H2O2漂白實驗設計及教學實踐

李根薰 黃麗琴

福建省廈門實驗中學(361116)

1 問題提出

高中階段的教學對“漂白”這一概念只是簡單介紹漂白作用、漂白劑種類(如氯水、二氧化硫、H2O2等),對漂白作用的機理、漂白實驗的細節(jié)等未展開討論。近幾年的高考試卷如2022年海南、遼寧、廣東卷,2021年湖南卷都有漂白問題考查題目,因此教學中有必要做一些補充。新的化學課程標準特別強調培養(yǎng)學生在真實復雜的情境中解決問題的能力。日常教學中被忽視的概念恰好可用作學生深度學習的素材,因為這有助于對學生已有淺層認知形成沖擊,這也是筆者研究“漂白”問題深度學習的原因。

高中階段“漂白”的教學通常以氯水為研究對象,但是氯水毒性較大,為此筆者選用毒性較小的H2O2作為教學素材,從漂白對象、堿源影響、漂白效果3個方面深度開發(fā)漂白原創(chuàng)型實驗。課堂教學實踐中一步步引導學生通過小組合作分析相關資料、完成新型探究實驗、交流合作探討實驗結果,實現(xiàn)“漂白”問題的深度認知。通過這些活動幫助學生全面認識漂白問題,獲得解決陌生情境問題的能力。

2 漂白問題深度學習三步策略:問題剖析、實驗設計及教學實踐

2.1 三個維度深度認識物質的漂白

首先漂白對象不同,漂白的含義略有差異。查閱漢語詞典,漂白的定義為:用水加化學藥品使東西退去顏色或者變白。筆者總結生產生活中常見的漂白對象如圖1所示。在工業(yè)上漂白主要指織物、木材、食品等的漂白;在生活中漂白主要是衣服、廚具等漂白;在科學研究和醫(yī)學中漂白通常指去除有色物質。有的漂白只是簡單將有色物質吸附或者去除,漂白對象的本體結構幾乎不發(fā)生變化;有的漂白過程中發(fā)生了化學變化,破壞了有色物質結構,這一類漂白有時候也會造成漂白對象(本體)一定程度上的結構破壞。高中化學教學中的漂白對象通常為有機色質。

其次不同物質有不同漂白機理,高中化學教學中常涉及氧化型漂白、吸附型漂白。例如臭氧、H2O2、氯水等漂白機理為氧化型漂白;活性炭、白土等為吸附型漂白;另外還有還原型漂白,如保險粉、二氧化硫脲等。SO2使品紅溶液褪色就是典型的還原型漂白實驗[1]。在一些高中試題中還會涉及電化學漂白、生物酶漂白等。具體如圖2所示。

圖1 生產生活中的漂白對象

圖2 常見漂白劑種類及其漂白機理總結圖

最后,漂白效果受到實驗條件的影響,同一個漂白實驗,在不同條件下漂白效果差異較大。漂白速率也與漂白實驗條件密切相關。文豐玉等使用H2O2對紅玫瑰進行漂白,發(fā)現(xiàn)在25 ℃條件下,30% H2O2約2 h就能漂白玫瑰,5%H2O2則需要32 h[4]。不同濃度條件下H2O2漂白紅玫瑰所需時間存在顯著差異,因此對于同一個漂白實驗,條件優(yōu)化是重要研究內容。

2.2 H2O2漂白實驗設計

H2O2是一種環(huán)保型漂白劑,漂白產物為水,污染少且可漂白對象多,在工業(yè)上有廣泛運用[2]。高中教材中對H2O2的漂白問題介紹極少,但是H2O2漂白問題在高中質量檢測卷中卻常出現(xiàn),因此有必要進行補充。H2O2是相對安全的試劑,普通高中都有配備,取用較為方便,設計這類實驗有利于推廣。筆者設計了一系列漂白實驗,作為高中化學實驗教學補充。

