符愛(ài)琴

關(guān)于酒精成分中氫氧元素的定性探究

符愛(ài)琴

（常州市北環(huán)中學(xué)江蘇常州213017）

文章以化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的酒精為載體，帶領(lǐng)學(xué)生一步步“追蹤”酒精中的氫氧元素，激活學(xué)生探究欲望，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

酒精；元素組成；定性分析；探究學(xué)習(xí)

在初中化學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生對(duì)酒精的認(rèn)識(shí)是逐步展開(kāi)的,從用途、可燃性、氣味、俗名、化學(xué)名稱(chēng)、生活中的應(yīng)用、元素組成到有機(jī)物類(lèi)別等,而對(duì)酒精元素組成的定性分析最簡(jiǎn)單的是燃燒法,又叫李比希法(除此之外還可以用元素分析儀測(cè)定)。因此,利用燃燒法對(duì)酒精的元素組成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,可以促進(jìn)化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用,更好地認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界［1］,同時(shí)有利于激活學(xué)生的探究欲望,讓探究式學(xué)習(xí)能夠真實(shí)地發(fā)生在化學(xué)學(xué)習(xí)課堂教學(xué)當(dāng)中。

圖1 燒杯內(nèi)附有石灰水

一、適時(shí)切入，拓展思維深度

組成物質(zhì)有100多種元素,那么酒精是由什么元素組成呢？對(duì)于剛剛接觸化學(xué)的初三學(xué)生是很難猜到碳?xì)溲踉氐?因此,教師此時(shí)要盡可能考慮到學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)心理［2］。布魯納認(rèn)為,人類(lèi)的知覺(jué)過(guò)程就是對(duì)客觀事物不斷進(jìn)行歸類(lèi)的過(guò)程,所以他提倡教師幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中,不僅要提供必要的信息,而且要教會(huì)學(xué)生掌握并綜合運(yùn)用對(duì)客觀事物歸類(lèi)的方法［3］。因此,對(duì)于酒精的元素組成探究就可以從“查閱資料得知”開(kāi)始,讓學(xué)生知道酒精的組成與石蠟相似。

［問(wèn)題］酒精是由什么元素組成呢？

［猜想與假設(shè)］酒精中含有碳元素和氫元素。

［驗(yàn)證方案］驗(yàn)證酒精燃燒后的生成物,看是否有二氧化碳和水生成。

［設(shè)計(jì)原理］檢驗(yàn)酒精燃燒后的生成物,看是否含有碳元素和氫元素,如果有,就證明酒精中一定含有碳元素和氫元素。再次鞏固和證實(shí)元素種類(lèi)在化學(xué)變化前后是不變的。

學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案如圖1：先把一只冷而干燥的小燒杯放在酒精燈火焰上方,觀察是否有水霧出現(xiàn);再將一只附有澄清石灰水的燒杯罩在酒精燈火焰上方,觀察是否變渾濁。通過(guò)圖1的實(shí)驗(yàn),學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)法區(qū)別石灰水是否變渾濁,石灰水太少,看不清楚。

那么,是否可以換個(gè)辦法來(lái)驗(yàn)證呢？學(xué)生就想到了如圖2所示實(shí)驗(yàn),將燒杯倒轉(zhuǎn),再倒入澄清石灰水振蕩,看澄清石灰水是否變渾濁。

圖2 倒轉(zhuǎn)燒杯，倒入石灰水

圖3 玻璃棒上附有石灰水

有些地區(qū)中考的試題也曾出現(xiàn)類(lèi)似考題,對(duì)酒精成分的分析,一致認(rèn)同的答案就是,點(diǎn)燃酒精燈,在火焰上方罩一只冷而干燥的燒杯,燒杯內(nèi)壁有水霧生成,證明酒精中含有氫元素,然后將燒杯迅速倒轉(zhuǎn),倒入澄清石灰水,澄清石灰水變渾濁,證明酒精中含有碳元素。而事實(shí)上,我們多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),按照這種方法,澄清石灰水不能變渾濁。即使等到小燒杯很燙手,倒轉(zhuǎn)燒杯后,倒入澄清石灰水后仍然沒(méi)有變渾濁。經(jīng)分析,可能是收集到的二氧化碳太少。

馬上就有學(xué)生想到了用玻璃棒醮取少量澄清石灰水放在酒精燈火焰上灼燒,如圖3。結(jié)果發(fā)現(xiàn)澄清石灰水變渾濁了。能夠想到這樣簡(jiǎn)潔的操作確實(shí)很好,這就是所謂頓悟,而頓悟?qū)W習(xí)的實(shí)質(zhì)是在主體內(nèi)部構(gòu)建一種心理完形［4］。

