过氧化钠与水反应后滴加酚实验的改进

过氧化钠与水反应后滴加酚实验的改进

“钠转移反应后滴注酚水”是一种经典的高中化学实验。操作简单直观（添加酚水后立即变红，试管红消失），具有良好的视觉效果。尤其实验中的红色褪去现象的出现,让师生均对此产生探究的兴趣,对该褪色原因的阐释目前有多种观点[1~5],包括生成具有氧化性的H2O2,生成浓度较大的NaOH溶液,HO2-和自由基中间体破坏了指示剂发色基团……这些观点是在教学中一股脑地进行讲解,抑或是回避不谈?笔者认为,该实验素材在高中教学的不同阶段应该有不同的呈现方式和教学功能。1高现场教育阶段1.1程标标准描述关于“过氧化钠与水反应”的内容在课程标准中表述如表1所示。“过氧化钠与水反应”在三种版本的高中化学教材中的呈现方式不同,具体如表2所示。1.2添加酚后“红”及“五化”的认知基础缺失以使用人教版教材的学生为例,高一新授课阶段,学生在前一章(第二章)已经学习了氧化还原反应和离子反应的基本概念,但元素化合物知识才刚刚开始(位于第三章第二节,第一节是金属的化学性质,钠的氧化物是金属化合物的起始内容),学生对酚酞加入后“先变红、后褪色”的认识缺乏认知基础,如“氯水使有色布条褪色”、“SO2使品红褪色”等均在后一章(第四章)才出现,况且褪色原因的分析教师也不一定能讲清楚(红色是否褪去与过氧化钠与水的相对用量、反应温度及pH等均有关系),45分钟(甚至40分钟)的新授课的重点是对氧化钠和过氧化钠的性质的认识,如果通过实验探究或讲授很难将问题说清楚,且会冲淡了新授课的主题。1.3氧还原实验2-5还是以人教版为例,氧化钠、过氧化钠的性质共计1课时内容,本节课的教学目标不妨定位为:“用实验、比较、分类等科学方法引导学生认识氧化钠、过氧化钠的性质、用途”。目标达成过程中,Na2O的性质可以借助类比的科学方法,借助学生初中对CaO性质的了解,建立碱性氧化物的概念,顺理成章地呈现出Na2O与水、酸的反应;Na2O2与水的反应则采用学生实验(人教版教材实验3-5:把水滴入盛有少量过氧化钠的试管中,立即把带火星的木条放在试管口,检验生成的气体。用手轻轻摸一摸试管外壁,有什么感觉?然后向反应后的溶液中滴加酚酞溶液,有什么现象发生?)的方法,感受(触觉)反应的热效应、用带火星木条检验生成的气体(生成O2)、观察(视觉)滴加酚酞后的现象(碱性物质),条件允许的话可以引导学生用已学的氧化还原反应原理分析Na2O2与水及CO2的反应;最后采用对比的方法对氧化钠和过氧化钠的性质进行归纳总结。在此过程中笔者不赞成演示红色褪去的现象,尤其在新授课就引导分析试管振荡后红色褪去的原因。学生看到异常现象不讲不好,可是讲不清不如不讲,后续研究性学习等活动中讨论之更加贴切。教师在实验准备(或演示)过程中通过反应条件的控制,尽量让学生能观察到溶液变红的现象,这也是本实验安排在此的目的(直观地验证生成的2种产物)。杨承印等早在1997年就撰文提出“取黄豆粒大小Na2O2(约0.5g)于试管中,加水约1mL,剧烈反应后,用带有余烬的木条检验O2的存在。再把溶液倒入盛有100mL水的烧杯中(倒前加酚酞更佳),出现红色,此红色溶液长时间不褪色”的方案。2开设“校本怀疑实验”的校本2课新课改以来,大部分普通高中均设立了校本选修课程(我校设置了学科活动)。在类似的平台下,我们可以为均有浓厚化学学习兴趣和较好学习基础的学生开设“课本疑难实验”的校本选修课程(学科活动、研究性学习等)。实验“过氧化钠(或过氧化氢)水溶液滴加酚酞的颜色变化”可以在高二下阶段为学生开设,此时学生已经完成了2个必修模块的学习(已经具备了氯水、SO2的漂白等必要的素材积累),有机化学基础模块(人教版选修5)学习也基本完成(具备了一定的官能团意识)。2.2对实验假设的探究[活动主题]过氧化钠与水反应后滴加酚酞的颜色变化[资料获取]以“过氧化钠”、“酚酞”、“Phenolphthalein”等为关键词进行搜索引擎、维基百科(图1)、期刊文献(教师可以提前在期刊网检索相关文献)等多方面的检索。[汇报交流]学生将检索的结果制作成PPT等形式进行展示、交流(略)。[实验探究]指导学生进行完整的科学探究:(1)提出研究假设。结合已有的知识储备,借助网络、文献等资料检索及整理,提出以下可能的理论假设:1生成烧碱溶液,碱性过强导致颜色褪去;2有中间产物H2O2生成,其强氧化性导致红色褪去;3……(2)设计实验方案进行实验验证。若学生缺乏探究经历,教师可以适当引导,如验证假设1时,教师可以向事先准备好的不同浓度的烧碱(0.4%~40%)溶液中滴加酚酞,观察实验现象。也可以引导学生适当参考文献中一些已有的做法[13~17],但我们更加提倡学生自行设计的方案,哪怕这些方案不是很严密、很科学。(假设2、假设3、假设……的验证过程略。)(3)得出实验结论:小组交流(略)。