在比較中選擇在選擇中優(yōu)化

曹先　楊軍峰

摘要： CO2的實驗室制取是初中化學(xué)重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，探究的重點通常為CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，但對試劑的選擇、優(yōu)化較少涉及。本文依據(jù)“元素守恒”思想，結(jié)合化學(xué)史和實驗對CO2實驗室制取中藥品的選擇進(jìn)行多維度探究，突破知識難點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： CO2的實驗室制取;元素守恒;藥品選擇;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2022）06x-0090-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.024

一、問題的提出

CO2的實驗室制取是九年級學(xué)生必須完成的八個基礎(chǔ)化學(xué)實驗之一，《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的內(nèi)容要求是：初步學(xué)習(xí) CO2的實驗室制法

[1]即要求學(xué)生學(xué)會有關(guān)制取二氧化碳的方法，對制

取氣體的一般思路有基本了解，包括藥品的選擇、裝置的設(shè)計、實驗的方法等[2]。實驗室制取氣體的一般思路如圖1所示[3]：

在教學(xué)實踐中，教師大多聚焦于 CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，反應(yīng)原理的選擇，氣體純度、反應(yīng)條件以及反應(yīng)速率等，對于如何依據(jù)質(zhì)量守恒定律選擇藥品，如何依據(jù)藥品價格等對藥品進(jìn)行優(yōu)化關(guān)注較少[4]?；谝陨险J(rèn)識，筆者通過重構(gòu)教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，設(shè)計了“實驗室制取二氧化碳的藥品選擇”的實驗探究課。

二、教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）依據(jù)“化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變”，從常見物質(zhì)中挑選出實驗室可以制取CO2的物質(zhì)，樹立元素守恒的思想。

（2）能結(jié)合藥品價格、狀態(tài)及反應(yīng)條件對實驗室可以制取CO2的藥品進(jìn)行篩選與優(yōu)化，增強學(xué)生節(jié)約成本、降低能耗等意識。

（3）通過物質(zhì)組成分析以及猜想假設(shè)、史料研讀、實驗設(shè)計等途徑，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.教學(xué)流程（見圖2）

三、教學(xué)實錄

環(huán)節(jié)一依據(jù)守恒探尋藥品

[回顧]實驗室為什么選用KMnO4、KClO3、H2O2等試劑制取O2？

[學(xué)生]因為它們的組成中都含有氧元素，分解后都能生成氧氣。

[問題]C、NaCl、CaCO3、MgCO3、NH4Cl 這些物質(zhì)，哪些有可能用于制取CO2？你判斷的依據(jù)是什么？

[學(xué)生1]C、CaCO3、MgCO3可能會用于制取CO2。

[學(xué)生2]依據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不變，C、 CaCO3、MgCO3組成中都含有碳元素，可能會用于制取 CO2。

[問題]C如何生成CO2？該方法是否適用于實驗室制取較為純凈的二氧化碳？為什么？

[學(xué)生1]碳和氧氣點燃后生成CO2。

[學(xué)生2]木炭還原氧化銅粉末生成CO2。

[學(xué)生3]碳和氧氣點燃后還會生成CO，得不到純凈的 CO2。木炭還原氧化銅粉末需要高溫條件，實驗操作繁瑣且耗能大。二者都不適合實驗室制取二氧化碳。

[問題]CaCO3、MgCO3都含有碳元素，能否制取 CO2？

環(huán)節(jié)二通過史料感悟藥品

[問題]西晉張華在《博物志》中有“燒白石作白灰”的記載，就是將白石（主要成分是 CaCO3）加熱到900℃左右會有白灰（CaO）生成。請判斷還有別的物質(zhì)生成嗎？張華為什么沒有記載？你認(rèn)為該物質(zhì)可能是什么？

[學(xué)生1]依據(jù)元素守恒，不可能只生成CaO，還應(yīng)該有含碳的物質(zhì)生成。

[學(xué)生2]張華沒有說明可能生成了氣體。

[學(xué)生3]氣體可能是CO2，也可能是CO，還可能二者都有。

[問題]1755年，英格蘭化學(xué)家布萊克做了類似實驗，將白堊（主要成分是 CaCO3）煅燒，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減了44%。你認(rèn)為氣體是什么？理由是什么？白堊煅燒的化學(xué)反應(yīng)方程式如何書寫？

[學(xué)生1]氣體是 CO2。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，假如白堊的質(zhì)量為100份，則其完全煅燒后會生成56份質(zhì)量的CaO，若生成氣體是CO2，質(zhì)量正好是44份。這與布萊克實驗數(shù)據(jù)吻合。

[學(xué)生2]白堊（石灰石）煅燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為 CaCO3 CaO+CO2↑

環(huán)節(jié)三對比分析優(yōu)化藥品

[問題]事實證明煅燒 MgCO3也會發(fā)生類似煅燒 CaCO3的反應(yīng)（分解溫度為700℃），它們的市場參考價：500 g碳酸鎂374元，500 g碳酸鈣20元。你會選擇哪一種藥品？

