探究鈉與硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例，是一次化學(xué)大概念課堂教學(xué)模式的重要實(shí)踐。如何提出問(wèn)題？如何實(shí)施才能達(dá)成目標(biāo)？學(xué)生在教師的引導(dǎo)下一步一步去思考，通過(guò)分工合作，默契配合，最后出色地完成了任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期效果。鈉及鈉的化學(xué)性質(zhì)這一主題可以分解成幾個(gè)小目標(biāo)，其中之一就是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鈉的化學(xué)性質(zhì)。再由學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)鈉與硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，既證明了鈉化學(xué)性質(zhì)的正常性，也證明了其特別（不能在正常情況下置換出紅色銅）之處，目的明確，方向性很強(qiáng)。教師再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)反思，如在設(shè)計(jì)上還有哪些不足？通過(guò)該探究是否達(dá)成了既定目標(biāo)？如何將這次的一系列探究運(yùn)用到以后的學(xué)習(xí)中，讓自己積極主動(dòng)地參與到知識(shí)的學(xué)習(xí)和探究中？諸如此類的問(wèn)題值得師生深入思考，也是所有高中化學(xué)教師需要不斷探索的地方，在以后的教學(xué)中不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，不斷更新教學(xué)理念。

讓學(xué)生真正融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，以達(dá)成對(duì)化學(xué)知識(shí)的扎實(shí)掌握和實(shí)驗(yàn)探究能力的提升，這是化學(xué)學(xué)科育人的有效體現(xiàn)，也是教師有效更新教學(xué)理念的表現(xiàn)，改變了過(guò)去滿堂灌的教學(xué)方式，緊跟化學(xué)大概念課堂教學(xué)模式，讓學(xué)生在動(dòng)態(tài)探究中得到了知識(shí)的輸入。

（三）以實(shí)驗(yàn)為依托，培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義觀

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的辯證唯物主義觀，學(xué)習(xí)到了如何實(shí)事求是、一分為二地看待問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然鈉是一種活潑性強(qiáng)的金屬，能與非金屬、水反應(yīng)，但不能與鹽溶液反應(yīng)直接置換出金屬，即活潑金屬不一定能置換出活潑性較弱的金屬，這與所處環(huán)境有關(guān)。以此類推，凡是活潑性比鈉強(qiáng)的金屬，都很難直接置換出鹽溶液中的金屬，在金屬活動(dòng)性表里，前面的金屬能從鹽溶液里置換出后面的金屬，但不包括K、Ca、Na。在高中教學(xué)中，同樣可以推出Rb、Cs、Ba等，本質(zhì)原因就是這些元素與水的反應(yīng)非常劇烈。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，這些金屬與硫酸銅混合加熱，仍然能置換出紅色的銅，體現(xiàn)了“強(qiáng)”置“弱”，所以一些反應(yīng)不是一成不變，環(huán)境不同，現(xiàn)象不同，產(chǎn)物不同。學(xué)生在這樣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，也感悟到了具體問(wèn)題具體分析，辯證地看待問(wèn)題的重要性。

四、結(jié)語(yǔ)

在高中化學(xué)的課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的意義。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)到化學(xué)知識(shí)，明晰化學(xué)概念，還能培養(yǎng)觀察能力和動(dòng)手能力，養(yǎng)成嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)以一種極其有效和直接的方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的課堂參與性，有效貼合了當(dāng)下的素質(zhì)教育理念和深度學(xué)習(xí)理念。

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（責(zé)任編輯：廖? 藝）