最后需要提醒的是,教师在学生提出假设、设计方案及得出结论的过程中不要过多的予以“干涉”,哪怕学生的理论假设是“不切实际”的,只要他们能完整地进行实验探究,其不切实际的假设自然不攻自破,退一步讲,该实验探究的结论真的很重要吗?教师没有必要强行地灌输自以为比较成熟的理论解释,对于研究性学习活动,我们主要提供学生进行科学探究的平台,有些结论性的东西教师不一定就能说清楚,比如“排除了强碱性的影响因素后,红色褪去是因为H2O2的强氧化性还是由于HO2-离子对共轭体系的破坏?”2.3观察液与红的反应前后学生的理性分析对高一新课阶段的过氧化钠与水反应的实验进行再次的深入剖析会让学生有更高的探究热情。此时学生观察到溶液先变红后褪色不仅会有视觉冲突的惊喜,也会立即走向理性分析,较为完备的基础知识为学生较独立地完成探究过程提供了可能;同时也在活动中实现了新授课中未能及时达成的“体验科学探究的过程,学习运用以实验为基础的实证研究方法”目标。33.4级3.1物质结构与性质高三一轮复习前,学生(江苏地区)已经完成了2个必修模块和3个选修模块(“有机化学基础”、“化学反应原理”和“物质结构与性质”)的学习。此时,学生不仅具备了必要的基本概念理论(氧化还原反应、反应热、反应的速率限度、弱电解质的电离等)、较系统的元素化合物知识(SO2使品红褪色、氯气使潮湿的有色布条褪色)及有机化学基础(官能团及官能团之间的影响),随着年龄的增长,学生的理性思维能力也随之提升,对处理综合性问题有更加浓烈的兴趣和更加完备的基础。3.2拓展三维目标达成模式高三复习阶段不仅是对化学基础知识的“温故”,更需要在此基础上“知新”。知识点的回顾和知识体系的完整固然重要,但学习的主体是学生(复习亦如此),如果没有情感的调动、没有学生积极的参与,知识技能目标的达成恐怕也要打折。此时以实验“过氧化钠水溶液中滴加酚酞后的颜色变化”为主题的专题复习可以帮助实现三维目标的综合达成,较大程度地提高高三复习效率。高三复习阶段此实验素材教学的分解目标如图2。3.3研究对象片断1PPT投影图3,观察图3中酚酞在不同阶段的结构简式(也可选用图1中的结构简式或立体模型),比较分子(Ⅰ)(Ⅲ)(Ⅴ)中心碳原子的杂化方式,与其在溶液中呈现的不同颜色有联系吗?设计意图:运用选修3(“物质结构与性质”模块)的知识,比较有机物分子中碳原子的杂化方式(sp2、sp3),教师还可以在此基础上引导学生比较分子(Ⅰ)(Ⅲ)(Ⅴ)中3个(或2个)苯环的共面情况,借此顺势解释酚酞在溶液中呈紫红色的原因:分子(Ⅲ、Ⅳ)的平面结构有利于形成共轭体系;同时为后阶段分析酚酞红色褪去或恢复提供理论基础,酸碱性的改变导致图3中平衡的移动,进而理性看待宏观的颜色变化。片断2红色褪去原因的实验探究(1)已知过氧化钠与水反应有中间产物H2O2生成,H2O2是一种二元弱酸,红色褪去是由于其中和了生成的NaOH吗?试提出实验方案予以说明。(2)有实验证明向5%NaOH溶液中滴加酚酞,3min后红色褪去,试结合图3解释之并设计相关实验佐证。设计意图:(1)完善学生对实验探究模式的了解,注意实验过程中反应条件的控制(控制温度、阴离子类型等变量),类似问题还出现在“含酚酞的烧碱溶液中滴加氯水颜色褪去的原因”、“某催化剂铁的氧化物中铁元素价态探究”(2008高考广东卷21题)、“无水三草酸合铁酸钾在一定条件下加热分解所得固体产物中铁元素存在形式的探究”(2009高考广东卷21题)中……。(2)综合运用选修4“化学反应原理”中的平衡移动原理、反应的热效应等,选修5“有机化学基础”中有机物分子结构、官能团的变化等知识理性地认识指示剂颜色变化的原因。片断3(1)指明图3中分子(Ⅰ)中含氧官能团的名称。(2)尝试以邻二甲苯和苯酚为主要原料合成酚酞(已知:邻苯二甲酸酐在ZnCl2作用下与苯酚缩合成酚酞)。设计意图:(1)以酚酞在不同酸碱性环境中的中间结构为素材,巩固学生对官能团的认识(基础知识回顾);(2)在此基础上引导学生设计酚酞的合成方案,综合运用已有知识和题给信息进行有机合成的提升训练。江苏高考试题2003年就曾以酚酞合成(第2题)为素材命制了推断题,10年后(2013年)又在有机综合题(第17题)中考查了酚酞中的官能团名称,与片断3问题的设计不谋而合。附高考试题(节选):[2003年江苏卷24题]“常用指示剂酚酞的合成”[下图(a)],……E是一种常用的指示剂酚酞,结构如下图(b)。写出A、B、C、D的结构简式。[2013年江苏卷17题(节选)]化合物A(分子式为C6H6O)是一种有机化工原料,在空气中易被氧化。A的有关转化反应如图:(2)G是常用指示剂酚酞。写出G中含氧官能团的名称:__和__。教学目标的达成往往不是某单一课时能完成的,哪怕某一很小知识点的教学目标也是如此,分阶段达成目标是受学生认知基础、学习阶段、教材编写等诸多因素共同决定的。过氧化钠与水反应后的体系中滴加酚酞是一个较为复杂的反应体系,没有必要在高一新授课就让学生将之理解透彻,高一主要以此为素材帮助学生了解钠的过氧化物的主要性质,课本中设计该实验的初衷也