鄧育紅

摘要：中學(xué)生從微觀層次上認(rèn)識(shí)物質(zhì)具有一定的難度，巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以變抽象為形象，幫助學(xué)生克服認(rèn)知困難。精心設(shè)計(jì)了3個(gè)實(shí)驗(yàn)：影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及液態(tài)均相體系中催化劑作用機(jī)理的探究、熵增吸熱反應(yīng)和鐵離子顏色的探究。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)苌鷦?dòng)、直觀地呈現(xiàn)化學(xué)學(xué)習(xí)的對(duì)象，有助于學(xué)生理解知識(shí)，以及促進(jìn)學(xué)生在宏微結(jié)合、變化守恒、實(shí)踐創(chuàng)新等方面學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；化學(xué)反應(yīng)速率；熵變與焓變；鐵離子顏色

文章編號(hào)：1005–6629（2017）7–0052–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科。對(duì)于中學(xué)生來說，從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)具有一定的難度?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)苓m應(yīng)中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，為他們形成化學(xué)知識(shí)技能提供直觀、生動(dòng)、具體的感性材料和例證，幫助他們克服認(rèn)知困難和提高認(rèn)知質(zhì)量[1]。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)教學(xué)中有一些難以講清講透的知識(shí)點(diǎn)和學(xué)生困惑的問題，為解決這些問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。如學(xué)生對(duì)于催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的過程十分感興趣，但教材中沒有均相體系中催化劑參與反應(yīng)過程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，因此在學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容時(shí)設(shè)計(jì)了氯化鈷催化酒石酸鉀鈉與過氧化氫的實(shí)驗(yàn)，通過溶液顏色的變化證明催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)；熵變與焓變比較抽象，學(xué)生難以理解，一直是教學(xué)的難點(diǎn)之一，用生活中常用的自發(fā)熱熱敷袋和學(xué)生熟悉的碳酸氫鹽與氯化鈣的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過觀察物態(tài)和溫度的變化來幫助學(xué)生理解熵變與焓變；銅鹽和鐵鹽在生活中很常見，但它們的顏色卻令人困惑，鐵離子顏色的探究實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生答疑解惑。通過這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，巧妙地變抽象為形象，破譯教材難點(diǎn)，解答學(xué)生困惑，促進(jìn)學(xué)生在宏微結(jié)合、變化守恒、實(shí)踐創(chuàng)新等方面學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及液態(tài)均相體系中催化劑作用機(jī)理的探究

化學(xué)反應(yīng)速率是高中化學(xué)的重要內(nèi)容。溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，教材中通過不同類型的典型實(shí)驗(yàn)來展現(xiàn)。其中，催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的改變最為顯著，學(xué)生對(duì)催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率的作用機(jī)理十分感興趣。與溫度、濃度、壓強(qiáng)這幾種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響機(jī)理相比，催化劑的催化原理較難理解。各版本高中選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中均有闡述：催化劑能改變反應(yīng)的路徑，使發(fā)生反應(yīng)所需的活化能降低，從而加快反應(yīng)速率。但這一反應(yīng)機(jī)理光靠理論闡述和圖示講解很難使學(xué)生信服。通過以下實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生明白催化劑確實(shí)參與了化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)前后的質(zhì)量及化學(xué)性質(zhì)并未改變。

實(shí)驗(yàn)1 液態(tài)均相體系中催化劑作用機(jī)理的探究

（1）在錐形瓶中加入5%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和10%的過氧化氫溶液10mL，加熱至40℃。

（2）在錐形瓶中再加入2%的氯化鈷溶液10mL，注意觀察錐形瓶?jī)?nèi)溶液及其顏色變化。

[反應(yīng)現(xiàn)象]加入氯化鈷后，溶液呈鈷離子（Co2+）的淡紅色，很快變?yōu)闇\棕色，有小氣泡產(chǎn)生。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液逐漸變?yōu)榫G色。反應(yīng)最劇烈時(shí)，溶液呈深綠色，并伴隨著大量氣體放出。然后顏色逐漸變淺，反應(yīng)結(jié)束后又恢復(fù)為原來的淡紅色。

