淺談實驗探究在化學教學中的意義

摘

要：化學是一門實驗性質(zhì)很強的學科，在化學知識中，關于鈉與硫酸銅溶液反應，為何沒置換出紅色的銅的問題，根據(jù)金屬活動性順序可知，Cu2+的氧化性強于H+，鈉卻與硫酸銅溶液中的水先反應，文章就這一問題進行了實驗探究，并對實驗現(xiàn)象做了深入的分析，形成了教學案例，闡述了在高中化學教學中，引導學生參與實驗，進行實驗探究的重要性，以期為其他教育工作者提供一定的教學參考。關鍵詞：化學教學;置換反應;實驗探究一、關于鈉的實驗問題的引入鈉的有關知識，是高中必學的知識點，在講解鈉的化學性質(zhì)時，鈉與鹽溶液的反應實驗是證明鈉化學性質(zhì)非?；顫姷闹匾囼灒處熗ǔＳ免c與硫酸銅溶液反應來講解。實驗時教師一般取黃豆大小的鈉扔到盛有硫酸銅溶液的燒杯里，看到的現(xiàn)象是“浮、熔、游、響、藍色沉淀”，未見到有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，很多學生的疑惑油然而生，而教師一般解釋是：鈉的化學性質(zhì)非常活潑，先與水反應，生成的氫氧化鈉再與硫酸銅反應生成藍色沉淀。實際上，這個解釋很難消除學生的疑惑，眾所周知，銅離子的氧化性比氫離子強，這是不爭的事實，鈉再活潑，也應該先與銅離子反應，置換出銅單質(zhì)。此時教師不得不做出更深層次的解釋。那深層次的解釋又是什么呢？又如何用鈉置換出CuSO4中的銅呢？這就要求教師要帶領學生進行實驗探究，以厘清學生的疑思。二、教學實驗探究文章就鈉與硫酸銅溶液的反應，專門進行了探究和分析。實驗案例如下：實驗前，教師首先讓學生分析鈉的化學性質(zhì)，其活潑性比銅強，根據(jù)前置后，強制弱的原則，將鈉投入到硫酸銅溶液中，能看到溶液顏色變淺，鈉消失，并且有紅色物質(zhì)出現(xiàn)。4個小組的學生將黃豆大小的鈉投入到硫酸銅溶液中，同時觀察現(xiàn)象，學生得出的結論均是：鈉消失，有氣泡，同時有藍色沉淀產(chǎn)生，但無紅色物質(zhì)出現(xiàn)。4個小組的成員都陷入了沉思，為什么沒有看見紅色物質(zhì)呢？而后，學生開始討論，教師引導學生就此問題進行探究，組織學生小組合作分工，分別開展查閱資料和實驗準備工作，以繼續(xù)進行實驗。實驗過程如下：（一）提出問題問題1：鈉為何在硫酸銅溶液里沒置換出銅？問題2：鈉能否置換出硫酸銅中的銅？（二）猜想猜想1：鈉的化學性質(zhì)非常活潑，放在硫酸銅溶液中先與水接觸，發(fā)生反應：由于鈉的密度比水小，浮于水面，與銅離子接觸面小，故難置換出銅。猜想2：由于硫酸銅溶液中，銅離子與水分子形成配合離子——四水合銅離子，Cu2+被包裹，即銅離子難與金屬鈉“見面”，故難以反應。猜想3：硫酸銅溶液中，銅離子濃度太小，幾乎被水隔開。猜想4：一定條件下，鈉能置換出硫酸銅中的銅。（三）查閱資料1.四水合銅離子在水溶液中存在平衡。[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O2.五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）的結構如圖1所示：3.硫酸銅晶體分解溫度：45℃：CuSO4·5H2O=CuSO4·3H2O+2H2O110℃以上：CuSO4·3H2O=CuSO4·2H2O+2H2O258℃以上：CuSO4·2H2O=CuSO4+H2O650℃：CuSO4=2CuO+SO3（四）實驗驗證實驗1：實驗時取一小塊鎂條，用砂紙打磨掉表面的氧化膜，然后放進盛有硫酸銅溶液的試管里?，F(xiàn)象：有大量氣泡產(chǎn)生，在鎂條表面聚集有紅色物質(zhì)出現(xiàn)。實驗2：將硫酸銅配成熱飽和溶液，直至冷卻后，有大量硫酸銅晶體析出來，細心的學生將鈉塊包裹在石蠟里，然后用小針刺一些小孔，用小木棍將其浸泡在熱的飽和硫酸銅溶液里?