高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及教學(xué)策略

摘 要：“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”這一教學(xué)內(nèi)容是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的內(nèi)容，要想讓學(xué)生對(duì)這一內(nèi)容掌握得熟練，教師需要讓學(xué)生明確原本的“碳酸鈉，碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題和不足，并且提出相應(yīng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以便于最大限度內(nèi)滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.因此，本文選擇具體的題目對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以求為教師的教學(xué)工作提供相應(yīng)的參考.

關(guān)鍵詞：改進(jìn)策略；碳酸鈉；碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)；高中化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2023）24-0111-03

收稿日期：2023-05-25

作者簡(jiǎn)介：李文飛（1981.1-），湖北省襄陽(yáng)人，中學(xué)一級(jí)教師，從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究.

實(shí)驗(yàn)不僅是化學(xué)教學(xué)中最為活躍和生動(dòng)的教學(xué)手段，也是探究化學(xué)知識(shí)不可或缺的重要途徑^［1-2］.在新課程改革的背景下，要求化學(xué)實(shí)驗(yàn)朝著生活化、綠色化和現(xiàn)代化的方向轉(zhuǎn)變，以便于拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)思路^［3］.關(guān)于“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的內(nèi)容也是高中化學(xué)考試當(dāng)中不可忽視的內(nèi)容，為了對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，采取創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的情景，深入挖掘其中存在的聯(lián)系，組織學(xué)生積極開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法的探究，幫助學(xué)生形成高階思維^［4］.

1 傳統(tǒng)“碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)

例題 一個(gè)研究組研究了碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應(yīng).

（1）實(shí)驗(yàn)用品：

碳酸鈉粉末（置于廣口瓶）、稀鹽酸（置于容積為125 mL的細(xì)口瓶中）、抹布、紙槽、試管架、Ф15×150 mm的試管、大燒杯（盛裝廢液）、藥匙.

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：

①藥品與儀器需仔細(xì)檢查；

②選擇干燥試管，放入少量碳酸鈉粉末；

③將1～2 mL稀鹽酸加入試管中；

④觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)向監(jiān)考老師報(bào)告；

⑤實(shí)驗(yàn)完成后，及時(shí)清洗試管，并將實(shí)驗(yàn)器材復(fù)位.

（3）在含有少量碳酸鈉（俗稱______）和碳酸氫鈉的試管中加入足夠的稀鹽酸，觀察到兩者反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量氣泡.碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_____.

【問(wèn)題提出】

碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率相同嗎？

【實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)】

（4） A設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩個(gè)注射器中的稀鹽酸應(yīng)為_(kāi)_____ （充注操作），觀察到如圖2所示的現(xiàn)象.所以他得出結(jié)論，碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳更快.

（5） B質(zhì)疑A的實(shí)驗(yàn)：

①碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應(yīng)非常劇烈，很難通過(guò)觀察來(lái)判斷產(chǎn)氣速度;

②______，他認(rèn)為，應(yīng)該取含碳量相同的碳酸鈉和碳酸氫鈉，如果碳酸鈉的質(zhì)量仍然是0.318 g，應(yīng)該取______g碳酸氫鈉.

該組學(xué)生在老師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn).

①其中的連通管的作用是.

②取相同體積、相同碳元素重量的碳酸鈉和碳酸氫鈉稀溶液（各取2滴酚酞溶液）和足夠體積、相同濃度的稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液顏色變化記錄于表1.瓶?jī)?nèi)壓力隨時(shí)間的變化如圖4所示.

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】（6）通過(guò)分析圖4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出，在相同條件下，______與稀鹽酸反應(yīng)更快生成二氧化碳，原因是______.

【反思與應(yīng)用】

①二者與稀鹽酸反應(yīng)均很劇烈，稀鹽酸足量，相同質(zhì)量的碳酸鈉和碳酸氫鈉完全反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量不相同，所以通過(guò)氣球變大的程度無(wú)法確定兩物質(zhì)反應(yīng)的快慢.含有碳元素的質(zhì)量相同時(shí)，需要碳酸氫鈉的質(zhì)量為0.252 g；

②碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液和稀鹽酸反應(yīng)的速率都很劇烈，連通管主要起平衡氣壓的作用，避免裝置中壓強(qiáng)過(guò)大導(dǎo)致稀鹽酸不能順利滴下；

③由壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化圖可知，相同條件下，反應(yīng)全部結(jié)束前，碳酸氫鈉和稀鹽酸反應(yīng)時(shí)，裝置中的壓強(qiáng)越大，說(shuō)明產(chǎn)生二氧化碳越多；

④碳酸鈉和稀鹽酸之間的反應(yīng)是分步進(jìn)行的.

2 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

2.1 內(nèi)容改進(jìn)方案

教材中“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)”是一個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，筆者通過(guò)層層遞進(jìn)，將其設(shè)計(jì)為定量實(shí)驗(yàn).（1）使用壓強(qiáng)傳感器測(cè)定在密閉體系中的壓強(qiáng)變化情況，作為判斷產(chǎn)生氣體速度快慢的重要依據(jù).

（2）為了了解鹽酸與碳酸鈉溶液反應(yīng)的本質(zhì)，需使用到酸式滴定管與pH傳感器.

2.2 實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)方案

碳酸氫鈉、碳酸鈉、鹽酸溶液、燒杯、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、試管與配套活塞、滴定計(jì)數(shù)器、pH采集器、磁力攪拌器、針筒注射器等器材.