酒石酸根離子與過氧化氫反應(yīng)生成二氧化碳，加入氯化鈷作為催化劑，氣體迅速產(chǎn)生。反應(yīng)中鈷離子顏色的變化十分清楚地顯示催化劑參與了反應(yīng)，有中間體生成。催化反應(yīng)的途徑不是越過單一的高能壘，而是越過兩個(gè)較低的能壘。

酒石酸鉀鈉與過氧化氫的反應(yīng)不僅可以揭示催化劑的催化原理，也能用于其他有關(guān)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的實(shí)驗(yàn)。

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)1 濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

（1）取兩個(gè)錐形瓶，在錐形瓶1中加入5%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和10%的過氧化氫溶液10mL；在錐形瓶2中加入10%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和15%的過氧化氫溶液10mL，均加熱至40℃。

（2）在兩個(gè)錐形瓶中均加入2%的氯化鈷溶液10mL，注意觀察錐形瓶?jī)?nèi)溶液的變化并加以比較。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]兩錐形瓶溶液顏色的變化一致，但可以觀察到瓶2中產(chǎn)生的氣泡更多，比瓶1反應(yīng)更劇烈。

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)2 溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

（1）取兩個(gè)錐形瓶，均加入10%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和15%的過氧化氫溶液10mL。

（2）瓶1加熱至40℃，停止加熱；瓶2繼續(xù)加熱，觀察現(xiàn)象并加以比較。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]瓶1中無現(xiàn)象；瓶2加熱至近沸，看到有小氣泡產(chǎn)生，停止加熱，仍有氣泡產(chǎn)生（但沒有加入催化劑時(shí)反應(yīng)劇烈），用盛過澄清石灰水的燒杯罩在錐形瓶口，可看到燒杯壁出現(xiàn)白色渾濁。

此組實(shí)驗(yàn)直觀明了地詮釋影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及其機(jī)理，尤其是將催化劑參與化學(xué)反應(yīng)這一微觀過程通過顏色變化形象鮮明地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，幫助學(xué)生理解有效碰撞模型、活化分子和活化能的概念。有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識(shí)與微觀探析等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 生活中的實(shí)例與化學(xué)反應(yīng)的熵變與焓變

化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，焓判據(jù)和熵判據(jù)均有道理，綜合了熵變和焓變的自由能變化對(duì)高中生來說較難理解。平時(shí)在教學(xué)中，講授化學(xué)反應(yīng)時(shí)我們更重視新物質(zhì)的生成，書寫化學(xué)方程式也只寫出反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式，一般不標(biāo)注反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)和反應(yīng)的能量變化（熱化學(xué)方程式除外）。而國外的一些教材，在開始介紹化學(xué)反應(yīng)時(shí)即強(qiáng)調(diào)物質(zhì)變化和能量變化是化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)志，化學(xué)方程式必須標(biāo)注物質(zhì)的狀態(tài)和反應(yīng)是吸熱還是放熱[2]。因此我們的學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化（焓變）和物態(tài)變化（熵變）不太關(guān)注。其實(shí)，熵變和焓變不僅在自然界中普遍存在，也廣泛存在于我們所熟悉的化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及日常生活中。

市場(chǎng)上出售的自發(fā)熱熱敷袋就利用了熵減放熱的原理：

CH3COONa·3H2O（l）→CH3COONa·3H2O（s）+熱量

液態(tài)的水合醋酸鈉處于無序狀態(tài)，在金屬片的觸發(fā)下結(jié)晶成為固態(tài)，混亂度減小，放出能量。將結(jié)晶后的熱敷袋放在熱水中吸熱融化，即可反復(fù)使用，故名為“自發(fā)熱”。

