论文部分内容阅读
摘要：对实验室制取二氧化碳的药品选择多角度进行了分析，包括控制反应速度的实验装置设计，三种版本教材的对比，实验方案的优化选择。
关键词：动手实验；思维发展；研读教材；探究
文章编号：1008-0546（2014）05-0069-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.026
几年前，看到特级教师缪徐老师的一节全国赛课的录像和教案——《二氧化碳制取的研究》，依葫芦画瓢，几个细节我也一直在学着用，其中对药品和反应原理的探究，用得最是得心应手。缪老师在药品和反应原理选择采用了这样几步：①提问：在我们所学过的反应中，有哪些反应可以产生二氧化碳呢？实验室能选用这些反应来制备二氧化碳吗？②师生活动（投影），议一议，逐一否定木炭燃烧、石蜡燃烧、木炭还原氧化铜、木炭还原氧化铁等反应用于实验室制取二氧化碳的可能性。③学生分组实验，碳酸钠粉末和稀盐酸、石灰石和稀盐酸、石灰石和稀硫酸反应，通过实验现象的对比，重点关注产生气体的速度，综合分析，选择石灰石和稀盐酸进行实验室制取二氧化碳气体是比较适合的选择。
变化在于，稀盐酸和碳酸钠的反应，在质量守恒定律教学时，学生进行了分组实验，印象比较深刻。所以，每次学生回顾能产生二氧化碳的反应时，都会说出这个反应。而我采取的方法是，把这个实验重新演示一遍，并特意把碳酸钠粉末放得较少，当稀盐酸快速倒入时，产生的气体快速冲出，很快恢复平静。而我，心安理得的宣布：反应速度太快了，同学们没办法控制，实验室制取二氧化碳气体，肯定不能用这个反应。学生表示接受。但我决定来一次改变。
一、巧抓“意外”，促学生思维发展
学生实验仪器：试管、铁架台、带导管的单孔橡皮塞、集气瓶、药匙、火柴、烧杯；学生实验药品：大理石、稀盐酸（1∶2）、碳酸钠、澄清石灰水课堂上，学生像以往一样，逐一否定了木炭燃烧、石蜡燃烧、木炭还原氧化铜、木炭还原氧化铁、呼吸作用等用于实验室制取二氧化碳的可行性，唯独对碳酸钠和稀盐酸的反应，实在找不到合适的理由来否定，认为这是很好的一个选择。我决定，给学生动手实验，让学生通过实验，感受速度太快，不适合实验室制取二氧化碳。只不过，我把这个实验安排在讨论完实验装置后。
探究活动：请同学们针对这个反应，利用我们的实验仪器，自己组装一套可以制取二氧化碳的实验装置。学生经过研究、讨论，认为图1装置适合。
利用如图1的装置，讨论实验步骤：①按要求连接好实验仪器②检查装置的气密性③装入药品（先碳酸钠粉末，后稀盐酸）④收集并验满气体。
学生实验：按照步骤，制取一瓶二氧化碳气体。
意料之中的实验过程：①部分同学碳酸钠放的较少，等稀盐酸放完，还没来得及塞橡皮塞的时候，发现反应已经停止了；②部分同学碳酸钠放得比较多，等稀盐酸倒入的时候，产生的气体迅速往外冲，根本无法进行下一步实验。
意料之外的实验分析：引导学生反思，通过实验，同学们觉得这个反应能用来制取二氧化碳吗？本来，我是希望学生回答，反应速度太快了，根本不适合实验室制取二氧化碳气体。但学生的回答，主要来自两个方面：①实验前没有计算好碳酸钠的用量，根据集气瓶规格125mL，查阅二氧化碳的密度，结合实验损耗，需要的碳酸钠的用量约1g多一点，这样便于控制。②这个反应速度太快了，建议研究控制反应速度的方法，实验装置需改进。
