垃圾的分类与回收利用之废铜转化为硫酸铜的实验探究 教学设计

垃圾的分类与回收利用——废铜转化为硫酸铜的实验探究（实验说课）马鞍山市花园初级中学顾凤翠指导教师：马鞍山市教科院周朝晖；马鞍山市雨山实验学校潘小香1.功能与价值《义务教育化学课程标准》（2022年版）中罗列了10个跨学科实践活动，铜转化为硫酸铜反应的实验设计基于《垃圾的分类与回收利用》活动这个特定大情境，同时也基于第三课时《分类后的垃圾去哪了》的第二环节废铜的华丽转身之废旧电池铜帽中铜的回收工艺流程这个小情境。铜转化为硫酸铜反应的实验在这一课时中起到至关重要的作用，由学生课前查阅资料、设计实验方案、动手实验、发现问题、解决问题、课上汇报展示交流，实验A组与实验B组同学共同讨论确定实验室模拟方案，将铜转化为硫酸铜，再讨论由硫酸铜转化为铜，实现废铜资源的华丽转身，培养学生“世界上没有真正的垃圾，只有放错了地方的资源。在化学家看来，垃圾中的原子都可以转化为有用的新物质，关键是找到合适的转化方法和条件”的化学思想，形成元素观、物质观、变化观等化学观念，发展科学思维强化创新意识，经历科学探究，养成科学态度与责任担当。2.原理与拓展学生根据课本中知识设计的方案：铜加热后生成氧化铜再与稀硫酸溶液反应的原理为：方案一：2Cu+O2△2CuO；CuO+H2SO4CuSO4+H2O根据两组同学课前查阅的资料，由废旧电池铜帽(主要含铜、锌)中铜的回收工艺流程给出的信息设计的方案：铜和过氧化氢溶液与稀硫酸溶液的反应以及铜、氧气与稀硫酸反应的原理为：方案二：Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O方案三：2Cu+O2+2H2SO4△2CuSO4+2H2O查阅资料设计方案四：Cu+2H2SO4（浓）△CuSO4+SO2↑+2H2O根据以上原理，讨论后不采用方案四，因为方案四产生二氧化硫气体，污染空气。实验A组、B组同学根据剩余原理分别确定方案先将铜转化为硫酸铜，实验中发现，氧化铜与稀硫酸溶液、铜和过氧化氢溶液与稀硫酸常温下反应都比较慢，尝试加热后反应速率明显加快。这一发现与预期现象不一致，由此引发学生的认知冲突，有效提供激起矛盾的新刺激，适时引导，有助于学生形成科学思维，让学生在解决认知矛盾过程中，更新自身的知识结构，不断提高思维水平。3.实验活动过程综述实验活动过程中发现的一系列问题，如果充分相信学生，激发他们的主观能动性，把问题交给他们来解决，为他们提供必要的引导和仪器、药品，他们一定会展现令人惊喜的一面。过程中以问题为引领，引导学生逐个解决问题。最初同学们一致选择采用来源于课本的方案一由铜加热得到的氧化铜与稀硫酸反应，发现氧化铜粉末与稀硫酸溶液常温下反应速率比较慢；黑色粉末混在溶液中影响观察溶液颜色；加热后又有红色固体剩余。问题串引导，黑色粉末混在溶液中影响观察溶液颜色，静置沉淀的确可以，但却需要时间，如何才能使黑色粉末快速沉到试管底部？试管中剩余的红色固体是什么物质？为什么会剩余红色固体？红色固体的剩余是否符合绿色化学的理念？发散学生思维解决问题。继而实验A组选择方案二，发现铜和过氧化氢溶液与稀硫酸溶液常温下反应的比较慢，尝试加热后反应速率明显加快。适时引导，怎样才能得到稀硫酸的同时又有热量？繁琐的实验步骤能否用一个装置替代，实现操作简易化、微量化、一体化？带着问题查阅大量资料后，从定性实验的角度成功完成铜转化为硫酸铜方案和装置的改进、创新及课上汇报展示。