基于证据推理的实验探究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：针对初中化学教学和中考试题中两个实验探究“NaOH与CO2能否反应”和“NaOH溶液吸收CO2变质后溶液中溶质的成分”存在的问题从理论分析和实验验证两个方面进行探讨，还原实验探究的真实情境和目的，同时为中考实验探究题的命制提供实验情境和理论依据。
　　关键词：NaOH溶液与CO2；证据推理；科学探究；理论分析；实验验证
　　《普通高中化学课程标准（2017年版）》将化学学科核心素养分为5个方面：宏观辨识与微观解析；变化观念与平衡思想；证据推理与模型认知；科学探究与创新意识；科学精神与社会责任。证据推理：具有证据意识，能基于证据对物质变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征。科学探究：能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新。化学是一门以实验为基础的自然科学，在实验探究过程中去培养学生的化学学科核心素养，而基于证据推理的实验探究更能体现化学的学科特点。初中化学教学和试题中的两个实验“NaOH与CO2能否反应”和“NaOH溶液吸收CO2变质后溶液中溶质的成分”是很好的探究题材，其探究过程中涉及证据推理、变化观念、宏观辨识、科学探究、创新意识、科学态度等化学学科核心素养。
　　一、 问题与现状
　　在探究“NaOH与CO2能否反应”的教学中，大多数教师是利用NaOH溶液与CO2来进行实验探究，由于NaOH溶液与CO2气体的反应过程中没有特别明显的可观察到的实验现象，经常根据反应后CO2气体的减少来设计实验证明NaOH溶液与CO2气体能发生化学反应，同时还要利用控制变量来设计对比实验排除水与CO2气体反应对实验的影响。在实际教学过程中学生还会提出“反应本质中是不是CO2气体先与水反应生成碳酸，碳酸再与NaOH发生中和反应”的疑问。显然这样的实验设计并不能帮助学生去正确认识NaOH与CO2之间的反应，学生无法通过实验现象的观察来判断物质间是否发生化学变化和分析化学反应的本质，如果我们利用NaOH固体与CO2气体来进行实验探究就可以解决上述问题。
　　在探究“NaOH溶液吸收CO2变质后溶液中溶质的成分”的专题复习教学中，大多数教师没有思考如何通过控制反应物的质量来达到NaOH溶液的部分变质或完全变质，实际教学中经常是：完全相信试题所呈现的实验情境，进行就题讲题的伪实验探究；配制NaOH与Na2CO3混合溶液，进行人为设计的“假”实验探究。利用容积不同的塑料瓶来收集CO2气体分别与相同质量的NaOH溶液反应，可让学生在真实的实验情境下去探究反应，也让教师在真实的实验探究中去审视试题情境的真实性，共同培养学生独立思考、敢于质疑批判的品质。
　　二、 实验准备
　　（一） CO2气体的制取和收集
　　二氧化碳必须是纯净干燥的，可将产生的二氧化碳气体经过饱和碳酸氢钠溶液（除去HCl气体）和浓硫酸（吸收水蒸气）后采用向上排空气法收集。利用软塑料瓶（相同品牌、不同容积的矿泉水瓶）分别收集380mL、550mL和1500mL各一瓶的CO2。（二） NaOH溶液的配制
　　配制不含Na2CO3的NaOH溶液：先将NaOH配成饱和溶液（物质的量浓度为20.28mol/L）。Na2CO3在饱和NaOH溶液中几乎不溶解，会慢慢沉淀出来，待Na2CO3沉淀完全后，可吸取19.7mL的上层清液，加水稀释至100mL可得4.0mol/L的NaOH溶液（20mL溶液中含3.2g，下同）。此外，用来配制NaOH溶液的蒸馏水，也应加热煮沸放冷，除去其中的CO2。
　　三、 科学探究Ⅰ：设计一个简单实验证明NaOH与CO2发生反应
　　（一） 提出问题
　　设计实验证明NaOH溶液与CO2发生反应，由于CO2能溶于水且能与水反应，因此要进行对比实验。能否只设计一個简单实验来证明NaOH与CO2发生反应？
　　教学灵感来自教材下册P46“固体氢氧化钠还能吸收二氧化碳气体而变质”。能否用固体NaOH与CO2气体来证明两者能发生反应？
　　（二） 理论分析（推理）进行实验改进和创新
　　问题：如何证明CO2气体被消耗？
　　学生：用塑料瓶做反应容器，可观察塑料瓶变瘪的情况来真切地感知反应是否发生。
　　问题：如何证明有H2O生成？
　　学生：用固体NaOH与纯净干燥的CO2反应，观察是否有H2O生成。
　　问题：如何证明有Na2CO3生成？