2.2.1 實驗設計思路

H2O2的漂白實驗,主要解決如下幾個問題。(1)H2O2漂白主要用于棉、麻、紙漿、油畫等的漂白,針對不同漂白對象,漂白效果有差異,如何選擇一種適合于高中課堂教學的漂白對象呢?(2)H2O2的漂白需要在堿性條件下進行,但是堿性過強,對漂白對象有破壞作用,因此工業(yè)上開發(fā)一個漂白工藝,需要對堿源進行優(yōu)化,高中教學中是否也可以引入這一問題?(3)漂白實驗中使用的添加劑常含有過渡金屬離子,這些金屬離子對H2O2有分解作用,因此會造成原材料H2O2損失(工業(yè)生產活動中影響較大),如何減少H2O2的損失?(4)高中課堂演示實驗往往要求達到快速、安全且現(xiàn)象明顯的效果。在工業(yè)生產中,漂白速率的加快有利于提高生產效率。如何增強H2O2的漂白性?筆者設計了3組實驗分別探究漂白對象、堿源、活化劑(硅酸鈉、TAED等)及反應溫度對H2O2漂白效果的影響。實驗研究內容及研究目的見表1。

表1 3組實驗設計的主要研究內容及研究目的

2.2.2 實驗1:不同漂白對象漂白實驗

(1)在3支試管中分別加入1 mL 30%H2O2,并在每支試管中加入1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液,觀察實驗現(xiàn)象。接著在3支試管中依次加入新鮮花瓣、普通A4打印紙(含有文字)、無色酚酞溶液。記錄不同漂白對象褪色時間。

(2)對比實驗:使用新制氯水對3種物質進行漂白,對比漂白結果。

(3)使用1 mL 5%H2O2重復步驟(1)實驗。

實驗結果:30% H2O2中加入NaOH溶液后,溶液不斷冒泡,發(fā)生分解反應。使用H2O2漂白花瓣、紙張需兩天甚至幾天時間才能褪色,最終可以觀察到紙片被分解成紙漿,這說明H2O2破壞了紙張本體。堿性H2O2加入無色酚酞溶液呈先變紅后快速褪色現(xiàn)象,漂白時間短,繼續(xù)添加堿液溶液不變紅,說明酚酞已經被破壞。使用氯水漂白花瓣、酚酞溶液可較快速褪色,說明氯水相比H2O2漂白速率更快。5% H2O2溶液依舊能夠快速漂白酚酞。

2.2.3 實驗2:不同種類堿對H2O2漂白效果影響

(1)部分溶液配制:①0.1 mol/L(pH=11)NaOH溶液:0.400 g NaOH配成100 mL溶液;②Mg(OH)2溶液配制:向40 mL pH=11的NaOH中加入稍過量MgCl2固體得到Mg(OH)2懸濁液;③0.1 mol/L Na2CO3溶液:1.060 g Na2CO3溶液配成100 mL溶液。

(2)取2支試管,分別加入紫色石蕊溶液1 mL,其中1支加入10滴0.1 mol/L NaOH溶液,另1支加入少量水。在2支試管中各加入30%H2O2溶液1 mL,觀察溶液變化,完成試管1、試管2實驗(見表2)。

(3)在不同試管中依次加入對應量試劑,完成試管3、試管4實驗,觀察實驗現(xiàn)象(見表2)。

表2 石蕊漂白實驗中不同試劑添加量

實驗2結果:如圖3所示,由于H2O2可以在幾秒內漂白酚酞溶液而需要較長時間才能漂白紫色石蕊溶液,但是實驗2選用石蕊為研究對象。如果不加入堿,30%H2O2需要5天才能漂白石蕊。實驗表明加入不同堿源都能加速H2O2對石蕊的漂白。但是在同等條件下應選用堿性較弱的堿,以防止堿性過強造成漂白對象本體的破壞。同時實驗發(fā)現(xiàn),加入堿液后H2O2中產生大量氣泡,這有可能是堿源中少量過渡金屬離子對H2O2催化分解作用造成的。