，F(xiàn)象：偶有氣泡產(chǎn)生，并有白色懸浮物產(chǎn)生（是鈉受熱融化后的凝固物）。將反應后的溶液用水稀釋，觀察燒杯底部有黑色物質(zhì)，向其中加入足量鹽酸，充分震蕩，黑色物質(zhì)完全消失，溶液變澄清透明綠色溶液，說明無銅單質(zhì)產(chǎn)生。實驗3：取兩藥匙硫酸銅晶體于試管中，然后用鑷子取黃豆大小的鈉塊放進硫酸銅晶體中，固定在鐵架臺上加熱?，F(xiàn)象：試管壁有水珠產(chǎn)生，試管底部部分硫酸銅晶體由藍色變?yōu)榘咨?，一段時間后，鈉塊竄出晶體，產(chǎn)生火花，藍色晶體表面有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，還有黑色物質(zhì)出現(xiàn)。將反應后的紅色固體物質(zhì)和黑色物質(zhì)與未反應的硫酸銅晶體分離開，放在白色濾紙上，所產(chǎn)生的紅色銅一目了然。（五）實驗現(xiàn)象的分析1.通過以上實驗可知，不管是鎂還是鈉與硫酸銅溶液反應，都有黑色物質(zhì)產(chǎn)生，將這些黑色物質(zhì)加水溶解，固體難溶于水，再滴加一定濃度的鹽酸，黑色物質(zhì)溶解，說明產(chǎn)生的黑色物質(zhì)全是氧化銅。2.對實驗1、2分析，鎂與硫酸銅溶液反應產(chǎn)生大量的紅色物質(zhì)銅，而將鈉放到硫酸銅溶液中浸泡，仍然沒有銅產(chǎn)生，說明鈉沒能大量置換出銅。3.實驗3，硫酸銅晶體中，雖然銅離子的存在形式仍然是四水合銅離子，但由于“水分少”，通過查閱資料，四水合銅離子不穩(wěn)定，根據(jù)平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O加熱過程中水不斷減少，平衡向右移動，鈉與銅離子發(fā)生置換反應。對以上實驗的解釋，根據(jù)配合物理論有關知識，四水合銅離子在水溶液中存在以下平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O，Cu2+的濃度很小，與鈉接觸的面積遠沒有鈉與水接觸的面積大，所以鈉很難有機會置換出銅，而鎂不同，活潑性比鈉小，與水反應弱得多（雖然加熱仍然要與水反應）。雖然溶液中銅離子濃度很少，CuSO4在溶液中水解顯酸性，故將鎂放入硫酸銅溶液中，剛開始有大量的氣泡產(chǎn)生，隨之有大量的銅在鎂片上聚集。本研究認為，鎂與銅反應，產(chǎn)生的銅與鎂形成原電池，堆積在鎂片上。而鈉與水反應劇烈，且不斷熔化減小，難以像鎂那樣有足夠的條件置換出銅。（六）學生總結與反思實驗2不能充分說明鈉未與硫酸銅溶液反應，生成的黑色物質(zhì)，是否是鈉置換出的銅與氧氣反應生成了CuO所致？根據(jù)有關資料可知，是硫酸銅水解生成的氫氧化銅受熱分解所致。實驗3中鈉與CuSO4·5H2O反應，雖然有紅色物質(zhì)出現(xiàn)，但是試管破裂，在實際操作中存在安全隱患，有沒有安全的實驗設計？要證明鈉只與水發(fā)生了反應，最好是進行定量分析，即取一定質(zhì)量的鈉與硫酸銅溶液反應，通過測量所收集氣體體積確定鈉的實際反應情況，這樣得出的結論才嚴謹科學。對于試管中加熱鈉與CuSO4·5H2O晶體的混合物，可以在坩堝里進行，這樣可以避免因試管炸裂而帶來的不安全的因素。根據(jù)以上分析，可以得出以下結論：1.鈉與硫酸銅溶液反應，由于溶液中銅離子的存在形式而濃度較小，鈉與大量的水發(fā)生劇烈的反應，體積不斷變小，難以得到銅物質(zhì)。2.鈉與硫酸銅晶體粉末混合加熱，能置換出銅。三、實驗探究在化學課堂教學中的重要意義（一）挖掘?qū)W生設計潛能，促進學生深度思考本研究通過引導學生探究鈉與硫酸銅溶液能否發(fā)生置換反應的實驗探究，充分調(diào)動了學生主觀能動性，培養(yǎng)了學生的團隊合作意識，提高了學生實驗操作動手能力，有利于培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)。