我将计就计，随即设计一个探究活动：讨论，研究可以控制产生气体速度的实验装置。学生经过讨论，三套装置产生，分别如图2、图3、图4所示。
引导学生进一步分析图2装置，开始反应时所加盐酸的量较少，长颈漏斗下端不能液封，要想达到实验目的，还需要进一步改进，图3、图4所示装置比较适合。
目前为止，虽然未能探究出实验药品，但对实验装置的选择做了深入研究。教师演示，根据速度太快直接进行否定，改变成学生通过实验探究，设计可控的实验操作，从而达到实验目的。表面上看，与这节课的主要知识目标有偏离，但给学生提供了一次自主深入探究的机会，促进了学生的思维发展。
但一个新问题摆在我的面前，教材上为什么要说实验室用大理石（或石灰石）和稀盐酸反应制取二氧化碳气体呢？ 排除碳酸钠和稀盐酸的反应真的只是因为两者反应速度太快？
二、研读教材，反思教学过程
我对现行九年级常用的三种版本的化学教材进行了分析，并把实验室制取二氧化碳气体和实验室采用过氧化氢制取氧气进行了对比，主要内容见附表1。
从文字说明来看，三种版本教材中，对二氧化碳制取的药品选择，虽然都采用了大理石（或石灰石）与稀盐酸反应，但采用的都是“常用”或者“可以”之类的词语，没有看到唯一性的表达，从这个角度来说，并没有排除碳酸钠和稀盐酸制取二氧化碳的可行性。
从实验装置的选择来看，三种版本教材未对利用大理石和稀盐酸反应的速度控制作出明显的要求，只有鲁教版采用分液漏斗可以明显控制反应速度，获得平稳气流。
从利用过氧化氢制取氧气的反应来看，三种版本对这种反应速度比较快的反应，都采用了可以控制反应速度的发生装置，说明产生气体的速度问题，是制取气体时需要考虑的一个因素，但只要速度在可控范围内，实验还是具备可行性。在这基础上，又进行了一次对比实验（每次滴加液体的时候，控制相同的滴加速度）。详见附表2。
通过实验得出结论，利用碳酸钠和稀盐酸产生二氧化碳气体的速度，和利用6%过氧化氢制取氧气的速度相当，远低于利用15%过氧化氢制取氧气的速度，说明，不能单纯从反应速度的角度排除这个反应用作实验室制取二氧化碳的可行性。
那学生如何能理解实验室常用大理石和稀盐酸来制取二氧化碳气体呢？
三、优化方案，将探究进行到底 设问：通过刚才的实验和探究，我们已经能够控制碳酸钠和稀盐酸反应产生气体的速度。同学们想想，为什么碳酸钠粉末和稀盐酸反应产生气体速度很快呢？
探究活动：讨论，分析得出结论，与接触面积有关，若能减小固体物质的接触面积，也能降低反应速度。在教师点拨下，碳酸钠易溶于水，可以寻找难溶于水的固体物质进行对比实验，于是大理石（或石灰石）便从幕后走到台前，由学生的分组探究块状大理石和粉状大理石与相同量稀盐酸反应，通过对实验现象的观察，得出块状大理石与稀盐酸反应速度稍慢点，利用如图1的装置便可以控制，从实验操作角度看，块状大理石是个不错的选择。
那利用块状大理石制取二氧化碳气体，还有其他原因吗？
1.学生讨论分析，可能与药品价格有关。于是，利用班级的多媒体电脑，现场通过网络查询，同一网络卖家， 500g/瓶的碳酸钠（工业级，下同），价格8.5元/瓶；500g/瓶的大理石，价格8元/瓶。同时，我又下载了我校2013年化学仪器药品申报清单，500g/瓶的碳酸钠，价格7元/瓶；500g/瓶的大理石，价格5元/瓶。综上，实验室利用大理石来制取二氧化碳气体，药品成本略低。
