石頭紙中碳酸鈣的定性檢測(cè)和定量測(cè)定

李小靜

摘要：從證據(jù)推理的角度，設(shè)計(jì)“石頭紙中主要成分碳酸鈣的檢測(cè)”定性、定量實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了混合物中主要成分檢測(cè)的一般思維模型。

關(guān)鍵詞：石頭紙;成分檢測(cè);含量測(cè)定

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0047-03?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.012

一、問(wèn)題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》指出：初中學(xué)生要“知道科學(xué)探究可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察等多種手段獲取事實(shí)和證據(jù)”、要“認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究既需要觀察和實(shí)驗(yàn)，又需要進(jìn)行推理和判斷”。將證據(jù)推理與實(shí)驗(yàn)探究融合，能增進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還存在“記住實(shí)驗(yàn)結(jié)論重于體驗(yàn)過(guò)程”的現(xiàn)象，尤其在復(fù)習(xí)階段，學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)似乎都是在做題過(guò)程中進(jìn)行。

生活中的經(jīng)歷是發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的最直接來(lái)源，通過(guò)對(duì)生活中發(fā)現(xiàn)的有價(jià)值問(wèn)題的探究，可以在實(shí)踐活動(dòng)中完成知識(shí)的建構(gòu)、能力的培養(yǎng)，形成良好的科學(xué)素養(yǎng)[1]。石頭紙是日常生活中比較常見(jiàn)的紙張，其主要成分是碳酸鈣，石頭紙中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%。在學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)中，碳酸鈣是一種堅(jiān)硬的固體，它能用來(lái)制作柔軟的紙張？如果答案是肯定的，那石頭紙中碳酸鈣的含量又是多少？筆者基于證據(jù)推理，圍繞“物質(zhì)成分的探究”“物質(zhì)含量的測(cè)定”兩個(gè)主題，設(shè)計(jì)了“石頭紙主要成分的檢測(cè)”“石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣含量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，旨在解決以下問(wèn)題：

1.如何從證據(jù)推理角度構(gòu)建混合物中主要成分檢測(cè)的思維模型？

2.如何構(gòu)建混合物中純凈物含量測(cè)定的思維模型？

二、石頭紙的主要成分的檢測(cè)

石頭紙的主要成分是碳酸鈣，如何檢測(cè)？教師引導(dǎo)學(xué)生從碳酸根離子和鈣離子兩個(gè)角度進(jìn)行檢測(cè)。以下實(shí)驗(yàn)所用的石頭紙是長(zhǎng)13 cm、寬7 cm 的便簽紙。

1.碳酸根離子的檢測(cè)

（1）初步探究

原理：碳酸根離子能與氫離子結(jié)合生成二氧化碳?xì)怏w。

藥品：石頭紙1張、10%的稀鹽酸5 mL。

儀器：小燒杯、鑷子、玻璃棒。

實(shí)驗(yàn)操作：將石頭紙撕碎放入小燒杯中，倒入10%的稀鹽酸浸沒(méi)石頭紙，用玻璃棒攪拌。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：石頭紙表面沒(méi)有氣泡產(chǎn)生。

為什么石頭紙浸入稀鹽酸中沒(méi)有產(chǎn)生氣泡？猜想1：可能是石頭紙中碳酸鈣的含量太低;猜想2：可能是石頭紙中的其它成分影響了碳酸鈣與稀鹽酸的反應(yīng)。

（2）查閱資料

學(xué)生查閱資料發(fā)現(xiàn)：①石頭紙中碳酸鈣的含量一般為80%左右;②石頭紙的主要成分是碳酸鈣，石頭紙表面涂層中還含有高分子聚合物（聚乙烯）。根據(jù)資料，學(xué)生排除了猜想1的可能性，明確了猜想2的可能：表面涂層中的高分子聚合物（聚乙烯）對(duì)碳酸鈣和稀鹽酸的反應(yīng)產(chǎn)生了影響。那如何消除這個(gè)影響？教師引導(dǎo)學(xué)生再次探究。

（3）再次探究

師生經(jīng)過(guò)討論，認(rèn)為可用兩種方法消除高分子聚合物（聚乙烯）對(duì)碳酸鈣和稀鹽酸反應(yīng)的影響，一是用砂皮紙打磨法，二是用燃燒法。

①砂皮紙打磨法

藥品：石頭紙1張、10%的稀鹽酸5 mL、澄清石灰水少量。

儀器：砂皮紙、鑷子、試管2只、帶導(dǎo)管的橡皮塞。

實(shí)驗(yàn)操作：用砂皮紙打磨石頭紙后，將石頭紙撕碎放入試管中，倒入5 mL10%的稀鹽酸，塞上帶導(dǎo)管的橡皮塞，將導(dǎo)管另一端插入裝有澄清石灰水的試管中。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：石頭紙表面附著一層細(xì)密的氣泡，充分振蕩試管，較長(zhǎng)時(shí)間后澄清石灰水變渾濁。