　　学生：加入足量的稀盐酸，若有Na2CO3，则能产生大量的CO2气体，理论上Na2CO3与稀盐酸反应产生的CO2等于原来塑料瓶中的CO2，预测可观察到塑料瓶恢复到原来的形状。
　　实验改进和创新：
　　往充满纯净干燥CO2气体的塑料瓶中加入NaOH固体，旋紧瓶塞，充分振荡。
　　（三） 实验过程和现象记录（证据）
　　（四） 实验反思与拓展
　　NaOH不宜过多，约为1.4g，通过实验前的称量约为1药匙；不断振荡，避免塑料瓶某个地方热量过于集中而软化甚至熔化；塑料瓶的密封性良好，实验过程中可用水冷却。
　　四、 科学探究Ⅱ：NaOH溶液吸收CO2变质后溶液中溶质的成分
　　（一） 提出问题
　　问题来源于2017年湖南怀化市中考化学试题第28题（节选）的探究情境：
　　【提出问题】
　　氢氧化钠溶液中通入CO2一段时间后所得的溶液（下面称样品）中会有什么溶质？
　　【提出猜想】A. 溶质是NaOH、Na2CO3；B. 溶质是Na2CO3； 　　C. 溶质是Na2CO3、NaHCO3；D.溶质是NaHCO3。
　　【设计实验方案】
　　【得出结论】猜想C成立。注：圈内的内容为主要问题来源和探究内容。
　　向学生展示上述试题，学生马上联想到新课讲授时对NaOH溶液吸收CO2变质后其溶液中溶质成分的猜想如下：①NaOH和Na2CO3（NaOH部分变质）；②Na2CO3（NaOH完全变质）。在学生产生强烈的思维冲突下适时向学生提出问题：
　　问题：实验如何控制CO2的质量来使得NaOH部分变质或完全变质？通入CO2一段时间显然无法控制反应的进程。
　　问题：变质后溶液中溶质的成分是4种情况还是2种情况？
　　问题：如何采用正确的实验方法来证明反应后溶液中溶质的成分？
　　（二） 理论分析（推理）进行实验改进和创新
　　教学灵感来自矿泉水塑料瓶有固定的容积可控制CO2气体的体积（质量）。常温时，CO2气体的密度为1.977g/L。550mL塑料矿泉水瓶充满CO2（CO2约为1.08g）；1500mL塑料矿泉水瓶充满CO2（CO2约为2.95g）。通过多次计算选择这两种规格的塑料瓶以达到教学和实验的目的。
　　问题：计算20mL NaOH溶液（含3.2 g NaOH）要与多少克CO2反应完全生成Na2CO3？
　　学生：通过2NaOH+CO2Na2CO3+H2O计算可知3.2 g NaOH要与1.76g CO2反应才能完全反应生成
　　Na2CO3。
　　问题：已知550mL塑料瓶中的CO2约为1.08g；1500mL塑料瓶中的CO2约为2.95g。分别往550mL和1500mL塑料瓶（充满纯净干燥CO2中加入20mL NaOH溶液，迅速旋紧瓶塞，充分振荡。你预测反应的现象是什么？
　　学生：从1.08g<1.76g<2.95g的關系可预测反应的现象为550mL的塑料瓶会完全变瘪（塑料瓶中CO2完全反应）；1500mL的塑料瓶不会完全变瘪（塑料瓶中CO2有剩余）。
　　（三） 实验过程和现象记录（证据）
　　学生分组实验：利用大理石与稀盐酸反应产生CO2气体并依次通过装有饱和碳酸氢钠溶液和浓硫酸的洗气瓶，收集两瓶（550mL塑料瓶、1500mL塑料瓶）纯净干燥的CO2气体；分别快速地倒入20mL的NaOH溶液，旋紧瓶塞，充分振荡，观察现象。
　　实验现象：反应放出大量的热，两个塑料瓶几乎都完全变瘪。
　　问题：两个塑料瓶几乎都完全变瘪（如图1所示）说明什么？
　　学生：CO2能继续发生反应。
　　引导学生查阅资料收集证据：
　　NaOH与CO2的反应情况为2NaOH+CO2Na2CO3+H2O；Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3。
　　问题：根据上述资料你能做出什么更合理的猜想？
　　学生：根据以上的反应，可以推理出反应后溶液中溶质的4种情况：
　　（1）Na2CO3、NaOH（部分NaOH与CO2反应生成Na2CO3；
　　（2）Na2CO3（NaOH与CO2恰好完全反应生成Na2CO3；
　　（3）Na2CO3、NaHCO3（部分Na2CO3与CO2反应生成NaHCO3；
　　（4）NaHCO3（Na2CO3与CO2恰好完全反应生成NaHCO3。
　　由于对NaHCO3这种物质的了解有限，应指导学生查阅NaHCO3的相关资料：
　　①20℃时，在水中，NaHCO3的溶解度为9.6g（Na2CO3的溶解度为21.8g）。
　　②其水溶液在20℃时开始分解出二氧化碳和碳酸钠，到沸点时全部分解。
　　③溶于水时呈现弱碱性。25℃新鲜配制的0.1mol/L水溶液pH为8.3。
