楊香菊 朱成東
摘 要:“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”是新課標中明確規(guī)定的學生必做實驗之一。本研究將教材中配制“100mL1.00mol/LNaCl溶液”改為“100mL 0.10mol/LCuSO4溶液”,利用分光光度計,進行誤差判斷,體現(xiàn)容量瓶儀器的價值。整個探究的過程,凸顯嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與探索未知、崇尚真理的意識。
關(guān)鍵詞:溶液配制 精度 分光光度計 科學態(tài)度
引言
《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》針對高中生應(yīng)該具備的化學學科核心素養(yǎng)提出了明確的要求,為實現(xiàn)學生關(guān)鍵能力的培養(yǎng),教師可以借助數(shù)字化實驗儀器,引導(dǎo)學生基于真實情境發(fā)現(xiàn)、探究并解決問題,實現(xiàn)化學學科的育人價值與社會價值[1]。
一、“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗的實踐探析
修訂后的2019版新教材沿用了2007版舊教材中配制“100mL1.00mol/LNaCl溶液”的實驗[2],究其原因,采用NaCl的合理性明顯:學生熟悉、價廉易得,溶解過程中沒有明顯的吸放熱效應(yīng),實驗時間易控,可減少因儀器形變帶來的實驗誤差。同時,教材介紹了“梨形身材”的容量瓶,強調(diào)其精確及用法??此坪唵蔚膶嶒?,如何改變注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀,引發(fā)高級思維是值得教師思考的重要環(huán)節(jié)。
(一)問題的提出:容量瓶的使用是否提高了溶液濃度的精度?
在真實的教學過程中,引導(dǎo)學生將100mL燒杯與100mL容量瓶中的H2O進行互倒,以此判斷兩種儀器的精確度,并進行比較,嘗試證明。
然后,引導(dǎo)學生思考,如何測定已配制的1.00mol/LNaCl溶液的實際濃度?然后根據(jù)學生的基礎(chǔ)與氯化鈉溶液的特征,最終選擇Vernier電導(dǎo)率傳感器進行探究。
1. 探究NaCl溶液的濃度與電導(dǎo)率之間的關(guān)系
圍繞生理鹽水的濃度進行設(shè)計,分別用100mL燒杯與100mL容量瓶作為容器,平行配制了三組4種濃度的NaCl溶液,測得“濃度—電導(dǎo)率(平均值)”關(guān)系如表1和圖1。圖1中,①線使用燒杯作為容器;②線使用容量瓶作為容器。
通過圖表可以看出:
(1)在一定范圍內(nèi),NaCl溶液濃度與電導(dǎo)率之間呈線性關(guān)系。
(2)圖1清晰地表明,②線相比①線數(shù)據(jù)的離散度更小。即同樣使用普通電子天平稱量時,選用100mL容量瓶要比100mL燒杯配制的溶液濃度更精確。
2. 本實驗在課堂教學中的可操作性分析
通過單位換算,可以發(fā)現(xiàn)此電導(dǎo)率傳感器可測量的NaCl溶液濃度上限大約為0.17mol/L,可見1.00mol/LNaCl溶液無法進行測量。若降低NaCl溶液至量程范圍內(nèi),又存在理論計算值與實際稱量值之間的誤差,這將導(dǎo)致導(dǎo)致精確儀器容量瓶的引入失去意義。經(jīng)過嘗試以后,決定采用其他物質(zhì)替代NaCl進行實驗改進。
(二)利用膽礬來進行溶液配制的實驗改進
1. 配制CuSO4溶液濃度的范圍分析
膽礬(CuSO4?5H2O)Mr值為250,為減少藥品浪費,縮短溶解時間,經(jīng)過多次實踐,本實驗最終以配制100mL0.10mol/L CuSO4溶液為例進行實驗探究。
2. 0.10mol/L CuSO4溶液濃度的表征方法