學生完成實驗后激動不已，尤其是根據(jù)自己的設計置換出了銅的那一刻，自豪感油然而生，這不僅提升了學生對知識的掌握程度，也鍛煉了學生的實驗探究能力。在實驗中，學生為了能夠使鈉沉到溶液底部，能夠想到將蠟燭用燒熱的鐵絲將蠟燭中心掏空，然后將黃豆大小的鈉放進去，再用融化的蠟燭將其封住，并插上木棍，用熱鐵絲在其四周刺上小孔，然后放到溶液中，設計巧妙，大膽創(chuàng)新，這是十分值得教師表揚的地方，體現(xiàn)了學生的深度思考與動手能力。為了對比實驗，學生選擇鎂條而沒選擇鐵，是因為鋁、鐵與水不反應，鎂與鈉化學性質(zhì)較近（打磨過的鎂雖與水反應緩慢），再將硫酸銅晶體與鈉混合加熱，置換出了“期待中的銅”，學生的付出得到了回報。整個實驗過程，充分挖掘了學生的設計潛能，打開了學生的思考，也促使學生進入化學知識的深度思考中。在當前教育部要求“雙減”的背景下，高中化學教師應大膽放手，讓學生參與到教學中，深入思考，積極探索，充分發(fā)揮主觀能動性，從而讓學生體會到探究的樂趣，提升對化學學科的興趣。（二）及時更新教學觀念，緊跟化學大概念課堂教學模式隨著教育改革不斷深入，2020年，教育部印發(fā)了《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版2020年修訂）》。2022年4月《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》也頒布實施，引領著我國教育改革正進入新的階段。其中明確指出：“國家課程標準規(guī)定課程性質(zhì)、課程理念、課程目標、學業(yè)質(zhì)量和課程實施等，是教材編寫、教學、考試評價以及課程實施管理的直接依據(jù)?！蓖瑫r，還指出：“推進綜合學習，整體理解與把握學習目標，注重知識學習與價值教育有機融合，發(fā)揮每一個教學活動多方面的育人價值?！北狙芯刻骄库c與硫酸銅發(fā)生置換反應的實驗案例，是一次化學大概念課堂教學模式的重要實踐。如何提出問題？如何實施才能達成目標？學生在教師的引導下一步一步去思考，通過分工合作，默契配合，最后出色地完成了任務，達到了預期效果。鈉及鈉的化學性質(zhì)這一主題可以分解成幾個小目標，其中之一就是如何通過實驗驗證鈉的化學性質(zhì)。再由學生通過設計鈉與硫酸銅反應的實驗，既證明了鈉化學性質(zhì)的正常性，也證明了其特別（不能在正常情況下置換出紅色銅）之處，目的明確，方向性很強。教師再引導學生進行評價反思，如在設計上還有哪些不足？通過該探究是否達成了既定目標？如何將這次的一系列探究運用到以后的學習中，讓自己積極主動地參與到知識的學習和探究中？諸如此類的問題值得師生深入思考，也是所有高中化學教師需要不斷探索的地方，在以后的教學中不斷優(yōu)化教學設計，不斷更新教學理念。讓學生真正融入化學實驗中，以達成對化學知識的扎實掌握和實驗探究能力的提升，這是化學學科育人的有效體現(xiàn)，也是教師有效更新教學理念的表現(xiàn)，改變了過去滿堂灌的教學方式，緊跟化學大概念課堂教學模式，讓學生在動態(tài)探究中得到了知識的輸入。（三）以實驗為依托，培養(yǎng)學生辯證唯物主義觀通過本次實驗，有效培養(yǎng)了學生的辯證唯物主義觀，學習到了如何實事求是、一分為二地看待問題。學生通過實驗發(fā)現(xiàn)，雖然鈉是一種活潑性強的金屬，能與非金屬、水反應，但不能與鹽溶液反應直接置換出金屬，即活潑金屬不一定能置換出活潑性較弱的金屬，這與所處環(huán)境有關。以此類推，凡是活潑性比鈉強的金屬，都很難直接置換出鹽溶液中的金屬，在金屬活動性表里，前面的金屬能從鹽溶液里置換出后面的金屬，但不包括K、Ca、Na。在高中教學中，同樣可以推出Rb、Cs、Ba等，本質(zhì)原因就是這些元素與水的反應非常劇烈。通過實驗，這些金屬與硫酸銅混合加熱，仍然能置換出紅色