基于化學(xué)核心素養(yǎng)的初中化學(xué)實驗教學(xué)

化學(xué)核心素養(yǎng)不僅包含化學(xué)知識與技能，還涵蓋了科學(xué)思維、實驗探究、科學(xué)態(tài)度與責任等多方面能力?！俺Ｒ姷乃釅A指示劑”是初中化學(xué)實驗教學(xué)的重要內(nèi)容之一。通過這一實驗，學(xué)生可以直觀了解酸堿指示劑的性質(zhì)及其在酸堿反應(yīng)中的應(yīng)用，從而加深對酸堿概念的理解。教師通過化學(xué)實驗教學(xué)，可以鍛煉學(xué)生的實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

該實驗的起源可以追溯到300多年前。當時，英國科學(xué)家羅伯特·玻意耳在化學(xué)實驗中偶然發(fā)現(xiàn)一個奇特的實驗現(xiàn)象：在傾倒鹽酸時，大量白霧與少量試液酸沫飛濺到了旁邊的紫羅蘭花上。當他用水沖洗花朵時，發(fā)現(xiàn)花朵的顏色變紅了。玻意耳及時捕捉到了這一奇特的現(xiàn)象，并猜測可能是鹽酸使紫羅蘭顏色變紅。為了進一步驗證猜想，他將剩下的花朵放入其他稀酸中，發(fā)現(xiàn)紫羅蘭都變?yōu)榱思t色。由此，他推斷各種酸都能使紫羅蘭變?yōu)榧t色。接下來，玻意耳采集了牽?；?、苔蘚、草藥等植物并提取汁液，將它們滴加在不同的酸堿溶液中。結(jié)果玻意耳發(fā)現(xiàn)不同的植物汁液在不同酸堿環(huán)境下呈現(xiàn)出的顏色也不同，尤其是從石蕊苔蘚中提取的紫色汁液，酸能使它變紅，堿能使它變藍。為了方便使用，玻意耳將其烘干制成試紙，這就是最早的石蕊試液。現(xiàn)在實驗室中使用的石蕊試紙、酚酞試紙等，就是根據(jù)玻意耳發(fā)現(xiàn)的原理制作而成的。

一、教學(xué)背景

教學(xué)背景是教育活動的基石，它決定了教學(xué)內(nèi)容、方法和目標的設(shè)定?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》的發(fā)布，為初中化學(xué)教學(xué)提供了明確的方向和指導(dǎo)。該課程標準強調(diào)了四大核心素養(yǎng)，即化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實踐和科學(xué)態(tài)度與責任，這四個方面共同構(gòu)成了學(xué)生全面發(fā)展的基礎(chǔ)。

化學(xué)觀念的培養(yǎng)旨在讓學(xué)生建立起對化學(xué)學(xué)科的基本認識和理解，包括物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律等，這是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基礎(chǔ)，也是他們后續(xù)深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用化學(xué)知識的前提。培養(yǎng)科學(xué)思維即注重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、批判性思維和創(chuàng)新思維等。通過化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)學(xué)會運用科學(xué)方法進行問題分析和解決，形成獨立思考和判斷的能力?？茖W(xué)探究與實踐的強調(diào)體現(xiàn)了化學(xué)教學(xué)的實踐性特點。學(xué)生需要通過實驗、觀察、調(diào)查等方式，主動參與化學(xué)研究活動，以加深他們對化學(xué)知識的理解和掌握，提高實踐能力和解決問題的能力。科學(xué)態(tài)度與責任的培養(yǎng)是化學(xué)教育的重要目標之一。學(xué)生應(yīng)該具備科學(xué)精神，尊重科學(xué)事實，遵守科學(xué)規(guī)范，同時承擔起對社會和環(huán)境的責任，積極參與化學(xué)知識的傳播和應(yīng)用。