②燃燒法

藥品：石頭紙2張、10%的稀鹽酸5 mL、澄清石灰水少量。

儀器：酒精燈、坩堝鉗、火柴、石棉網(wǎng)、藥匙、試管2只、帶導(dǎo)管的橡皮塞。

實(shí)驗(yàn)操作：用坩堝鉗夾持石頭紙?jiān)诰凭珶艋鹧嫔宵c(diǎn)燃，移到石棉網(wǎng)上方，待火焰熄滅后，用藥匙取石棉網(wǎng)上的少量灰燼放入試管中，倒入5 mL10%的稀鹽酸，迅速塞上帶導(dǎo)管的橡皮塞，將導(dǎo)管另一端插入裝有澄清石灰水的試管中。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：灰燼表面迅速產(chǎn)生大量氣泡，澄清石灰水很快變渾濁。

以上兩種方法都能檢測(cè)石頭紙中含碳酸根離子，且第2種方法現(xiàn)象更明顯。

2.鈣離子的檢測(cè)

藥品：石頭紙燃燒后的灰燼、10%的稀鹽酸、酒精。

儀器：鐵架臺(tái)、鐵圈、燒杯、玻璃棒、漏斗、濾紙、酒精燈、蒸發(fā)皿、火柴、藥匙、研缽。

實(shí)驗(yàn)操作：取石頭紙燃燒后的灰燼放入燒杯中，倒入10%的稀鹽酸直到不再產(chǎn)生氣泡，過(guò)濾，將濾液蒸干，從蒸發(fā)皿中取出粉末，研細(xì)后放在倒置的小燒杯上，滴加6滴酒精，點(diǎn)燃。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：產(chǎn)生磚紅色火焰。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：石頭紙中存在鈣離子。

石頭紙打磨后浸入水中，石頭紙不變濕，再結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可得出：石頭紙的主要成分是碳酸鈣。

從以上探究過(guò)程構(gòu)建混合物中主要成分檢測(cè)的一般思維模型為：明確混合物的成分，若成分中有物質(zhì)對(duì)主要成分的檢測(cè)產(chǎn)生干擾，則先排除干擾，再利用主要成分的化學(xué)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)脑噭┡c其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)產(chǎn)生的現(xiàn)象就可檢測(cè)出該成分?；旌衔镏兄饕煞謾z測(cè)的流程如圖1所示。

三、石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣含量的測(cè)定

因本次實(shí)驗(yàn)使用的石頭紙不能直接與稀鹽酸反應(yīng)，所以無(wú)法直接測(cè)定石頭紙中碳酸鈣的含量。筆者將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：如何測(cè)定石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣的含量？學(xué)生經(jīng)過(guò)充分討論，提出依據(jù)的原理是： CaCO3+2HCl CaCl2+H2O+CO2↑，并從測(cè)量生成物二氧化碳或氯化鈣的質(zhì)量的角度思考，設(shè)計(jì)出以下方案。E1C459A2-3620-4245-BECB-23DFAC1BD60D

1.測(cè)量二氧化碳體積法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)操作：連接裝置并檢查氣密性。取一定量石頭紙燃燒后的灰燼于錐形瓶中，向恒壓分液漏斗中倒入足量的10%的稀鹽酸，調(diào)節(jié)量氣裝置兩邊液面相平，讀取量氣管讀數(shù)為 V1，將稀鹽酸慢慢滴入錐形瓶中至不再產(chǎn)生氣泡，裝置冷卻到室溫后，再次調(diào)節(jié)量氣裝置兩邊液面相平，讀取量氣管讀數(shù)為 V2，V2-V1即產(chǎn)生的二氧化碳的體積，轉(zhuǎn)化為二氧化碳的質(zhì)量，再依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出灰燼中碳酸鈣的質(zhì)量，從而計(jì)算出灰燼中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.測(cè)量二氧化碳質(zhì)量法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)操作：連接裝置并檢查氣密性良好。取一定量的石頭紙燃燒后的灰燼于錐形瓶中，向分液漏斗中倒入足量的10%的稀鹽酸。向錐形瓶左側(cè)通N2，一段時(shí)間后稱量裝置D 的質(zhì)量為M1，將稀鹽酸慢慢滴入錐形瓶至不再產(chǎn)生氣泡，再向錐形瓶左側(cè)通N2，再次稱量裝置D 的質(zhì)量為M2，M2-M1的質(zhì)量即為生成的二氧化碳的質(zhì)量，再依據(jù)以上方法計(jì)算出灰燼中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.測(cè)量氯化鈣固體質(zhì)量法