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程改進(jìn)方案

2.3.1 直奔主題，吸引關(guān)注

根據(jù)物質(zhì)分類(lèi)，二者均屬鹽，鹽能與鹽、酸、堿等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng).按照強(qiáng)酸制弱酸原理，碳酸氫鈉與碳酸鈉都會(huì)與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，得到的產(chǎn)物都有二氧化碳.將實(shí)物展示出來(lái)，提出問(wèn)題：

消防滅火使用的滅火器里裝的是碳酸氫鈉還是碳酸鈉呢？學(xué)生在觀察物質(zhì)后，可以得出結(jié)果，即碳酸氫鈉.泡沫滅火器原理是：二氧化碳能滅火.基于速率角度激發(fā)學(xué)生繼續(xù)思考：為什么泡沫滅火器會(huì)選擇碳酸氫鈉呢？學(xué)生猜想：碳酸氫鈉和酸之間的反應(yīng)速度更快.

師生開(kāi)展互動(dòng)討論，鹽酸和碳酸氫鈉、碳酸鈉反應(yīng)都有氣體產(chǎn)生，而產(chǎn)生氣體速度的快慢會(huì)對(duì)壓強(qiáng)的改變速度產(chǎn)生影響^［5］.

考慮到實(shí)驗(yàn)中控制變量的方法，設(shè)計(jì)第二個(gè)實(shí)驗(yàn)：在密閉空間當(dāng)中，選擇三支試管，第一支作為空白對(duì)照組，加入2 mL蒸餾水；第二支加入碳酸鈉0.1 mol/L，第三支加入0.1 mol/L碳酸氫鈉溶液，分別往三支試管中加入5 mL濃度為0.1 mol/L的鹽酸.另外，快速用橡皮塞塞緊試管，通過(guò)壓強(qiáng)傳感器觀察壓強(qiáng)的變化，采用數(shù)據(jù)采集器繪制曲線.根據(jù)圖像能夠明顯發(fā)現(xiàn)，曲線斜率最大的是碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的試管.這表明在相同時(shí)間內(nèi)，鹽酸和碳酸氫鈉反應(yīng)得到的二氧化碳?xì)怏w速率更大，反應(yīng)速度更快.

在得到這一認(rèn)識(shí)之后，讓學(xué)生學(xué)會(huì)寫(xiě)相關(guān)化學(xué)方程式.

Na₂CO₃+2HCl====2NaCl+CO₂↑+H₂O

NaHCO₃+HCl====NaCl+CO₂↑+H₂O

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，逐層深入，讓教學(xué)過(guò)程層層遞進(jìn)，不顯得過(guò)于突兀.學(xué)生在提出猜想——尋找證據(jù)——得到證實(shí)的過(guò)程中，找到正確的思維方式.同時(shí)也持續(xù)落實(shí)所必須要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)寫(xiě)相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式.

2.3.2 定量分析，繼續(xù)拓展

按照兩種物質(zhì)和鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉所需的鹽酸數(shù)量更多，是否是因?yàn)榉磻?yīng)速率慢呢？可否增加鹽酸量來(lái)驗(yàn)證呢？再設(shè)計(jì)第三個(gè)實(shí)驗(yàn)：先選擇相同濃度0.1 mol/L，相同劑量10 mL的碳酸氫鈉與碳酸鈉溶液，逐滴加入鹽酸，進(jìn)行磁力攪拌.通過(guò)pH傳感器獲取溶液的pH變動(dòng)情況，記錄產(chǎn)生氣泡時(shí)的pH以及所消耗的鹽酸量.

根據(jù)得到的結(jié)果圖像，發(fā)現(xiàn)在pH為8左右時(shí)，碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)才會(huì)出現(xiàn)氣泡，之前并無(wú)氣泡，鹽酸和碳酸鈉的比例接近1∶1；pH在8.24時(shí)，碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)出現(xiàn)氣泡，繪制得到的圖像曲線和碳酸鈉溶液反應(yīng)曲線吻合程度很高.結(jié)合上述結(jié)果，可以認(rèn)為碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)屬于分階段開(kāi)展，即：

Na₂CO₃+HCl====NaHCO₃+NaCl

NaHCO₃+HCl====NaCl+CO₂↑+H₂O

3 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果

實(shí)驗(yàn)中證明了碳酸氫鈉的反應(yīng)速度要更快一些，也能更快產(chǎn)生二氧化碳，提高滅火的速度.也說(shuō)明了泡沫滅火器使用該物質(zhì)的化學(xué)原理.

在這次教學(xué)當(dāng)中，采用了實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，圖形與數(shù)字結(jié)合的方法.這對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提升與化學(xué)學(xué)科能力的提升都有重要的促進(jìn)作用.另外，優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)更重視師生之間的互動(dòng)，教師巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生去觀察、分析和解決問(wèn)題，也引導(dǎo)學(xué)生積極質(zhì)疑，啟迪創(chuàng)新思維.已有的教學(xué)結(jié)果也證實(shí)，只要精心設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，學(xué)生的探索意識(shí)、思維興趣等都能得到很好的激發(fā).而且優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)不管是問(wèn)題設(shè)計(jì)還是具體的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展都遵循了循序漸進(jìn)的原則，重視學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生在逐步掌握知識(shí)的過(guò)程中，去探索更深層的問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)性和判斷性思維.

參考文獻(xiàn)：

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［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］