[學(xué)生1]還需要考慮試劑的價格。

[學(xué)生2]從價格的角度考慮，實驗室制取 CO2最好選擇白堊（石灰石）。

[問題]用高溫煅燒白堊（石灰石）的方法是否適合實驗室制取CO2？

[學(xué)生1]實驗室常用的加熱儀器是酒精燈，火焰的最高溫度為500℃，不能達(dá)到反應(yīng)的要求。

[學(xué)生2]如此高的溫度需要耗費大量的能源且不安全，不適合實驗室制取CO2。

[問題]實驗室制取 CO2氣體還需考慮反應(yīng)的條件。如果選擇價格相對便宜的白堊（石灰石）作為制取CO2的藥品之一，我們該如何讓它在較為溫和的條件下放出CO2氣體呢？下面是生活中常用的補鈣劑及相關(guān)信息（見圖3）。

仔細(xì)觀察后猜想：難溶于水的碳酸鈣中的鈣元素是如何被人體吸收的？

[學(xué)生1]應(yīng)該是碳酸鈣和胃液中的稀鹽酸發(fā)生了反應(yīng)，生成了可溶物被人體吸收了。

[學(xué)生2]從不良反應(yīng)“噯氣，胃腸脹氣”等推測有 CO2氣體產(chǎn)生。

[演示]碳酸鈣D3顆粒與稀鹽酸反應(yīng)并驗證產(chǎn)生的氣體是CO2。

[學(xué)生]大理石與稀鹽酸確實發(fā)生了反應(yīng)，生成的氣體能使澄清石灰水變渾濁，證明是CO2氣體。

[問題]廚房中的純堿（主要成分 Na2CO3）與碳酸鈣的組成有何相似之處？你認(rèn)為碳酸鈉與稀鹽酸可以反應(yīng)產(chǎn)生CO2嗎？

[學(xué)生1]都含有碳酸根離子（CO -）。

[學(xué)生2]它們的組成相似，應(yīng)該會產(chǎn)生CO2。

[分組實驗]Na2CO3粉末、CaCO3粉末、塊狀大理石分別與稀鹽酸反應(yīng)。觀察反應(yīng)速率的快慢。

[學(xué)生1]都有 CO2生成，但使用 Na2CO3粉末與 CaCO3粉末產(chǎn)生CO2的速率很快，不利于收集氣體。

[學(xué)生2]塊狀大理石產(chǎn)生CO2的速率適中，有利于收集氣體。實驗室可以用塊狀大理石和稀鹽酸反應(yīng)制取CO2。

[問題]塊狀大理石和稀鹽酸屬于“電性”反應(yīng)，即正價元素與負(fù)價元素結(jié)合?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如何書寫？

[學(xué)生1]CaCO3+2HCl〓CaCl2+H2O+CO2↑。

[學(xué)生2]從藥品的來源、價格的低廉、操作的簡便性和安全性等多方面考慮，在實驗室里，稀鹽酸與塊狀大理石反應(yīng)的速率適中，最適宜做實驗室制取CO2的原料。

四、教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)質(zhì)量守恒定律在眾多化學(xué)物質(zhì)中快速篩選出實驗室制取CO2的合適藥品，強化學(xué)生的“元素守恒”思想，幫助學(xué)生構(gòu)建氣體制取中藥品選擇的思維模型，通過對 CO2發(fā)現(xiàn)史中部分史料的分析，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行分析推理的能力。通過對比 CaCO3、MgCO3、Na2CO3組成和結(jié)構(gòu)，預(yù)測它們在一定條件下都可以產(chǎn)生CO2，滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的基本觀念，學(xué)生從微觀層面認(rèn)識物質(zhì)的水平得到提高。通過創(chuàng)新實驗，既適當(dāng)拓展了教材內(nèi)容，有利于學(xué)生掌握知識、開闊視野，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，學(xué)生真正學(xué)會在實驗室制取氣體時如何選擇試劑。

總之，CO2的實驗室制法是鞏固和深化氣體物質(zhì)實驗室制取的思路和方法、訓(xùn)練基本實驗技能及發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的重要載體[5]。教師在教學(xué)中應(yīng)該充分挖掘其中蘊含的學(xué)科價值與學(xué)科思想，在引導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)科知識、基本技能、基本方法的同時，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]婁延果.課程標(biāo)準(zhǔn)案例式導(dǎo)讀與學(xué)習(xí)內(nèi)容要點[M].吉林：東北師范大學(xué)出版社，2012.

[3]王榮橋等.2021年中考化學(xué)復(fù)習(xí)備考研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2021（03）：41-49.

[4]繆徐.“二氧化碳制取的研究”教學(xué)設(shè)計及點評[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2009（03）：18-21.

[5]楊梓生，吳菊華，林紅梁.初中化學(xué)教材與教學(xué)微研究（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2017.