除了四大核心素養(yǎng)，《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》還提出了五大核心理念，這些理念為化學(xué)教學(xué)的實施提供了指導(dǎo)。其中，“充分發(fā)揮化學(xué)課程的育人功能”強調(diào)了化學(xué)教學(xué)在促進學(xué)生全面發(fā)展方面的重要作用；“整體規(guī)劃素養(yǎng)立意的課程目標”要求教師在設(shè)計課程時要以培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標；“構(gòu)建大概念統(tǒng)領(lǐng)的化學(xué)課程內(nèi)容體系”有助于學(xué)生形成對化學(xué)知識的整體認識和把握；“重視開展核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)”要求教師在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)；“倡導(dǎo)實施促進發(fā)展的評價”強調(diào)了對學(xué)生學(xué)習(xí)過程和成果的全面評價，以促進學(xué)生持續(xù)發(fā)展。

二、常見的酸堿指示劑——石蕊和酚酞

常見的指示劑有酸堿指示劑、氧化還原指示劑、金屬指示劑、吸附指示劑等。在一定介質(zhì)條件下，其顏色能發(fā)生變化、內(nèi)部能變得渾濁或產(chǎn)生沉淀物，還能出現(xiàn)熒光現(xiàn)象等。指示劑常在檢驗中用于反映溶液的酸堿性、在滴定分析中用來指示滴定終點、在環(huán)境檢測中檢驗有害物。

指示劑大多是有機弱酸或弱堿，它們可以電離。但溶液酸堿性會影響其電離平衡，進而導(dǎo)致不同酸堿性下主要的存在結(jié)構(gòu)形式不同，顏色亦有變化。所謂酸堿指示劑，是指能與酸或堿的溶液作用而顯示不同顏色的物質(zhì)。常用的酸堿指示劑有石蕊和酚酞這兩種。石蕊和酚酞在不同酸堿性溶液中的變化情況如表1所示。

需要注意的是，堿的溶液一定顯堿性，但顯堿性的溶液不一定是堿的溶液（如Na2CO3俗稱純堿等鹽溶液顯堿性）。酸的溶液一定顯酸性，但顯酸性的溶液卻不一定是酸的溶液（如NaHSO4等鹽溶液均顯酸性）。

石蕊的分子式是C7H7O4N，其相對分子質(zhì)量為3300。它屬于弱的有機酸，也是一種常用的酸堿指示劑。石蕊的特性主要體現(xiàn)在其變色范圍上。石蕊在水溶液里能發(fā)生電離，其變色范圍是pH值在5.0～8.0。在酸性溶液中，紅色的分子是主要的存在形式，使溶液呈紅色；在堿性溶液中，電離平衡向右移動，藍色的離子是主要的存在形式，使溶液呈藍色；在中性溶液中，紅色的分子和藍色的酸根離子共存，使溶液呈紫色。在使用石蕊進行實驗時，應(yīng)選擇純度較高的紫色石蕊，并避免將其暴露在強光、高溫或濕度大的環(huán)境中，以免影響其性能。在滴加酸性或堿性溶液時，應(yīng)緩慢滴加，避免溶液濺出。在觀察顏色變化時，應(yīng)將石蕊置于白色背景上，以便更清晰地觀察顏色變化。進行實驗時，需要重視實驗的安全性，如使用腐蝕性較強的酸性或堿性溶液時，應(yīng)佩戴防護眼鏡和手套；在處理廢液時，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進行處理，避免污染環(huán)境。

酚酞的分子式是C20H14O4，相對分子質(zhì)量為318.33，是白色或微帶黃色的結(jié)晶粉末。它幾乎不溶于水，但溶于乙醇和乙醚、苛性堿溶液或堿金屬碳酸鹽溶液等，這是因為其結(jié)構(gòu)與苯酚相似，兩者的化學(xué)性質(zhì)也相似。酚酞首次合成是在1871年，由阿道夫·馮·拜爾發(fā)現(xiàn)。它由鄰苯二甲酸酐與作為防腐劑的苯酚在濃硫酸加熱的情況下縮合制取，在酸性溶液中無色，在堿性溶液中呈現(xiàn)鮮艷的粉紅色。