实验B组选择方案三，查阅大量资料后，小组内讨论确定改用空气氧化法由铜转化为硫酸铜，即向铜与稀硫酸混合物中通入空气并水浴加热条件下反应的原理，实验中观察到产生很浅的蓝色溶液，继续查阅资料，控制水浴温度70-80°C，运用控制变量法的思路，设计不同浓度稀硫酸（质量分数分别为5%、10%、15%、20%）的对比组实验，从定量实验的角度完成铜转化为硫酸铜的方案中适宜硫酸浓度的探究。4.实验创新实验仪器：大试管、小试管、胶头滴管、烧杯（500ml）、酒精灯、火柴、试管架、试管夹、脱脂棉、医用三通阀、医用多通阀、注射器、三脚架、石棉网、空气泵。实验试剂：铜粉、氧化铜粉(由铜粉加热制得)、不同浓度的稀硫酸（质量分数分别为5%、10%、15%、20%）、浓硫酸（1ml）、水、过氧化氢溶液。实验步骤及创新改进：(1)实验A组和B组共同完成采用方案一：2Cu+O2△2CuO；CuO+H2SO4CuSO4+H2O操作：向两支装有少量氧化铜粉末（由铜粉加热得到）试管中分别滴入2-3滴管稀硫酸溶液，振荡，观察现象。问题：常温下氧化铜与稀硫酸反应速率慢，黑色粉末混在溶液中不易观察溶液颜色。改进1：小设计，大作用。向剩余氧化铜黑色粉末的混合液中塞入一团脱脂棉，借助玻璃棒压实，10s内观察到淡蓝色溶液。(2)实验A组完成采用方案二：Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O操作：向装有少量铜粉的试管中滴入2-3滴管稀硫酸溶液和2-3滴管过氧化氢溶液，振荡，观察现象，再对试管加热，观察现象。问题：常温下反应速率慢，加热可加快反应速率。改进2：药品选择，稀硫酸与热量兼得。从稀硫酸改为用1ml浓硫酸注入到3ml水中，浓硫酸溶于水放热，得到稀硫酸的同时又有了热量，无需再加热简化实验操作。改进3：实验装置，化繁为简，定性探究。开始直接注入稀硫酸使用医用三通阀和注射器的组合，后来需要将1ml浓硫酸注入到3ml水中，多出一支注入过氧化氢溶液的注射器，所以最终改用医用多通阀和注射器的组合装置。简化实验装置，使装置设计微型化，一体化，增强实验的可视性。(3)实验B组完成采用方案三：2Cu+O2+2H2SO4△2CuSO4+2H2O操作：取适量铜粉及实验室常用的质量分数为25%的稀硫酸于试管中通入空气并加热。问题：产生非常浅的蓝色溶液。改进4：实验思路，控制变量，定量探究。将装有等质量铜粉与等体积不同浓度的稀硫酸（质量分数分别为5%、10%、15%、20%）的四支试管，放于70-80°C水浴中加热，利用空气泵不断通入空气，观察现象（大约需要15分钟）。探究空气氧化法将铜转化为硫酸铜的适宜硫酸浓度。从定量探究角度利用控制变量法设计对比实验，凸显实验真谛，将氧气换成空气更经济易得，适用于工业上大规模回收铜。以上实验步骤是以一系列的问题为引领，并以不符合预期的实验现象引发的认知冲突为刺激，激发、引导学生自主思考、查阅资料、讨论、分析寻求解决办法，最终确定实验方案、并进行实验验证。改进5：实验教学方法，引发认知冲突。善于利用观察到的现象与预期现象不一致的冲突，激起认知矛盾，产生内在认知驱动力，有助于学生自主的形成科学思维、更新完善认知结构。实验现象及解释：(1)实验A组和B组共同完成向装有少量氧化铜粉末（由铜粉加热得到）的两支试管中分别滴入2-3滴管稀硫酸溶液，振荡，观察到剩余黑色粉末混在溶液中，溶液颜色观察不清，其中一支利用玻璃棒压入脱脂棉后，立即观察到淡蓝色溶液，说明氧化铜与稀硫酸反应，只是常温下反应速率较慢。