如果將結(jié)晶后的袋子放在身體需要冷敷的部位，發(fā)熱袋就變成了冷敷袋。冷熱均可，備受歡迎。

泡騰片的溶解是熵增吸熱的過程。夏天，在涼開水中放入一片泡騰片，看到氣泡翻騰，同時(shí)可以喝到?jīng)鏊娘嬃?，何等愜意。這是因?yàn)榕蒡v片中的檸檬酸與碳酸氫鈉反應(yīng)，生成二氧化碳?xì)怏w，體系的混亂度增大，同時(shí)該反應(yīng)吸收熱量，溶液變冷。

生活是最大的課堂，實(shí)踐是最佳的老師。課余，抱著熱（冷）敷袋，喝著泡騰飲料，回味熵增（減）原理，別有一番情趣。

在課堂上，亦可用如下實(shí)驗(yàn)釋疑，幫助學(xué)生化解某些吸熱反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行的難點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)2 熵增吸熱反應(yīng)示例

（1）分別量取1mol/L的氯化鈣溶液和2mol/L的碳酸氫鉀溶液各50mL，測(cè)量此時(shí)溶液的溫度。

（2）將兩溶液同時(shí)倒入錐形瓶中，觀察現(xiàn)象并測(cè)量混合液溫度。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋]溶液混合后即出現(xiàn)白色渾濁，同時(shí)有大量氣泡產(chǎn)生，同時(shí)觀察到溫度降低。（當(dāng)時(shí)室溫為14℃，兩室溫下的溶液混合后溫度降為12℃。）氯化鈣溶液和碳酸氫鉀溶液反應(yīng)生成了二氧化碳?xì)怏w，體系混亂度增大。同時(shí)，溫度的測(cè)量直觀地顯示了反應(yīng)的焓變，提供了現(xiàn)象明顯的熵增吸熱反應(yīng)示例。

教材中一般較多討論碳酸氫鈉溶液和氯化鈣溶液的反應(yīng)，而本實(shí)驗(yàn)用溶解度相對(duì)較大的碳酸氫鉀替換碳酸氫鈉，反應(yīng)原理相同，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得十分清晰。

此實(shí)驗(yàn)可用于探究氯化鈣溶液鑒別碳酸鹽和碳酸氫鹽的方法是否嚴(yán)密，以此培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和證據(jù)意識(shí)。本實(shí)驗(yàn)亦可用來展示碳酸氫根離子電離平衡的移動(dòng)，從而培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)變化觀念與平衡思想。

化學(xué)可以說是應(yīng)用宏觀與微觀結(jié)合、思維與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法研究實(shí)物材料（化學(xué)物質(zhì)）的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，以及它們的相互聯(lián)系，為人類利用自然、改造自然、保護(hù)自然、提高生活質(zhì)量和生存安全服務(wù)，滿足人類的實(shí)際需要以及有關(guān)的好奇心和興趣的科學(xué)[3]。此組實(shí)驗(yàn)貼近生活和學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，從新視角審視熟悉的問題，突出了實(shí)驗(yàn)是一種重要的科學(xué)方法和思維方法，很好地演繹了學(xué)習(xí)化學(xué)的意義和目的。

3 鐵離子顏色的探究

在教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問題：實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生往往不關(guān)注教師著重強(qiáng)調(diào)的問題，冷不防提出其他問題。這時(shí)，教師或因與教學(xué)內(nèi)容無關(guān)，或因相關(guān)解釋超越學(xué)生的知識(shí)水準(zhǔn)，往往避而不答。其實(shí)，認(rèn)知是多層面的，如此時(shí)趁熱打鐵，借臺(tái)唱戲，可取得意想不到的效果。

在做電解氯化銅水溶液的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生敏銳地發(fā)現(xiàn)氯化銅溶液呈綠色，與硫酸銅溶液顏色不一樣，違背了他們認(rèn)為銅鹽溶液呈藍(lán)色的常識(shí)。面對(duì)學(xué)生的質(zhì)詢，教師可隨手取少量氯化銅溶液，加水稀釋，發(fā)現(xiàn)溶液由綠變藍(lán)，并發(fā)問：能否變回綠色？讓學(xué)生課后思考并探究原因。