在選擇酚酞作為指示劑時，要注意它本身的變色范圍：當pH＜8.2時，酚酞呈現(xiàn)無色的內(nèi)酯式結(jié)構(gòu)；當pH在8.2～10.0，酚酞呈現(xiàn)紅色的醌式結(jié)構(gòu)。由于酚酞的醌式或醌式酸鹽在堿性介質(zhì)中很不穩(wěn)定，當遇到較濃的堿液時，它會轉(zhuǎn)變成無色的羧酸鹽式。所以若用酚酞指試劑測強堿，會發(fā)現(xiàn)其顏色先是變紅，很快紅色褪去變成無色。若將酚酞滴入濃硫酸溶液中也會發(fā)生變色現(xiàn)象，這是由于強酸的催化使得酚酞中酯基和指示劑溶劑乙醇中的羥基發(fā)生了酯交換反應(yīng)，分子會發(fā)生重排，形成醌式共軛體系結(jié)構(gòu)，加強了吸電子性，導(dǎo)致其中的π電子的流動性降低，吸收光譜發(fā)生紅移，最終導(dǎo)致顏色變化。

三、不簡單的“酸堿審判員”

“酸堿指示劑”能夠在遇到酸或堿時，迅速而準確地改變自身的顏色。這一過程并非簡單的物理變化，而是化學(xué)變化的產(chǎn)物。其變色的關(guān)鍵在于指示劑本身，而非酸或堿。以紫色石蕊溶液為例，當它與酸相遇時，會呈現(xiàn)出鮮明的紅色，這表明石蕊溶液在酸的作用下發(fā)生了顏色變化，而非酸本身變色。

酸堿指示劑的反應(yīng)并非毫無限制，它們只對那些能夠溶解在水中的酸或堿起作用并發(fā)生顏色的變化。若某種酸或堿無法溶于水，那么它們與指示劑之間便無法產(chǎn)生有效的反應(yīng)，指示劑的顏色自然也不會有所改變。

除了常見的溶液形式，酸堿指示劑還有試紙的形態(tài)。藍色石蕊試紙和紅色石蕊試紙便是其中的代表。這些試紙在遇到酸或堿時，同樣能呈現(xiàn)出獨特的顏色變化。藍色石蕊試紙遇到酸性溶液，會迅速變紅；而紅色石蕊試紙在堿性溶液的作用下，則會變?yōu)樗{色。這種便捷的形式使人們在日常生活中也能輕松檢測溶液的酸堿性。

酸堿指示劑在生活中有著廣泛的用途。比如，近年來，一種新型的氣體指示智能標簽在食品包裝領(lǐng)域風靡一時。這種標簽通過顏色變化來監(jiān)測食品中微生物的代謝情況及是否產(chǎn)生二氧化碳或揮發(fā)性胺等氣體，直觀地展示食品的新鮮程度，為我們選購食品提供了極大的便利。我們還可以用它們來檢測洗發(fā)水和化妝品的酸堿性，選擇更適合自己的產(chǎn)品。此外，酸堿指示劑還能幫助我們識別酸雨，保護環(huán)境和生態(tài)。

在實際應(yīng)用中，酸堿指示劑還能發(fā)揮更多意想不到的作用。例如，在不新鮮或變質(zhì)的水產(chǎn)品與肉類產(chǎn)品的腐敗過程中，會產(chǎn)生具有揮發(fā)性的含氮化合物，這些化合物會使包裝中的氣體酸堿性發(fā)生變化?？茖W(xué)家以甲基纖維素和聚乙二醇-6000為基材，通過添加溴甲酚紫、溴百里酚藍等酸堿指示劑溶液，成功制得了六種新鮮度指示標簽。這些標簽?zāi)軌蚋鶕?jù)環(huán)境中氣體的不同濃度顯示對應(yīng)顏色，從而實時監(jiān)測瘦豬肉的新鮮度。這不僅能提高食品安全的監(jiān)測水平，還能給我們的生活帶來更多的便利和保障。