2.学生讨论分析，可能与消耗药品的用量有关。于是，通过利用化学方程式的计算，制取相同量的二氧化碳气体，消耗的碳酸钠的质量多于碳酸钙的质量。但由于大理石中含有杂质，所以，单纯从质量角度难以比较使用碳酸钠和大理石的优劣。
3. 学生讨论分析，反应结束后，剩余的大理石还以固体物质的形式存在于容器中，只要简单的把容器中的液体药品倒出，大理石就可以继续使用，操作简单。从绿色化的角度分析，液体药品中主要含氯化钙，便于回收处理。
当然，也有资料认为，稀盐酸和碳酸钠反应，开始转化为碳酸氢钠，没有多少气泡出现，鉴于学生目前的认知水平，现阶段不进行探究。综合几种因素考虑，实验室利用大理石（或石灰石）与稀盐酸反应制取二氧化碳气体，有一定的优势，从方案的最优化角度考虑，实验室一般不用碳酸钠粉末和稀盐酸反应制取二氧化碳。同时，还要教会学生用发展的眼光看待问题，多少年前，由于碳酸钠的产量少，所以价格较贵；而大理石、石灰石相对廉价易得。选用大理石的主要原因还是沿袭了历史习惯。
教学过程中，应该尊重学生的主体地位，利用化学实验教学的优势，让学生有更多动手实验的机会，在实验过程中，与学生旧知“矛盾”的出现，能有效激发学生的探究欲望。当生成和预设不一致时，教师应该当好引导者的角色，给学生展示的舞台。事实上，整个过程的探究，也完全改变了教师的认知，充分认识到原先舍弃碳酸钠用于制取二氧化碳是因为速度太快的错误认识。在整个教学过程中，看似研究碳酸钠和稀盐酸的反应，冲淡了本节课的主题，但是，整个教学过程中，学生思维得到了发展，对实验的设计能力得到了提高。作为化学教学者，我们也应该认识到，在教会学生知识的同时，更要注重学生质疑和探究能力的培养。
参考文献
[1] 缪徐. “二氧化碳制取的研究”教学设计及点评[J]. 中学化学教学参考，2009，（3）：18～21
关键词：动手实验；思维发展；研读教材；探究
文章编号：1008-0546（2014）05-0069-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.026
几年前，看到特级教师缪徐老师的一节全国赛课的录像和教案——《二氧化碳制取的研究》，依葫芦画瓢，几个细节我也一直在学着用，其中对药品和反应原理的探究，用得最是得心应手。缪老师在药品和反应原理选择采用了这样几步：①提问：在我们所学过的反应中，有哪些反应可以产生二氧化碳呢？实验室能选用这些反应来制备二氧化碳吗？②师生活动（投影），议一议，逐一否定木炭燃烧、石蜡燃烧、木炭还原氧化铜、木炭还原氧化铁等反应用于实验室制取二氧化碳的可能性。③学生分组实验，碳酸钠粉末和稀盐酸、石灰石和稀盐酸、石灰石和稀硫酸反应，通过实验现象的对比，重点关注产生气体的速度，综合分析，选择石灰石和稀盐酸进行实验室制取二氧化碳气体是比较适合的选择。
变化在于，稀盐酸和碳酸钠的反应，在质量守恒定律教学时，学生进行了分组实验，印象比较深刻。所以，每次学生回顾能产生二氧化碳的反应时，都会说出这个反应。而我采取的方法是，把这个实验重新演示一遍，并特意把碳酸钠粉末放得较少，当稀盐酸快速倒入时，产生的气体快速冲出，很快恢复平静。而我，心安理得的宣布：反应速度太快了，同学们没办法控制，实验室制取二氧化碳气体，肯定不能用这个反应。学生表示接受。但我决定来一次改变。
一、巧抓“意外”，促学生思维发展
