徐珂 陳建剛 王海燕

摘要：教學(xué)體系包含知識(shí)、能力與思維三大要素，化學(xué)學(xué)科思維培養(yǎng)對(duì)學(xué)生綜合素養(yǎng)具有重要意義。通過現(xiàn)代數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備兼創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，教師重在引導(dǎo)，學(xué)生自主探究，構(gòu)建嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腘a2O2與H20及CO2反應(yīng)實(shí)質(zhì)知識(shí)體系并培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維。巧用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以直觀結(jié)果呈現(xiàn)：Na2O2與H2O反應(yīng)實(shí)質(zhì)歷經(jīng)中間產(chǎn)物H2O2，H2O2分解生成O2和H2O。干燥的CO2不與Na2O2反應(yīng)，含水蒸氣體系CO2與Na2O2反應(yīng)生成碳酸鹽和氧氣。通過實(shí)驗(yàn)過程體會(huì)科學(xué)探究方法，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科探究思維。

關(guān)鍵詞：過氧化鈉;水;二氧化碳;數(shù)字化探究;學(xué)科思維

文章編號(hào)：1008-0546（ 2021）01-0078-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.021

教學(xué)中知識(shí)的傳授與思維的培養(yǎng)密不可分。著名的化學(xué)家戴安邦先生曾經(jīng)指出“只傳授化學(xué)知識(shí)和技術(shù)的化學(xué)教育是片面的，全面的化學(xué)教學(xué)要求既傳授化學(xué)知識(shí)和技能，又訓(xùn)練科學(xué)方法和思維”。思維是認(rèn)知的核心與關(guān)鍵[1]。對(duì)于Na2O2與H22及CO2的反應(yīng)多數(shù)學(xué)生僅停留在思維記憶式方程式書寫及簡(jiǎn)單應(yīng)用，對(duì)于反應(yīng)過程及微觀實(shí)質(zhì)未做深入思考，根據(jù)所倡導(dǎo)的素質(zhì)化教育，設(shè)計(jì)思維衍生式，包含知識(shí)推理過程實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)探究角度認(rèn)知過氧化鈉并培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科思維模式，對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的形成具有一定的積極意義。Na2O2與H2O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)教材采用向裝有Na2O2的試管中滴入水并用帶火星的木條進(jìn)行產(chǎn)物驗(yàn)證。Na2O2與CO2的反應(yīng)教材未設(shè)置實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中，有采用滴水生火以及吹氣生火實(shí)驗(yàn)，即用脫脂棉包裹Na2O2進(jìn)行滴水或吹氣，引發(fā)脫脂棉燃燒，從燃燒三要素推測(cè)反應(yīng)放熱并生成氧氣[2-4]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代重要科技產(chǎn)物[5]，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，在教學(xué)中引進(jìn)傳感技術(shù)[6]，實(shí)驗(yàn)過程可視化，以曲線和數(shù)據(jù)科學(xué)直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]。本探究結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及組裝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)Na2O2與H2O及CO2反應(yīng)實(shí)質(zhì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)過程直觀呈現(xiàn)，并根據(jù)結(jié)果及現(xiàn)象進(jìn)一步探究推理反應(yīng)實(shí)質(zhì)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究水蒸氣對(duì)Na2O2與CO2實(shí)驗(yàn)的影響。符合新課改提倡引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探索和學(xué)習(xí)，全面提升科學(xué)素養(yǎng)[8]，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的積極作用。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知思維過程，引導(dǎo)通過實(shí)驗(yàn)由表及里全面認(rèn)知Na2O2與水及CO2的反應(yīng)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)科探究思維與方法。

一、Na2O2與H2O的反應(yīng)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

利用溫度傳感器及氧氣傳感器對(duì)反應(yīng)體系溫度及氧氣濃度變化進(jìn)行全過程在線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)載體選用有機(jī)合成中常用儀器三口燒瓶，一是多頸有利于連接不同傳感器探頭，同時(shí)玻璃儀器可視實(shí)驗(yàn)發(fā)生現(xiàn)象。通過觀察燒瓶?jī)?nèi)部Na2O2與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為下一步反應(yīng)實(shí)質(zhì)探究設(shè)疑（向Na2O2固體中加入含有酚酞的水，出現(xiàn)先變紅再褪色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）。采用恒壓滴液漏斗向?qū)嶒?yàn)裝置內(nèi)加入一定體積的水，整個(gè)體系保持在一個(gè)相對(duì)密封的環(huán)境中。因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間較短，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上可明顯觀察到溫度的急速上升，因此忽略短時(shí)間內(nèi)體系向環(huán)境散熱的熱量損失。實(shí)驗(yàn)裝置圖附圖1。