實(shí)驗(yàn)操作：在一定質(zhì)量的灰燼中倒入足量的10%的稀鹽酸直到不再產(chǎn)生氣泡，過(guò)濾，將濾液蒸發(fā)得到無(wú)水氯化鈣粉末，稱量粉末的質(zhì)量，再依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出碳酸鈣的質(zhì)量，從而計(jì)算出灰燼中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

以上3種方法理論上都可行，但實(shí)際操作、計(jì)算比較繁瑣，而且產(chǎn)生的誤差較大。筆者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)出生成的二氧化碳的濃度，轉(zhuǎn)換成二氧化碳的質(zhì)量。

4.測(cè)量二氧化碳濃度法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)操作：連接裝置并檢查氣密性。取2.0 g石頭紙燃燒后的灰燼于250 mL 的三頸燒瓶中，放入攪拌子，向恒壓滴液漏斗中加入足量的10%的稀鹽酸，打開(kāi)活塞并開(kāi)始攪拌，檢測(cè)到三頸燒瓶?jī)?nèi)二氧化碳的濃度由原空氣中含量991 ppm最終上升到50528 ppm，變化過(guò)程如圖5所示。將測(cè)得的二氧化碳濃度換算成二氧化碳的質(zhì)量約為0.54 g。據(jù)此計(jì)算出石頭紙燃燒產(chǎn)生的灰燼中碳酸鈣的含量約為61.4%。

至此，學(xué)生產(chǎn)生了疑問(wèn)：根據(jù)查閱的資料，石頭紙中碳酸鈣的含量為80%左右，石頭紙燃燒后，質(zhì)量變小，理論上碳酸鈣的含量應(yīng)該變大，為什么計(jì)算的結(jié)果卻相反？學(xué)生猜測(cè)：石頭紙中的碳酸鈣在燃燒時(shí)有部分分解了。如何驗(yàn)證這個(gè)猜測(cè)？學(xué)生又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究：取少量石頭紙燃燒后的灰燼于燒杯中，加少量水?dāng)嚢瑁o置后在上層液體中滴加無(wú)色酚酞試液，酚酞變紅，說(shuō)明石頭紙?jiān)谌紵倪^(guò)程中，其中有部分碳酸鈣粉末發(fā)生分解。

從以上探究過(guò)程構(gòu)建混合物中主要成分含量測(cè)定的一般思維模型為：明確測(cè)定該物質(zhì)含量依據(jù)的原理，找準(zhǔn)測(cè)定質(zhì)量的物質(zhì)，確定好實(shí)驗(yàn)裝置及規(guī)范的操作步驟，測(cè)出找準(zhǔn)的物質(zhì)的質(zhì)量，若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生誤差，則分析產(chǎn)生誤差的原因。混合物中主要成分含量測(cè)定的流程如圖6所示。

四、反思

1.從證據(jù)推理的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生都是根據(jù)課本上設(shè)定的實(shí)驗(yàn)步驟做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是“照本宣科”，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生仍缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的理解。本研究從生活中的石頭紙中提取出有價(jià)值的化學(xué)問(wèn)題“如何檢測(cè)石頭紙的主要成分”？“如何測(cè)定石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣的含量？”引導(dǎo)學(xué)生尋找證據(jù)進(jìn)行推理、探究，通過(guò)查閱資料、實(shí)驗(yàn)等手段，尋找本質(zhì)原因，建立實(shí)驗(yàn)事實(shí)（現(xiàn)象）作為證據(jù)，概括關(guān)聯(lián)整合已學(xué)知識(shí)，初步進(jìn)行推理預(yù)測(cè)并分析解釋，逐步明確證據(jù)與結(jié)論的聯(lián)系[2]，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.從定性到定量進(jìn)行探究

探究“如何檢測(cè)石頭紙的主要成分？”是引導(dǎo)學(xué)生從鈣離子、碳酸根離子檢驗(yàn)的角度進(jìn)行定性分析，探究“如何測(cè)定石頭紙燃燒后灰燼中碳酸鈣的含量？”則巧妙地從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究，定性與定量組合，多角度綜合分析，促進(jìn)認(rèn)知模型的逐步完善、理解[2]，有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維。

3.運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段

在“測(cè)定石頭紙燃燒后的灰燼中碳酸鈣的含量”實(shí)驗(yàn)中，使用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置中二氧化碳的濃度變化值，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，操作更為簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)[3]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步豐富了教學(xué)資源，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、能力和精神。在今后的教學(xué)中，我們還需進(jìn)一步研究，加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，以達(dá)到更好的效果。

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