不過(guò),這是短暫的驚喜。這個(gè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,稍后就被學(xué)生自己推翻了?！拔龀龅陌咨腆w不一定是氫氧化鈣生成的碳酸鈣”。因?yàn)槌吻迨宜械摹皻溲趸}”被加熱后,溶解在水的能力減弱(學(xué)生此時(shí)還沒(méi)有學(xué)過(guò)溶解度),因此,玻璃棒上出現(xiàn)的白色固體也有可能是析出的氫氧化鈣,而不是生成的碳酸鈣。

二、步步追問(wèn)，突破思維定勢(shì)

圖4 蠟燭燃燒的產(chǎn)物是什么

圖5 酒精組成元素的探究

怎樣才能避免澄清石灰水被加熱呢？

我們?cè)诿绹?guó)高中主流理科教材《化學(xué)概念與應(yīng)用》上冊(cè)中找到了關(guān)于驗(yàn)證蠟燭燃燒生成的二氧化碳的方法,如圖4。在盤(pán)子里加入約1cm深的自來(lái)水,快速地將錐形瓶從上面移向蠟燭,使瓶口浸入水面以下,并保持這個(gè)位置約1分鐘。記錄觀察結(jié)果。從水中提出錐形瓶,翻轉(zhuǎn)瓶身,使瓶口向上,再在錐形瓶中加入約25mL石灰水。在錐形瓶上塞上塞子后,旋轉(zhuǎn)振蕩約1分鐘。如果溶液變渾濁,說(shuō)明生成了碳酸鈣,也說(shuō)明錐形瓶里有二氧化碳［5］。

這種方法給學(xué)生很多啟示。于是,有學(xué)生提出用圖5的方法,用一個(gè)倒掛的漏斗,將生成的氣體通入澄清石灰水,觀察澄清石灰水是否變渾濁。結(jié)果發(fā)現(xiàn),還是不能變渾濁。通過(guò)分析,學(xué)生認(rèn)為可能是產(chǎn)生的氣體較少,而管子太長(zhǎng),于是學(xué)生又作了改進(jìn),縮短了漏斗到試管的距離,如圖6。多次實(shí)驗(yàn)仍然不能使澄清石灰水變渾濁。因此學(xué)生推斷,通過(guò)這樣的裝置無(wú)法證明酒精燃燒產(chǎn)生二氧化碳。

能否將酒精放在密閉的容器中燃燒呢？老師追問(wèn)。

學(xué)生隨后設(shè)計(jì)出了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置。在將一定量酒精倒入廣口瓶,然后用火柴點(diǎn)燃酒精,這時(shí),學(xué)生發(fā)現(xiàn),廣口瓶?jī)?nèi)的酒精一點(diǎn)著就熄滅了,無(wú)法往下繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析,師生認(rèn)定可能是氧氣不充足,酒精無(wú)法燃燒。我們又嘗試用紙張來(lái)替代酒精做這個(gè)實(shí)驗(yàn),將紙張揉成一團(tuán),點(diǎn)燃后放入另一個(gè)廣口瓶,結(jié)果紙張也是很快就熄滅了。

圖6 縮短導(dǎo)氣管

三、層層改進(jìn)，培養(yǎng)思維方法

看似簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著很多的科學(xué)原理。在步步啟發(fā),層層改進(jìn)的情況下,最終學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)出了如圖8的實(shí)驗(yàn)步驟和方法。

圖7 將酒精倒入廣口瓶后點(diǎn)燃

圖8 酒精組成元素的探究

取一滴管酒精擠入坩堝,點(diǎn)燃酒精,用坩堝鉗將坩堝小心地放入100mL的燒杯中,在火焰上方罩一只250mL(冷而干燥)的燒杯,觀察是否有水霧出現(xiàn)。然后將罩在上面的燒杯拿走,將坩堝從100mL的燒杯中取出來(lái),倒入澄清石灰水,觀察是否變渾濁。

在這個(gè)不斷地實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)、再實(shí)驗(yàn)、再改進(jìn)的過(guò)程中,學(xué)生生成了很多疑問(wèn)。

問(wèn)題1：在探究過(guò)程中,有學(xué)生用火柴點(diǎn)燃酒精后,沒(méi)有及時(shí)取出火柴,是否影響實(shí)驗(yàn)的可信度？

于是,我們邊查閱資料邊交流?；鸩裰斜旧砗刑荚?燃燒后產(chǎn)生二氧化碳,如果不及時(shí)取出來(lái),那使澄清石灰水變渾濁的原因就不止是酒精燃燒引起的了。