圖3 H2O2對紫色石蕊漂白實驗研究

2.2.4 實驗3:H2O2漂白加速實驗

(1)常規(guī)加速方式對H2O2漂白實驗影響:取4支試管,編號1、2、3、4。分別加入紫色石蕊溶液1 mL,接著各加入10滴0.01 mol/L NaOH溶液及30% H2O2溶液1 mL,最后在試管2、試管3中各加入約0.1 g EDTA二鈉鹽(乙二胺四乙酸二鈉),在試管4中加入約1 g硅酸鈉固體。搖勻后加熱試管3,其他組室溫反應,觀察溶液顏色變化(見表3),對比這些物質對漂白是否有活化作用。

(2)TAED(四乙酰乙二胺)作活化劑對漂白實驗影響:在試管5中加入1 mL 30% H2O2及少量碳酸鈉固體,調節(jié)pH至6～8。維持該pH。5 min后加入對應量TAED(見表3)。振蕩反應2 min后得到漂白母液。向漂白母液中加入0.5 mL紫色石蕊溶液,置于室溫環(huán)境觀察溶液變化。

表3 石蕊漂白實驗中不同試劑添加量對漂白速率影響

實驗3結果:筆者參考文獻實驗結果選定了有可能加速H2O2分解速率的活化劑:EDTA、硅酸鈉、四乙酰乙二胺(TAED)。實驗發(fā)現(xiàn)加入EDTA二鈉鹽后,H2O2的分解減少,可能的機理為EDTA對過渡金屬離子具有螯合作用,減小了過渡金屬離子的濃度,從而減少H2O2自分解,提高H2O2利用率。硅酸鈉的活化作用不明顯,而TAED確實有一定活化作用,但是漂白時間仍舊較長。實驗證明加熱可以顯著加快漂白速率。因此高中課堂教學中可以引入EDTA并加熱這組實驗。

2.3 教學實踐

圖4為H2O2漂白效果教學實踐設計思路?；诤诵膯栴}:如何深度認識H2O2的漂白作用,依次討論5個漂白問題:漂白的基本定義、漂白對象的差異、H2O2漂白原理、實驗條件對漂白效果影響、H2O2用于牙齒漂白的分析。5個問題對應5個小組活動。這些活動的設計不僅服務于知識教學,更重要在于發(fā)展學生獲取信息、辯證思考問題、科學探究化學問題、合理歸納實驗結果等能力。

教學中5個小組活動如設計意圖見表4。學生通過資料閱讀、信息提取、分析綜合、實驗研究等活動解決相關問題。

在課堂討論基礎上,可以進一步引導學生在課后開展實驗研究。如H2O2活化劑開發(fā)、過氧化鈉的漂白機理分析、牙齒漂白中使用過氧化氫脲的主要原因等。

圖4 H2O2漂白問題教學設計思路

表4 課堂教學活動具體內容

3 總結與討論

3.1 通過系列探究實驗,總結如下結論

(1)H2O2對指示劑漂白作用顯著,其中H2O2可以快速漂白酚酞溶液,可以作為高中課堂演示實驗使用材料,H2O2對紫色石蕊溶液的漂白需要5 h,可用作課外探究實驗。

(2)H2O2在不同堿源條件下都能加速對紫色石蕊溶液的漂白速率,但是堿溶液中過氧化氫溶液冒出大量氣泡,造成損失,需要補充添加劑以減少H2O2分解。

(3)EDTA能夠與過渡金屬離子螯合,對減少H2O2自分解有顯著作用;TAED對H2O2有一定活化作用,能夠縮短漂白時間;加熱后可以大大加快漂白速率,但是工業(yè)上加熱需要額外成本。

3.2 教學實踐總結

(1)本次教學從基本概念原理出發(fā),接著優(yōu)化實驗條件,最后探討運用價值。教學過程引導學生從多維度探討漂白問題,逐步建立較為全面的認識,改變了學生固有的單一認知,大大拓寬學生視野。

(2)課堂教學過程中,學生自主提出問題并開展實驗探究,極大提高了學生學習興趣,同時培養(yǎng)學生思考問題、分析問題、解決問題的能力。

(3)本次教學是一個將工業(yè)生產問題向高中課堂轉化的典型案例。H2O2在工業(yè)使用中面臨自分解、堿源影響等問題。在高中課堂可以引導學生開展實驗探究分析解決這些真實問題,有利于強化學生對化學學科價值的認可。