四、擴展實驗——酸堿試紙及簡易指示劑的制作

（一）常用酸堿試紙的制作

石蕊試紙分為紅色和藍色兩種，其制作原料是市售的石蕊。首先，要使用熱酒精對石蕊進行浸泡，去除其中可能夾雜的紅色素。隨后，棄去浸泡后的酒精溶液，取一部分殘渣與六份水混合，然后進行長時間的浸煮，并在此過程中不斷搖晃，確保殘渣充分溶解。之后，過濾掉不溶物，得到純凈的石蕊溶液。其次，將得到的石蕊溶液分為兩份，將其中一份加入稀磷酸或稀硫酸，直至溶液變紅；另一份則加入稀氫氧化鈉溶液，直至溶液變藍。這樣，就得到了紅色和藍色的石蕊溶液。然后，將干凈的濾紙條分別浸入這兩種溶液中，待濾紙在溶液中充分吸收后，將其取出，置于避光、沒有酸堿蒸汽的室內(nèi)晾干。在晾干過程中，濾紙上的溶液會逐漸固化，形成一層能夠檢測酸堿性的敏感層。最后，將晾干后的紅、藍石蕊試紙進行密封保存，以備日后使用。

酚酞試紙的制作過程相對簡單。首先，將1克的酚酞溶解在100毫升的96%乙醇溶液中，然后加入100毫升的水，并進行充分的搖蕩混勻。接著，將干凈的濾紙條浸入這個混合溶液中確保濾紙充分吸收，取出后將濾紙置于無氨氣的地方進行晾干。最后，同樣進行密封保存。

（二）簡易指示劑的制作

在日常生活中，許多常見的植物都可以成為制作酸堿指示劑的原材料，如紫甘藍、紅蘿卜皮、莧菜、月季花、菊花等，它們的花朵、葉片或果皮中富含豐富的色素，這些色素在酸堿環(huán)境下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而改變自身的顏色，而這種顏色的變化正是用來判斷溶液酸堿性的依據(jù)。

以紫甘藍制作簡易指示劑為例。首先，將新鮮的紫甘藍切碎，放入燒杯中，然后用開水浸泡紫甘藍碎片，靜置約20分鐘的時間。在這個過程中，紫甘藍中的色素會逐漸溶解在開水中，形成紫甘藍浸泡液。隨后，將這些紫色的液體倒入另一個燒杯中。為了獲得更準確的指示效果，可以根據(jù)需要用水稀釋這個浸泡液，最后得到的浸泡液就是一種簡易的酸堿指示劑。

在使用簡易酸堿指示劑時，可以通過準備幾種不同性質(zhì)的溶液來驗證其效用。這些溶液可以是日常生活中常見的物質(zhì)，如小蘇打水、白醋和肥皂水。小蘇打水由于含有碳酸氫鈉，表現(xiàn)出堿性；白醋則因其含有醋酸，表現(xiàn)出酸性；而肥皂水由于含有堿性物質(zhì)，同樣表現(xiàn)出堿性。紫甘藍浸泡液作為一種天然的酸堿指示劑，在接觸這些不同性質(zhì)的溶液時，會顯示出明顯的顏色變化，這是因為紫甘藍中的色素分子在不同酸堿環(huán)境下發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致了顏色的改變。將紫甘藍浸泡液緩慢倒入小蘇打水中時，由于小蘇打水的堿性，指示劑會呈現(xiàn)出淡藍色或藍綠色，這表示小蘇打水是堿性的。將同樣的紫甘藍浸泡液倒入白醋中，由于白醋的酸性，指示劑會轉(zhuǎn)變?yōu)樽霞t色，這表示白醋是酸性的。通過觀察和比較這些顏色變化，可以輕松地判斷出這些溶液的酸堿性。

這種方法簡單易行，成本低廉，對學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識或進行簡單的酸堿測試非常有用。同時，它展示了化學(xué)反應(yīng)的奇妙之處，能讓學(xué)生對科學(xué)產(chǎn)生更多的好奇心和探究欲望。

（作者單位：隴南市禮縣三峪鄉(xiāng)九年制學(xué)校）