問(wèn)題2：在探究過(guò)程中,有學(xué)生認(rèn)為“將盛放酒精的坩堝放入燒杯后,再點(diǎn)燃”更方便,這樣是否可行？

盛放酒精的坩堝在放入燒杯后再點(diǎn)燃,火柴點(diǎn)燃酒精的過(guò)程也產(chǎn)生二氧化碳,有可能殘留在燒杯,為了確保不受火柴的影響,還是應(yīng)該在引燃酒精后再放入燒杯。

問(wèn)題3：此探究過(guò)程中,有些學(xué)生先將澄清石灰水倒入燒杯,然后再將引燃后的酒精放入燒杯,然后罩上大燒杯?，F(xiàn)象是澄清石灰水變渾濁,大燒杯里有水霧。這樣的探究方法是否可行？為什么？

如果將澄清石灰水預(yù)先倒入燒杯,坩堝內(nèi)的酒精燃燒會(huì)使燒杯底部及燒杯內(nèi)的澄清石灰水溫度升高,而澄清石灰水中的氫氧化鈣遇熱后溶解度變小,因此澄清石灰水變渾濁并不能說(shuō)明是酒精燃燒生成二氧化碳造成的。

問(wèn)題4：此實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耱?yàn)證酒精中含有氧元素？

此實(shí)驗(yàn)不能定性和定量測(cè)定氧元素。如果要測(cè)定氧元素,需測(cè)定反應(yīng)物的質(zhì)量,在密閉的容器中,將其引燃,測(cè)定燃燒后生成的二氧化碳和水的質(zhì)量,通過(guò)計(jì)算才能知道是否含有氧元素。問(wèn)題探討到此,老師可以激勵(lì)學(xué)生,質(zhì)量守恒定律和化學(xué)方程式計(jì)算學(xué)完后,大家再來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證酒精中是否含有氧元素。

問(wèn)題5：定性地驗(yàn)證有機(jī)物中的碳元素有哪些方法？驗(yàn)證酒精中的碳元素可采用其中的哪幾種？為什么？定性地驗(yàn)證有機(jī)物的氫元素有哪些方法？

思考、研討如下：定性地驗(yàn)證有機(jī)物中的碳元素,目前一般常用的方法有三種。第一種,如石蠟,將其引燃,往火焰中迅速插入一塊冷而干燥的白瓷板,觀察白瓷板上是否有黑色物質(zhì)生成。第二種,如蔗糖、面粉之類(lèi),將其引燃,觀察是否有黑色殘?jiān)?。第三種,如酒精、甲烷等,將生成氣體通入澄清石灰水,觀察是否變渾濁。只不過(guò),用裝置收集其燃燒生成的氣體有點(diǎn)復(fù)雜而已。第三種方法適用于酒精,因?yàn)榫凭装l(fā)生充分燃燒,很難產(chǎn)生炭黑或留下黑色殘?jiān)?/p>

定性地驗(yàn)證有機(jī)物中氫元素,一般也是使其燃燒,觀察其生成物。簡(jiǎn)單地看,是否有水珠或水霧生成,還有可以將生成的氣體通過(guò)無(wú)水硫酸銅,觀察白色固體是否變藍(lán)色。在定量的鑒定題中,一般將其生成的氣體通過(guò)濃硫酸,測(cè)定濃硫酸增重的質(zhì)量,即生成水的質(zhì)量。

學(xué)生在探求新知、尋找規(guī)律獲得意外成功的驚喜時(shí),在山重水復(fù)疑無(wú)路之后,突然產(chǎn)生的靈感所帶來(lái)快樂(lè)時(shí),無(wú)不感受到探究的樂(lè)趣和科學(xué)的魅力,從內(nèi)心深處升騰起一種難以言喻的成就感,它可以成為激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、獲取創(chuàng)新能力的巨大源泉。

［1］［2］吳俊明.發(fā)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究需要大智慧［J］.化學(xué)教學(xué)，2013，（2）：3-4

［3］朱峰.布魯納“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)論”對(duì)我國(guó)教育改革的啟示［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，（06）：55-57

［4］邱江，張慶林.創(chuàng)新思維中原型激活促發(fā)頓悟的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制［J］.心理科學(xué)進(jìn)展，2011，（03）：312-313

［5］［美］菲利普等著.王祖浩等譯.化學(xué)概念與應(yīng)用［M］.杭州：浙江教育出版社，2008.8：30-31

1008-0546（2013）05-059-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.05.025