2.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

如圖1組裝實(shí)驗(yàn)裝置，向裝有2.0gNa2O2固體的三口燒瓶中注入15mL含有酚酞的水。點(diǎn)擊電腦軟件“開始”記錄過程采集數(shù)據(jù)。變化包括兩方面，一是電腦軟件上數(shù)據(jù)（氧氣濃度及溫度）變化趨勢(shì)，二是燒瓶?jī)?nèi)反應(yīng)現(xiàn)象（變紅再褪色）。變化一，可以看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)走向（圖2），反應(yīng)引發(fā)后，反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，隨著氧氣在三口燒瓶?jī)?nèi)的擴(kuò)散，氧氣傳感器檢測(cè)結(jié)果表明氧氣濃度逐漸增大。溫度傳感器檢測(cè)體系溫度迅速上升，且器壁發(fā)熱。溫度傳感器探頭與反應(yīng)物相接觸，反應(yīng)引發(fā)溫度迅速上升，隨著采集時(shí)間的增長(zhǎng)，Na2O2反應(yīng)完，體系向環(huán)境散熱，因此溫度開始下降。實(shí)驗(yàn)以數(shù)據(jù)說明Na2O2與水反應(yīng)生成氧氣同時(shí)放出大量熱量。

變化二，三口燒瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)先變紅再褪色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。做出實(shí)驗(yàn)猜想并驗(yàn)證表1。

經(jīng)驗(yàn)證高濃度氫氧化鈉及過氧化氫溶液會(huì)使得含有酚酞的水溶液出現(xiàn)先變紅后褪色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。那么Na2O2與水反應(yīng)過程中是否有過氧化氫產(chǎn)生呢？根據(jù)過氧化氫的性質(zhì)，受熱促進(jìn)分解以及典型的加人催化劑二氧化錳促進(jìn)分解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表2，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖3。得出結(jié)論反應(yīng)過程中有過氧化氫生成，加熱和加入催化劑二氧化錳促進(jìn)過氧化氫的分解，并且體系氧氣濃度進(jìn)一步增大。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

Na2O2是一種淡黃色固體，與水發(fā)生反應(yīng)生成堿和氧氣，同時(shí)伴隨有大量熱量放出。反應(yīng)過程中有中間產(chǎn)物過氧化氫生成，過氧化氫進(jìn)一步分解生成氧氣。

二、Na2O2與CO2的反應(yīng)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

水可與Na2O2發(fā)生反應(yīng)，同樣具有滅火性質(zhì)的CO2是否可以和Na2O2發(fā)生反應(yīng)？向包裹有Na2O2的脫脂棉吹氣引發(fā)生火實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步驗(yàn)證是呼出的水蒸氣與Na2O2發(fā)生了反應(yīng)還是CO2與Na2O2發(fā)生反應(yīng)或者是CO2和水的協(xié)同作用。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置包括：CO2發(fā)生裝置，除雜干燥裝置，三組對(duì)照檢驗(yàn)裝置（1：CO2氣體流經(jīng)Na2O2固體，2：CO2氣體流經(jīng)干燥劑及Na2O2固體，3：CO2通路），三組尾管均導(dǎo)入盛有石灰水的試管或置有燃燒蠟燭的集氣瓶進(jìn)行最終產(chǎn)生氣體檢驗(yàn)?？紤]實(shí)驗(yàn)裝置較多，為提高實(shí)驗(yàn)效率與直觀性，以物理電路圖設(shè)計(jì)為靈感，設(shè)計(jì)微型化實(shí)驗(yàn)線路圖。裝置圖如圖4。實(shí)驗(yàn)器材包括細(xì)玻璃管，連接用乳膠管，膠帶紙及一定厚度硬紙板做支撐載體。CO2發(fā)生裝置上口T形管口放有浸有氯化鈉的脫脂棉吸收CO2氣流帶出的氯化氫氣體。本實(shí)驗(yàn)裝置可一次性完成Na2O2與CO2反應(yīng)的實(shí)質(zhì)及現(xiàn)象探究。實(shí)驗(yàn)微型化藥品用量少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，直觀可視Na2O2反應(yīng)前后由淡黃色到白色顏色的變化。通過觸摸或者上貼的感溫紙?bào)w會(huì)反應(yīng)發(fā)生則放熱。對(duì)于碳酸鹽的檢驗(yàn)可以從乳膠管連接處取下小段玻璃管直接滴人鹽酸并檢驗(yàn)所生成氣體。