氯化銅溶液稀釋過程中顏色的變化很好地詮釋了化學(xué)平衡的移動(dòng)。

在硫酸銅溶液中加入濃鹽酸或氯化鈉固體，可觀察到溶液顏色逐漸由藍(lán)變綠，十分悅目。

受這一問題的啟發(fā)，學(xué)生討論三氯化鐵溶液的顏色問題，有學(xué)生說因氯離子存在的緣故三價(jià)鐵離子才呈黃色，立即有學(xué)生反駁說：三氯化鐵溶液稀釋時(shí)溶液顏色只是變淺，所以三氯化鐵溶液的顏色應(yīng)是水合鐵離子的顏色。針對(duì)這種情況，我們從實(shí)驗(yàn)室分別取不同鐵鹽少許，觀察樣品顏色：無水硫酸鐵為白色粉未，九水合硝酸鐵是接近無色的淺紫色晶體，六水合氯化鐵呈黃棕色。為什么同樣是結(jié)晶水合物，硝酸鐵與氯化鐵顏色相去甚遠(yuǎn)？

實(shí)驗(yàn)3 鐵（Ⅲ）離子的顏色

（1）配制0.5mol/L的硝酸鐵溶液100mL，觀察溶液的顏色（呈黃色）并備用。

（2）在三支試管中分別加入等量上述硝酸鐵溶液，在一支試管中滴加濃硝酸，在一支試管中滴加濃鹽酸（對(duì)照組試管中加水，保持體積相等），觀察溶液顏色的變化。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋]

九水合硝酸鐵雖然晶體接近無色，但配制成0.5mol/L的硝酸鐵溶液呈黃色，這是因?yàn)椋?img src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/06/huax201707huax20170712-4-l.jpg" style="">

鐵鹽、銅鹽的顏色問題是生活中極普通的問題，但卻蘊(yùn)含著較復(fù)雜的原理。我們不能因?yàn)樵砩願(yuàn)W就繞著問題走，使化學(xué)變成空洞無用的學(xué)問。促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)課堂應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)真實(shí)的化學(xué)，不拘泥于原理，用事實(shí)說話，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。銅鹽和鐵鹽的顏色差異，起源于真實(shí)的問題情境。此實(shí)驗(yàn)探究的開展，可鼓勵(lì)學(xué)生面對(duì)“異?！爆F(xiàn)象敢于提出自己的見解，啟迪學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題，學(xué)會(huì)從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，在探究中學(xué)會(huì)思考。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)科學(xué)賴以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，是檢驗(yàn)化學(xué)科學(xué)真理性的標(biāo)準(zhǔn)，是化學(xué)教學(xué)中學(xué)生獲取化學(xué)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和檢驗(yàn)化學(xué)知識(shí)的重要媒介和手段，是提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要內(nèi)容和途徑[4]。巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思，可起到變虛為實(shí)、化難為易、答疑解惑的功能，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感的形成，從而達(dá)到提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊明.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究導(dǎo)論[M].南京：江蘇教育出版社，1997：11.

[2] Wolfang Asseblborn usw. Chemie heute-Sekundarbereich Ⅱ. Bildungshaus Schulbuchverlage，2011：10，91.

[3]吳俊明.關(guān)于核心素養(yǎng)及化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思考與疑問[J].化學(xué)教學(xué)，2016，（11）：3～8.

[4]梁慧姝，鄭長(zhǎng)龍.化學(xué)實(shí)驗(yàn)論[M].南寧：廣西教育出版社，1996：1.

[5]吳星.從三維目標(biāo)走向核心素養(yǎng)[J].化學(xué)教學(xué)，2017，（1）：3～7.