学生实验仪器：试管、铁架台、带导管的单孔橡皮塞、集气瓶、药匙、火柴、烧杯；学生实验药品：大理石、稀盐酸（1∶2）、碳酸钠、澄清石灰水课堂上，学生像以往一样，逐一否定了木炭燃烧、石蜡燃烧、木炭还原氧化铜、木炭还原氧化铁、呼吸作用等用于实验室制取二氧化碳的可行性，唯独对碳酸钠和稀盐酸的反应，实在找不到合适的理由来否定，认为这是很好的一个选择。我决定，给学生动手实验，让学生通过实验，感受速度太快，不适合实验室制取二氧化碳。只不过，我把这个实验安排在讨论完实验装置后。
探究活动：请同学们针对这个反应，利用我们的实验仪器，自己组装一套可以制取二氧化碳的实验装置。学生经过研究、讨论，认为图1装置适合。
利用如图1的装置，讨论实验步骤：①按要求连接好实验仪器②检查装置的气密性③装入药品（先碳酸钠粉末，后稀盐酸）④收集并验满气体。
学生实验：按照步骤，制取一瓶二氧化碳气体。
意料之中的实验过程：①部分同学碳酸钠放的较少，等稀盐酸放完，还没来得及塞橡皮塞的时候，发现反应已经停止了；②部分同学碳酸钠放得比较多，等稀盐酸倒入的时候，产生的气体迅速往外冲，根本无法进行下一步实验。
意料之外的实验分析：引导学生反思，通过实验，同学们觉得这个反应能用来制取二氧化碳吗？本来，我是希望学生回答，反应速度太快了，根本不适合实验室制取二氧化碳气体。但学生的回答，主要来自两个方面：①实验前没有计算好碳酸钠的用量，根据集气瓶规格125mL，查阅二氧化碳的密度，结合实验损耗，需要的碳酸钠的用量约1g多一点，这样便于控制。②这个反应速度太快了，建议研究控制反应速度的方法，实验装置需改进。
我将计就计，随即设计一个探究活动：讨论，研究可以控制产生气体速度的实验装置。学生经过讨论，三套装置产生，分别如图2、图3、图4所示。
引导学生进一步分析图2装置，开始反应时所加盐酸的量较少，长颈漏斗下端不能液封，要想达到实验目的，还需要进一步改进，图3、图4所示装置比较适合。
目前为止，虽然未能探究出实验药品，但对实验装置的选择做了深入研究。教师演示，根据速度太快直接进行否定，改变成学生通过实验探究，设计可控的实验操作，从而达到实验目的。表面上看，与这节课的主要知识目标有偏离，但给学生提供了一次自主深入探究的机会，促进了学生的思维发展。
但一个新问题摆在我的面前，教材上为什么要说实验室用大理石（或石灰石）和稀盐酸反应制取二氧化碳气体呢？ 排除碳酸钠和稀盐酸的反应真的只是因为两者反应速度太快？
二、研读教材，反思教学过程
我对现行九年级常用的三种版本的化学教材进行了分析，并把实验室制取二氧化碳气体和实验室采用过氧化氢制取氧气进行了对比，主要内容见附表1。
从文字说明来看，三种版本教材中，对二氧化碳制取的药品选择，虽然都采用了大理石（或石灰石）与稀盐酸反应，但采用的都是“常用”或者“可以”之类的词语，没有看到唯一性的表达，从这个角度来说，并没有排除碳酸钠和稀盐酸制取二氧化碳的可行性。
从实验装置的选择来看，三种版本教材未对利用大理石和稀盐酸反应的速度控制作出明显的要求，只有鲁教版采用分液漏斗可以明显控制反应速度，获得平稳气流。
从利用过氧化氢制取氧气的反应来看，三种版本对这种反应速度比较快的反应，都采用了可以控制反应速度的发生装置，说明产生气体的速度问题，是制取气体时需要考虑的一个因素，但只要速度在可控范围内，实验还是具备可行性。在这基础上，又进行了一次对比实验（每次滴加液体的时候，控制相同的滴加速度）。详见附表2。
