鄧 偉 王麗霞
(安徽省亳州市第一中學(xué) 236810)
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》提出的化學(xué)核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面.如何切實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng),形成關(guān)鍵能力是新一輪課程改革的目的,教師要改變教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力和問題解決能力.
在學(xué)習(xí)醛類物質(zhì)時(shí),學(xué)生知道醛基具有還原性,可以發(fā)生銀鏡反應(yīng),也可以和新制氫氧化銅等氧化劑反應(yīng),生成羧酸或羧酸鹽,教師也會(huì)通過實(shí)驗(yàn)探究引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)醛類物質(zhì)的這一性質(zhì).同時(shí)醛基具有不飽和的碳氧雙鍵,也能發(fā)生加成反應(yīng).當(dāng)把甲醛加入到溴水中,會(huì)發(fā)生哪個(gè)類型的反應(yīng)呢?對(duì)于上述問題,一直困擾著剛接觸學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的學(xué)生.一般教師的解釋是烯烴的碳碳雙鍵既能和氫氣加成又能和溴加成,而醛類物質(zhì)的碳氧雙鍵只能和氫氣加成,不能和溴發(fā)生加成反應(yīng),如果是溴水,可以和醛類物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng).這樣傳授式教學(xué)方法顯然不利于核心素養(yǎng)的培養(yǎng).
根據(jù)化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,以甲醛和溴水反應(yīng)為例,把這個(gè)問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,讓學(xué)生預(yù)測(cè)該反應(yīng)發(fā)生的類型,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,觀察現(xiàn)象,得出結(jié)論.
經(jīng)過小組討論,對(duì)于甲醛和溴水反應(yīng),學(xué)生進(jìn)行了如下預(yù)測(cè):
(1)甲醛分子中的醛基含有碳氧雙鍵,可發(fā)生加成反應(yīng),化學(xué)方程式如下:
(2)甲醛具有還原性,溴水具有氧化性,發(fā)生氧化反應(yīng),化學(xué)方程式如下:
溴水中存在著溴和水的可逆反應(yīng):
實(shí)驗(yàn)方案:向溴水中加入甲醛,一段時(shí)間后測(cè)溶液pH 的變化.若發(fā)生加成反應(yīng),則溶液的pH 沒有明顯變化,或者因?yàn)锽r2的消耗,使Br2和H2O 反應(yīng)的平衡逆向移動(dòng),pH變大.若發(fā)生氧化反應(yīng),由于溶液中HBr濃度的增大,則pH變小.
看似完美的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),果真如此嗎?用廣泛pH 試紙測(cè)溴水中加入甲醛前后溶液pH 的變化.在pH試紙上滴加一滴溴水,中間顯黃色,邊緣顯紅色;再將溴水和甲醛反應(yīng)后的溶液點(diǎn)到pH 試紙上,顯黃色.因?yàn)殇逅哂醒趸?,無法用pH 試紙測(cè)出溴水的pH ,也無法比較反應(yīng)前后溶液pH的變化,這樣的設(shè)計(jì)方案是不可行的.
還有什么可行的方案可以實(shí)施,為了幫助學(xué)生探究該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)類型,可以借助電導(dǎo)率傳感器、CO2傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn),不僅能夠讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的類型,而且建立了該反應(yīng)的曲線表征.
1.實(shí)驗(yàn)藥品
40%甲醛溶液(分析純AR)、3%溴水(分析純AR).
2.實(shí)驗(yàn)儀器
導(dǎo)電率傳感器、磁力加熱攪拌器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、燒杯.
3.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)連接好導(dǎo)電率傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),在燒杯中放入磁子,并將燒杯放在磁力加熱攪拌器的中央.
(2)在燒杯中加入20mL 3%溴水,插入導(dǎo)電率傳感器,打開磁力攪拌器的攪拌開關(guān),點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)上Logger Pro 3數(shù)據(jù)采集軟件的“開始”數(shù)據(jù)采集按鈕,再加入10mL 40%甲醛溶液.觀察到溴水顏色慢慢變淺,并得到如圖所示曲線.
4.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析
在溴水中加入甲醛溶液,可以看到混合液的導(dǎo)電率瞬間降低,這是因?yàn)殇逅查g被甲醛溶液稀釋了,溶液中的離子濃度下降造成的;但隨之導(dǎo)電率不斷增強(qiáng),說明溶液中自由移動(dòng)的離子濃度又逐漸增大,可以證明甲醛與溴水發(fā)生了氧化反應(yīng).
該反應(yīng)發(fā)生的化學(xué)方程式:
1.實(shí)驗(yàn)藥品
40%甲醛溶液(分析純AR)、3%溴水(分析純AR).
2.實(shí)驗(yàn)儀器
CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、反應(yīng)器.
3.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)將CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接好.打開數(shù)據(jù)采集頁(yè)面,設(shè)置好采集時(shí)間為連續(xù)采集,樣本為1個(gè)/s.
(2)在反應(yīng)器中加入20 mL 3%溴水,再加入5mL 40%甲醛溶液,將CO2傳感器插入反應(yīng)器并塞緊.點(diǎn)擊“開始”數(shù)據(jù)采集按鈕,觀察到溴水顏色慢慢變淺,CO2濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖所示.
CO2傳感器探測(cè)到CO2濃度逐漸上升,說明該反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w生成,從而可知甲醛被氧化.從上述曲線變化可以看出醛基與溴水反應(yīng),醛基被氧化為羧基,由于甲醛結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于有兩個(gè)醛基,其最終的氧化產(chǎn)物是碳酸,碳酸不穩(wěn)定,分解生成二氧化碳?xì)怏w和水.
1.以上兩組實(shí)驗(yàn)均可證明甲醛與溴水發(fā)生了氧化反應(yīng),由于醛類物質(zhì)具有相同的官能團(tuán)——醛基,可類推出醛類物質(zhì)都可以與溴水發(fā)生氧化反應(yīng).
2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以使數(shù)據(jù)和圖像同時(shí)呈現(xiàn),學(xué)生能直觀地感受到實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)情景,認(rèn)識(shí)醛類物質(zhì)與溴水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類型.這樣的教學(xué)既反映了化學(xué)反應(yīng)的真實(shí)情況,又提高了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣.
3.本實(shí)驗(yàn)用甲醛溶液做實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證醛基與溴水發(fā)生氧化反應(yīng)而非加成反應(yīng),同時(shí)也能預(yù)測(cè)其它醛類物質(zhì)與溴水發(fā)生的也是氧化反應(yīng),而非α-H的取代反應(yīng).
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)課堂教學(xué),能夠提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).在甲醛與溴水的實(shí)驗(yàn)探究中,既從宏觀辨識(shí)的角度分析了該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,又通過微觀的變化分析了該反應(yīng)的實(shí)質(zhì).學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠充分體驗(yàn)到科學(xué)探究中要尊重事實(shí)和證據(jù),敢于懷疑和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度.