2.實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

在自制下口具支大試管中加入塊狀碳酸鈣，從注射器中注入鹽酸引發(fā)反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束通過下支口放走多余的酸終止CO2氣體的產(chǎn)生。生成的CO2氣體通過T形管分3路流向。三路尾管可通人飽和澄清石灰水或置有燃燒蠟燭的集氣瓶中進(jìn)行產(chǎn)物的檢驗(yàn)（圖4連接為導(dǎo)人澄清石灰水中，若用燃燒蠟燭檢驗(yàn)只需將玻璃尾管導(dǎo)人置有燃燒蠟燭的集氣瓶）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)3作空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，CO2可使澄清石灰水變渾濁，且不支持燃燒，可作為滅火性物質(zhì)。從實(shí)驗(yàn)1可觀察到，當(dāng)碳酸鈣固體與鹽酸反應(yīng)制得的CO2氣體直接通過Na2O2固體，發(fā)生反應(yīng)且生成支持燃燒性氣體氧氣及碳酸鹽，反應(yīng)放出大量熱量。從實(shí)驗(yàn)2觀察到，經(jīng)氯化鈣干燥的CO2氣體流經(jīng)同樣Na2O2藥品（路線1和2使用相同兩份Na2O2固體，密封干燥保存）時(shí)并未發(fā)生反應(yīng)?？梢?，干燥的CO2不與Na2O2發(fā)生反應(yīng)，含有水蒸氣的CO2與Na2O2反應(yīng)生成碳酸鹽和氧氣。因此，推理微觀過程：

第一步Na2O2與水反應(yīng)生成H2O2：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2

第二步H2O2不穩(wěn)定發(fā)生分解：2H2O2=2H2O+O2↑

第三步CO2與第一步反應(yīng)中生成的NaOH反應(yīng)：2NaOH +CO2=Na2CO3+H2O

上述各式相加得總反應(yīng)式：2Na2O2+ 2CO2=2Na2CO3+O2，反應(yīng)放熱。

三、總結(jié)分析

Na2O2是學(xué)生認(rèn)知的一部分重要內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)探究Na2O2的相關(guān)性質(zhì)及反應(yīng)本質(zhì)對(duì)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的形成有重要意義。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是數(shù)字化信息時(shí)代下科技與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的產(chǎn)物，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程全程可視，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更為科學(xué)客觀。本探究利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探究結(jié)果科學(xué)呈現(xiàn)及反應(yīng)現(xiàn)象可視，有利于根據(jù)實(shí)驗(yàn)做科學(xué)推理并設(shè)計(jì)合理的進(jìn)一步探究，知識(shí)學(xué)習(xí)從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題，從表及里，體現(xiàn)知識(shí)的衍生過程與探究過程。在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)化學(xué)思維，提升學(xué)科素養(yǎng)。從數(shù)字化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中看到Na2O2與水反應(yīng)生成氧氣并且放出大量熱，同時(shí)觀測(cè)到體系溶液出現(xiàn)先變紅后褪色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因此為變紅再褪色的實(shí)質(zhì)設(shè)計(jì)下一步探究?jī)?nèi)容，從而得到Na2O2與水反應(yīng)的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)中間產(chǎn)物過氧化氫的存在。對(duì)于Na2O2與CO2的反應(yīng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線圖，將復(fù)雜裝置程序化，實(shí)驗(yàn)藥品微量化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明了直觀的呈現(xiàn)。通過三組對(duì)照得到一定濕度的CO2與Na2O2反應(yīng)生成氧氣并且放熱，認(rèn)識(shí)反應(yīng)實(shí)質(zhì)。實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)不僅有利于對(duì)知識(shí)的掌握，更有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神及專業(yè)學(xué)科素養(yǎng)。

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