通过实验得出结论，利用碳酸钠和稀盐酸产生二氧化碳气体的速度，和利用6%过氧化氢制取氧气的速度相当，远低于利用15%过氧化氢制取氧气的速度，说明，不能单纯从反应速度的角度排除这个反应用作实验室制取二氧化碳的可行性。
那学生如何能理解实验室常用大理石和稀盐酸来制取二氧化碳气体呢？
三、优化方案，将探究进行到底 设问：通过刚才的实验和探究，我们已经能够控制碳酸钠和稀盐酸反应产生气体的速度。同学们想想，为什么碳酸钠粉末和稀盐酸反应产生气体速度很快呢？
探究活动：讨论，分析得出结论，与接触面积有关，若能减小固体物质的接触面积，也能降低反应速度。在教师点拨下，碳酸钠易溶于水，可以寻找难溶于水的固体物质进行对比实验，于是大理石（或石灰石）便从幕后走到台前，由学生的分组探究块状大理石和粉状大理石与相同量稀盐酸反应，通过对实验现象的观察，得出块状大理石与稀盐酸反应速度稍慢点，利用如图1的装置便可以控制，从实验操作角度看，块状大理石是个不错的选择。
那利用块状大理石制取二氧化碳气体，还有其他原因吗？
1.学生讨论分析，可能与药品价格有关。于是，利用班级的多媒体电脑，现场通过网络查询，同一网络卖家， 500g/瓶的碳酸钠（工业级，下同），价格8.5元/瓶；500g/瓶的大理石，价格8元/瓶。同时，我又下载了我校2013年化学仪器药品申报清单，500g/瓶的碳酸钠，价格7元/瓶；500g/瓶的大理石，价格5元/瓶。综上，实验室利用大理石来制取二氧化碳气体，药品成本略低。
2.学生讨论分析，可能与消耗药品的用量有关。于是，通过利用化学方程式的计算，制取相同量的二氧化碳气体，消耗的碳酸钠的质量多于碳酸钙的质量。但由于大理石中含有杂质，所以，单纯从质量角度难以比较使用碳酸钠和大理石的优劣。
3. 学生讨论分析，反应结束后，剩余的大理石还以固体物质的形式存在于容器中，只要简单的把容器中的液体药品倒出，大理石就可以继续使用，操作简单。从绿色化的角度分析，液体药品中主要含氯化钙，便于回收处理。
当然，也有资料认为，稀盐酸和碳酸钠反应，开始转化为碳酸氢钠，没有多少气泡出现，鉴于学生目前的认知水平，现阶段不进行探究。综合几种因素考虑，实验室利用大理石（或石灰石）与稀盐酸反应制取二氧化碳气体，有一定的优势，从方案的最优化角度考虑，实验室一般不用碳酸钠粉末和稀盐酸反应制取二氧化碳。同时，还要教会学生用发展的眼光看待问题，多少年前，由于碳酸钠的产量少，所以价格较贵；而大理石、石灰石相对廉价易得。选用大理石的主要原因还是沿袭了历史习惯。
教学过程中，应该尊重学生的主体地位，利用化学实验教学的优势，让学生有更多动手实验的机会，在实验过程中，与学生旧知“矛盾”的出现，能有效激发学生的探究欲望。当生成和预设不一致时，教师应该当好引导者的角色，给学生展示的舞台。事实上，整个过程的探究，也完全改变了教师的认知，充分认识到原先舍弃碳酸钠用于制取二氧化碳是因为速度太快的错误认识。在整个教学过程中，看似研究碳酸钠和稀盐酸的反应，冲淡了本节课的主题，但是，整个教学过程中，学生思维得到了发展，对实验的设计能力得到了提高。作为化学教学者，我们也应该认识到，在教会学生知识的同时，更要注重学生质疑和探究能力的培养。
参考文献
[1] 缪徐. “二氧化碳制取的研究”教学设计及点评[J]. 中学化学教学参考，2009，（3）：18～21