给另一支试管加热，观察到黑色固体消失，溶液变成蓝色，其中剩余红色固体。加热加快了反应速率，但剩余未被氧化的红色铜粉。(2)实验A组完成利用医用注射器和多通阀将1ml浓硫酸注入3ml水中，观察到浓硫酸溶于水放热，将热的稀硫酸注入装有铜粉的注射器中，再向其中注入5ml过氧化氢溶液，观察到红色固体逐渐消失，溶液变成蓝色，并产生气泡（如下图）。由于实验A组同学发现产生了气泡，为了验证这种气体，他们查阅资料，在课本中第二单元催化剂的介绍中找到了答案，课本中提到硫酸铜溶液也能做过氧化氢溶液分解的催化剂。A组同学们讨论、分析猜想可能是氧气，利用注射器抽取多次实验产生的气体，用带火星的木条检验，观察到木条复燃(如下图)，证实了猜想，的确产生了氧气。适时呼应本活动课的主题，在回收铜的过程中产生的氧气可以循环利用。(3)实验B组完成将装有铜粉与不同浓度稀硫酸（质量分数分别为5%、10%、15%、20%）的四支试管，放于70-80°C水浴中加热，利用空气泵不断通入空气，大约15分钟观察到10%稀硫酸试管中溶液颜色最深，5%与20%稀硫酸试管中溶液颜色最浅（如下图）。学生查阅资料解释原因，随着硫酸浓度的增加，溶液的密度增大，黏度增加，使得反应物中的铜粉不能充分地悬浮起来，减少了气、液、固之间接触几率；同时，随着硫酸浓度的增加，硫酸铜的溶解度随之降低。实验评价：（1）采取自主探究实验教学法，通过课前查阅资料、小组讨论整合、课上汇报展示交流，教师善于放手，给予学生更多的自主思考、展现才能的机会，有助于学生自主的养成科学态度，具有责任担当。(2)采取问题引领的探究式实验教学法，始终贯穿对学生学法的指导，使学生学习过程中形成化学观念，解决实际问题，经历科学探究，增强实践能力。(3)采取引发认知冲突式实验教学法，利用鲜明直观的化学现象，有效激起矛盾的新刺激，产生内在认知驱动力，有助于学生自主的形成科学思维、更新完善认知结构。(4)本实验的改进过程充分展现对学生的信任和引导，两组学生分别从定性和定量的不同角度，一组学生将原有实验化繁为简进行微型化设计，增强实验的可视性，另一组利用控制变量法设计对比实验，凸显实验真谛，两组实验相互补充形成系列化。在发现问题后自主思考、查阅资料、讨论、分析寻求解决问题方法的过程中发展学生的科学思维，提高学生的实验活动能力。改进后的实验可满足一系列教学需求，达到构建知识结构模型，提升学科核心素养目标。5.实验创新的拓展延伸改进1：拓展到粉末状药品影响观察溶液颜色的实验，如铁粉与盐酸、稀硫酸反应、活性炭吸附实验等。改进2：拓展到与稀硫酸反应需要加热的情况，如稀硫酸除铁锈。改进3：拓展到适用于简易、微量化、一体化装置的实验中，如：（1）二氧化碳溶于水、与水的反应；对比水、澄清石灰水、氢氧化钠溶液与二氧化碳反应的实验。（2）探究复分解反应发生条件的实验。（3）探究无明显现象反应专题中的实验，如中和反应、二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应等。改进4：拓展到探究不同浓度的酸与活泼金属反应速率的对比实验等。改进5：拓展到实际现象与预期现象存在不同的实验中，如：（1）实验室制取二氧化碳用澄清石灰水检验时未观察到变浑浊现象；（2）测定空气中氧气含量时观察到进入集气瓶中的水少于五分之一等。参考文献[1]曾华，陈勇.对铁与盐酸、稀硫酸反应实验的改进[J].中学化学教学参考，2016（5）：59[2]曾华，陈勇.稀硫酸与氧化铜粉末反应实验的改进[J].中学化学教学参