基于CuSO4溶液的顏色特征,本研究選用Vernier GD無線分光光度計,利用吸光度與濃度之間的正比關(guān)系進行測定。
首先配制5中不同濃度的CuSO4溶液,分別測定后得到“濃度—吸光值”關(guān)系如表2和圖2。分別使用100mL燒杯與100mL容量瓶配置0.1mol/L CuSO4溶液,進行吸光值測定,并在圖像上直接讀出實際濃度數(shù)值(見圖2最右邊兩個數(shù)據(jù))。
3. 探究本實驗對課堂教學的啟示
(1)通過實驗發(fā)現(xiàn)低濃度的CuSO4溶液在配制過程中沒有明顯的水解現(xiàn)象,始終澄清透明、顏色鮮亮,比無色的氯化鈉溶液更具視覺優(yōu)勢。
(2)本實驗以朗伯比爾定律為理論基礎(chǔ),原理簡單,操作方便。可直接應(yīng)用于實際課堂教學中。
(3)通過擬合的標準曲線,可測定并直接讀出學生配制的CuSO4溶液濃度數(shù)值,由理論濃度與實際濃度之間的差值為出發(fā)點,便可引入誤差分析的教學,過渡自然,條理清晰。不僅鍛煉了學生的動手操作能力,更引發(fā)了學生的高級思維過程。
二、探究實驗改進過程中的收獲
為實現(xiàn)“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”實驗探析客觀全面,本研究結(jié)合四個常見版本教材進行了綜合對比。蘇教版配制“100mL0.100mol/LNa2CO3溶液”[3],魯科版配制“0.1L的NaCl溶液,其中溶質(zhì)的物質(zhì)的量為0.04mol”[4],滬科版配制“250mL0.100mol/L Na2CO3溶液”[5]。四版教材使用的溶質(zhì)并不完全相同,濃度的精確度表達也不盡相同。蘇教版與滬科版將濃度精確到0.001mol/L,與容量瓶為“一種精密度較高的玻璃儀器”[5]呈現(xiàn)出對應(yīng)關(guān)系。同時,各版教材關(guān)于如何“準確”配制均作了適當?shù)囊龑?dǎo)和說明。魯科版以思考題形式提問“為了準確配制此溶液,在實驗操作方面應(yīng)注意哪些問題”[4];蘇教版和人教版直接說明“為保證實驗精度,在稱量固體時,應(yīng)使用分析天平或電子天平稱量”;不同之處在于,蘇教版在配制溶液之后緊接著引入了簡單的酸堿中和滴定的計算,顯然在于引導(dǎo)學生思考如何確定所配溶液的濃度精度問題。
通過對比,發(fā)現(xiàn)各版教材在設(shè)計溶液配制的實驗時,基礎(chǔ)目的均在于實驗步驟的掌握,其次是誤差來源和大小的分析。若沒有適當銜接,就會使得誤差分析顯得突兀,因此,本研究通過數(shù)字化儀器,向?qū)W生直觀展示理論濃度與實際濃度之間的明顯差別,再過渡為誤差分析就顯得有理有據(jù)。
三、結(jié)語
化學學科核心素養(yǎng)的培育對教師的工作提出了更高的要求,并不斷推動教師專業(yè)化成長,同時也在引領(lǐng)教師培育更多具有實踐能力、探究能力及創(chuàng)新能力的人才,并在此過程展現(xiàn)化學的社會功能與價值。
參考文獻:
[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準(2017版)[S].北京:人民教育出版社,2018.
[2]王晶,鄭長龍.普通高中化學教科書必修第一冊[M].北京:人民教育出版社,2019:54-55.
[3]王祖浩.普通高中化學教科書必修第一冊[M].江蘇:江蘇鳳凰教育出版社,2020:39-40.
[4]王磊.普通高中化學教科書必修第一冊[M].山東:山東科學技術(shù)出版社,2020:25-26.
[5]姚子鵬.高級中學課本高中一年級第二學期(試用本)[M].上海:上??茖W技術(shù)出版社,2007:12-13.
安徽省級課題“促進學生深度學習的《物質(zhì)的量》單元活動設(shè)計與實施研究”(HX202029)