王建坤,馬懷蕊,楊春香,楊艷華**,王寶玲,李艷妮,黃素芳,王穎臻
(1.昆明學院 化學化工學院,云南 昆明 650214;2.迪慶藏族自治州民族中學,云南 迪慶 674400)
“中學化學教材分析與教學設計”是面向化學專業(yè)教師教育方向學生開設的一門教師教育發(fā)展方向課,是一門研究中學化學教材知識內容、結構體系、知識間相互聯(lián)系,以及教材與教學關系的一門理論與實踐緊密聯(lián)系的課程。其對培養(yǎng)師范生具備較強的化學教學能力、化學實驗教學能力、化學教學研究和綜合實踐能力有明顯提升作用。其中,實驗探究是一種科學實踐活動,是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)中“科學探究與創(chuàng)新意識”的構成要素[1]。
在課程教學中發(fā)現(xiàn),CO2性質和制備實驗貫穿于整個義務教育和高中一年級階段,在實驗探究教學中,教學人員都是基于CO2在生活中的實際應用進行實驗設計的。例如:探究啤酒、可樂和雪碧等飲品中CO2的含量測定[2-5]。實驗過程主要為:第一步,用草酸溶液或鄰苯二甲酸氫鉀溶液對配制的NaOH溶液進行標定;第二步,使用標定的NaOH溶液標定HCl溶液;第三步,取出一定量的啤酒、可樂或雪碧,與過量的NaOH溶液反應,全部生成Na2CO3;第四步,用標定的HCl溶液標定Na2CO3溶液,生成NaHCO3;第五步,繼續(xù)用HCl標定溶液標定NaHCO3溶液。除第三步不使用酸堿指示劑外,第一、二、四步均使用酚酞作指示劑,第五步使用甲基橙作指示劑,根據第四、五步指示劑顏色變化時使用的已標定HCl溶液的體積,計算出啤酒、可樂和雪碧中CO2的含量。
這樣的探究實驗,不僅是重視開展“素養(yǎng)為本”的教學體現(xiàn),同時也利于培養(yǎng)學生合作意識,達到樹立研究性學習習慣的目的。但是,以上探究實驗存在耗時較長、標定溶液實驗操作重復、酸堿指示劑都需要使用,并且以小組形式完成實驗不能有效提升學生獨立操作能力,在中學教學中實際可行性不強等問題。因此,我們以高中必修第一冊中NaHCO3的性質為基礎,測定市售蘇打水中NaHCO3的含量,開展探究式教學。雖然已有教學人員利用蘇打水中的NaHCO3開展探究式教學的報道,但其工作僅定性驗證了NaHCO3的存在,沒有進行較為完整的定量實驗探究[6]。因此,我們以一款市售蘇打水為例,測定其NaHCO3的含量,將研究性學習和探究式教學相結合,更好地培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的學科核心素養(yǎng)。
實驗基本原理及步驟為:首先,用Na2CO3溶液標定HCl溶液;然后,用標定的HCl溶液標定蘇打水。兩個標定實驗都使用甲基橙作指示劑,根據甲基橙顏色變化時使用的已標定的HCl溶液體積,計算蘇打水中NaHCO3的含量。這樣開展實驗教學,一方面培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力,另一方面也使探究實驗內容更加貼近于中學化學實際教學。
HCl與NaHCO3發(fā)生復分解反應,以甲基橙做指示劑,用HCl標準溶液滴定蘇打水,從而測定蘇打水中碳酸氫鈉的含量。反應方程式如下:
測定的蘇打水中NaHCO3的含量計算:
式中:CNaHCO3為待標定蘇打水中NaHCO3的濃度;CHCl為HCl標準溶液的濃度;ΔVHCl為滴定后滴定管讀數(shù)-滴定前滴定管讀數(shù),即滴定單位體積的蘇打水時,所消耗HCl標準溶液的體積;V測定的蘇打水為標定時,所取蘇打水的單位體積。
市售 400 mL 蘇打水中NaHCO3的質量計算:
mNaHCO3=cNaHCO3×MNaHCO3×0.4
式中:mNaHCO3為400 mL 該蘇打水中NaHCO3的質量;cNaHCO3為該蘇打水中NaHCO3的物質的量濃度;MNaHCO3為NaHCO3的相對分子質量;0.4為換算系數(shù),因所測蘇打水體積為 0.4 L。
其中,HCl標準溶液的濃度由Na2CO3溶液標定得出,反應方程式為:
標定的HCl標準溶液的濃度為:
式中,CHCl為待標定的HCl標準溶液濃度;2為根據反應方程式,從Na2CO3到HCl的換算系數(shù);CNa2CO3為標定HCl標準溶液時,所取用的Na2CO3溶液的濃度;VNa2CO3為標定HCl標準溶液時,所取用的單位Na2CO3溶液體積;V消耗的HCl為滴定單位體積的Na2CO3溶液時,所消耗的HCl標準溶液的體積。
1)科學探究與創(chuàng)新意識:練習多種中學化學常見實驗儀器的使用,掌握酸堿滴定分析方法和相關實驗現(xiàn)象,學會運用身邊物質進行科學探索,體會化學研究過程中的科學方法,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。
2)變化觀念與平衡思想:根據滴定過程中指示劑顏色變化判斷反應的情況,掌握反應的實質,培養(yǎng)學生數(shù)據處理能力。
3)科學精神與社會責任:通過對蘇打水中NaHCO3含量測定的實驗探究和學習,掌握高效的學習方法,建立高效學習的科學精神,培養(yǎng)學以致用的學科意識。
托盤天平(含砝碼)、移液管、酸式滴定管、堿式滴定管、燒杯、量筒、玻璃棒、膠頭滴管、容量瓶、錐形瓶、藥匙、酒精燈、石棉網、鐵架臺(含蝴蝶夾)。
Na2CO3和濃鹽酸等均為分析純,400 mL 昆明宏達蘇打水飲品,購于昆明學院后勤超市。蒸餾水為實驗室制取,甲基橙指示劑為實驗室配制。
3.2.1 0.1000 mol/L Na2CO3溶液
稱取 5.3 g Na2CO3于 50 mL 燒杯中,加入蒸餾水溶解,用 500 mL 容量瓶定容。
3.2.2 HCl溶液
量取 4.2 mL 濃鹽酸(質量分數(shù)為36%~38%)于 50 mL 燒杯中,加入蒸餾水稀釋,用 500 mL 容量瓶定容。
3.3.1 HCl溶液的標定
用移液管移取 10.00 mL Na2CO3溶液于錐形瓶中,加入1~2滴甲基橙指示劑,用配制的HCl溶液進行滴定。當指示劑由黃色變?yōu)槌壬珪r,酒精燈加熱錐形瓶 2 min,冷卻至室溫后,繼續(xù)滴定至指示劑為橙色,即為終點,平行測定3次,實驗數(shù)據如表1所示。
表1 標定HCl標準溶液的實驗數(shù)據
3.3.2 蘇打水中NaHCO3含量的測定
用堿式滴定管取 20.00 mL 瓶裝蘇打水于 250 mL 錐形瓶中,加入1~2滴甲基橙指示劑,用酸式滴定管中標定的HCl溶液進行滴定。當指示劑由黃色變?yōu)槌壬珪r,酒精燈加熱錐形瓶 2 min,冷卻至室溫后,繼續(xù)滴定至指示劑為橙色,即為終點,平行測定3次,實驗數(shù)據如表2所示。
表2 蘇打水中NaHCO3濃度的實驗數(shù)據
通過公式計算出蘇打水中NaHCO3的濃度為1.90×10-3mol/L,400 mL 市售蘇打水中含有約 63.85 mg NaHCO3,即 15.96 mg/100 mL。
計算出cHCl=0.1186 mol/L,此實驗可由實驗準備人員先期完成。
計算出使用HCl溶液的體積 ΔVHCl=0.32 mL。
整個實驗流程如圖1所示。
圖1 蘇打水中NaHCO3濃度滴定流程圖
昆明宏達蘇打水飲品沒有標明NaHCO3的含量,相比較于已標明NaHCO3質量濃度的娃哈哈蘇打水 35 mg/100 mL、農夫山泉蘇打水天然水飲品白桃風味 20 mg/100 mL,實驗測定值偏小,而比農夫山泉蘇打水天然水飲品檸檬風味 10 mg/100 mL,實驗測定值偏大。主要原因分析如下:首先,NaHCO3濃度的標定沒有按照國家標準中的溴甲酚綠-甲基紅指示液(pH變色范圍為5.0~5.2)[7],而是使用甲基橙作指示劑(pH變色范圍為3.1~4.4),因為中學化學要求學生掌握的指示劑只有酚酞(堿滴定酸)、甲基橙(酸滴定堿)和石蕊3種,甲基橙比溴甲酚綠-甲基紅的酸性強,標定的鹽酸溶液濃度偏低。其次,實驗過程中使用的儀器都為中學化學常用儀器,比如托盤天平(含砝碼)精確度偏低、滴定管讀數(shù)不精確等,影響了物質的標定。最后,雖然昆明宏達蘇打水飲品營養(yǎng)成分標明了Na 5 mg/100 mL,但是鈉元素含量并不能代表NaHCO3含量。因此,實驗測試結果雖然有差距,但在培養(yǎng)學生實驗操作能力和創(chuàng)新精神方面,依然有重要的教學意義。
本實驗耗時較短、取材源于生活,可激發(fā)學生學習興趣、做到學以致用,不僅便于將研究性學習與探究教學應用于中學化學教學,而且也為師范生和中學教學研究人員提供了教學素材。