　　教师提示：酚酞的变色范围为pH 8.2～10.0，由无色变红色。
　　理论分析推理：引导学有余力的学生可以通过计算求出两个塑料瓶中溶质的成分和质量。
　　通过理论计算去预测反应的现象和结果可以提升学生的科学探究的有效性。
　　550mL塑料瓶溶液中的溶质是2.60g Na2CO3和1.74g NaOH。
　　1500mL塑料瓶溶液中的溶质是1.37g Na2CO3和4.54g NaHCO3。
　　由于反应放出大量的热，可将塑料瓶放于冰水中冷却后再进行观察和验证。
　　问题：设计实验验证550mL塑料瓶溶液中的溶质是什么物质？
　　实验过程：
　　结论：550mL塑料瓶溶液中的溶质是Na2CO3和NaOH。
　　问题：1500mL塑料瓶溶液中的溶质有什么物质？
　　学生：冷却后，1500mL塑料瓶中会有大量固体析出（如图2所示），从资料中可知NaHCO3的溶解度较小，析出的固体是NaHCO3，说明瓶中的溶液为NaHCO3的饱和溶液。
　　（四） 实验反思和拓展
　　在课前实验准备过程中发现两个“异常”的实验现象：
　　①1500mL塑料瓶中的混合溶液（理论上为含有Na2CO3的NaHCO3饱和溶液）中滴加BaCl2溶液的过程中
　　不断有小气泡产生（刚开始时气泡较少，后来气泡逐渐增多）；
　　②滴加BaCl2溶液至不再产生沉淀，取上层清液滴加足量稀盐酸却看不到有气泡产生；取上层清液滴加酚酞试液也看不到溶液显红色。
　　可能原因：NaHCO3溶液不稳定，在20℃时开始分解出CO2和Na2CO3，分解产生的Na2CO3与加入的BaCl2溶液反应，导致最终NaHCO3完全分解。
　　验证实验：取约2 mL 4℃0.1mol/LNaHCO3溶液于试管中，滴加几滴BaCl2溶液。 　　现象：有白色沉淀生成。说明NaHCO3溶液不稳定，会分解生成Na2CO3。
　　在论文学习过程中得知通过手持技术设计实验与理论推导相结合的方法最终得出在常量范围内可用氯化钡来鉴别碳酸钠和碳酸氢钠的结论，但在初中化学实验室是很难达到的。试题利用“滴加BaCl2溶液有白色沉淀生成来得到溶质中没有NaHCO3”的实验方法和结论是不够准确的。
　　NaOH与CO2恰好反应生成Na2CO3；Na2CO3溶液与CO2反应全部生成NaHCO3。这两种情况在实际实验中是很难做到的，可以引导学生从化学学科核心素养“变化观念与平衡思想”的角度去理解。
　　五、 几点思考
　　科学探究是让我们设计出简单可行的化学实验方案而不是把实验复杂化，探究之前进行理论分析推理可减少实验的错误率和一些不必要的对比实验。平时教学中应注重培养学生的分析推理和实验创新能力，让学生完成自己设计的实验而不是教师事先设计好的实验。
　　反应的可能性（理论分析、计算等得出的）和反应的现实性（在一定条件下反应实际发生时的具体情况）之间的区别和辩证关系。无法通过实验确定1500mL塑料瓶中的溶液是否含有Na2CO3，这是本次实验探究中遗留的一个问题，在今后的教学过程中继续探究。
　　试题的命制过程中涉及实验探究的情境时，应充分考慮实验的现实性、实验探究情境的真实性，而不是凭空想象或随意捏造的。教师对试题应该心存敬意（试题命制是一件很不容易的事），但也要有自己的见解和看法，教师要先有思辨和批判的精神，才能培养学生的思辨和批判的精神。
　　（通讯作者：郑柳萍）
　　参考文献：
　　[1]戴建良.课堂教学中发展学生化学核心素养——以必修2“乙醇”教学片段为例[J].中学化学教学参考，2017（23）：26-30.
　　[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.
　　[3]刘知新.中学教师化学手册[M].北京：科学普及出版社，1981.
　　[4]武汉大学，吉林大学.无机化学下册（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2000：806.
　　[5]杨飞，马宏佳.用氯化钙或氯化钡鉴别碳酸钠与碳酸氢钠溶液的再认识[J].化学教育，2014，35（11）：82-84.
　　[6]蒋良.对氯化钙溶液与氢氧化钠溶液混合能否反应的探讨[J].化学教与学，2017（10）：66-70.
　　作者简介：李辉力，福建省泉州市，泉州第五中学；
　　梁淑珍，福建省泉州市，泉州第九中学；
　　郑柳萍，福建省福州市，福建师范大学化学与材料学院。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15324650.htm