浅谈实验探究在化学教学中的意义

摘

要：化学是一门实验性质很强的学科，在化学知识中，关于钠与硫酸铜溶液反应，为何没置换出红色的铜的问题，根据金属活动性顺序可知，Cu2+的氧化性强于H+，钠却与硫酸铜溶液中的水先反应，文章就这一问题进行了实验探究，并对实验现象做了深入的分析，形成了教学案例，阐述了在高中化学教学中，引导学生参与实验，进行实验探究的重要性，以期为其他教育工作者提供一定的教学参考。关键词：化学教学;置换反应;实验探究一、关于钠的实验问题的引入钠的有关知识，是高中必学的知识点，在讲解钠的化学性质时，钠与盐溶液的反应实验是证明钠化学性质非常活泼的重要试验，教师通常用钠与硫酸铜溶液反应来讲解。实验时教师一般取黄豆大小的钠扔到盛有硫酸铜溶液的烧杯里，看到的现象是“浮、熔、游、响、蓝色沉淀”，未见到有红色物质出现，很多学生的疑惑油然而生，而教师一般解释是：钠的化学性质非常活泼，先与水反应，生成的氢氧化钠再与硫酸铜反应生成蓝色沉淀。实际上，这个解释很难消除学生的疑惑，众所周知，铜离子的氧化性比氢离子强，这是不争的事实，钠再活泼，也应该先与铜离子反应，置换出铜单质。此时教师不得不做出更深层次的解释。那深层次的解释又是什么呢？又如何用钠置换出CuSO4中的铜呢？这就要求教师要带领学生进行实验探究，以厘清学生的疑思。二、教学实验探究文章就钠与硫酸铜溶液的反应，专门进行了探究和分析。实验案例如下：实验前，教师首先让学生分析钠的化学性质，其活泼性比铜强，根据前置后，强制弱的原则，将钠投入到硫酸铜溶液中，能看到溶液颜色变浅，钠消失，并且有红色物质出现。4个小组的学生将黄豆大小的钠投入到硫酸铜溶液中，同时观察现象，学生得出的结论均是：钠消失，有气泡，同时有蓝色沉淀产生，但无红色物质出现。4个小组的成员都陷入了沉思，为什么没有看见红色物质呢？而后，学生开始讨论，教师引导学生就此问题进行探究，组织学生小组合作分工，分别开展查阅资料和实验准备工作，以继续进行实验。实验过程如下：（一）提出问题问题1：钠为何在硫酸铜溶液里没置换出铜？问题2：钠能否置换出硫酸铜中的铜？（二）猜想猜想1：钠的化学性质非常活泼，放在硫酸铜溶液中先与水接触，发生反应：由于钠的密度比水小，浮于水面，与铜离子接触面小，故难置换出铜。猜想2：由于硫酸铜溶液中，铜离子与水分子形成配合离子——四水合铜离子，Cu2+被包裹，即铜离子难与金属钠“见面”，故难以反应。猜想3：硫酸铜溶液中，铜离子浓度太小，几乎被水隔开。猜想4：一定条件下，钠能置换出硫酸铜中的铜。（三）查阅资料1.四水合铜离子在水溶液中存在平衡。[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O2.五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）的结构如图1所示：3.硫酸铜晶体分解温度：45℃：CuSO4·5H2O=CuSO4·3H2O+2H2O110℃以上：CuSO4·3H2O=CuSO4·2H2O+2H2O258℃以上：CuSO4·2H2O=CuSO4+H2O650℃：CuSO4=2CuO+SO3（四）实验验证实验1：实验时取一小块镁条，用砂纸打磨掉表面的氧化膜，然后放进盛有硫酸铜溶液的试管里。现象：有大量气泡产生，在镁条表面聚集有红色物质出现。实验2：将硫酸铜配成热饱和溶液，直至冷却后，有大量硫酸铜晶体析出来，细心的学生将钠块包裹在石蜡里，然后用小针刺一些小孔，用小木棍将其浸泡在热的饱和硫酸铜溶液里。现象：偶有气泡产生，并有白色悬浮物产生（是钠受热融化后的凝固物）。将反应后的溶液用水稀释，观察烧杯底部有黑色物质，向其中加入足量盐酸，充分震荡，黑色物质完全消失，溶液变澄清透明绿色溶液，说明无铜单质产生。实验3：取两药匙硫酸铜晶体于试管中，然后用镊子取黄豆大小的钠块放进硫酸铜晶体中，固定在铁架台上加热。现象：试管壁有水珠产生，试管底部部分硫酸铜晶体由蓝色变为白色，一段时间后，钠块窜出晶体，产生火花，蓝色晶体表面有红色物质出现，还有黑色物质出现。将反应后的红色固体物质和黑色物质与未反应的硫酸铜晶体分离开，放在白色滤纸上，所产生的红色铜一目了然。（五）实验现象的分析1.通过以上实验可知，不管是镁还是钠与硫酸铜溶液反应，都有黑色物质产生，将这些黑色物质加水溶解，固体难溶于水，再滴加一定浓度的盐酸，黑色物质溶解，说明产生的黑色物质全是氧化铜。2.对实验1、2分析，镁与硫酸铜溶液反应产生大量的红色物质铜，而将钠放到硫酸铜溶液中浸泡，仍然没有铜产生，说明钠没能大量置换出铜。3.实验3，硫酸铜晶体中，虽然铜离子的存在形式仍然是四水合铜离子，但由于“水分少”，通过查阅资料，四水合铜离子不稳定，根据平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O加热过程中水不断减少，平衡向右移动，钠与铜离子发生置换反应。对以上实验的解释，根据配合物理论有关知识，四水合铜离子在水溶液中存在以下平衡：[Cu（H2O）4]2+?Cu2++4H2O，Cu2+的浓度很小，与钠接触的面积远没有钠与水接触的面积大，所以钠很难有机会置换出铜，而镁不同，活泼性比钠小，与水反应弱得多（虽然加热仍然要与水反应）。虽然溶液中铜离子浓度很少，CuSO4在溶液中水解显酸性，故将镁放入硫酸铜溶液中，刚开始有大量的气泡产生，随之有大量的铜在镁片上聚集。本研究认为，镁与铜反应，产生的铜与镁形成原电池，堆积在镁片上。而钠与水反应剧烈，且不断熔化减小，难以像镁那样有足够的条件置换出铜。（六）学生总结与反思实验2不能充分说明钠未与硫酸铜溶液反应，生成的黑色物质，是否是钠置换出的铜与氧气反应生成了CuO所致？根据有关资料可知，是硫酸铜水解生成的氢氧化铜受热分解所致。实验3中钠与CuSO4·5H2O反应，虽然有红色物质出现，但是试管破裂，在实际操作中存在安全隐患，有没有安全的实验设计？要证明钠只与水发生了反应，最好是进行定量分析，即取一定质量的钠与硫酸铜溶液反应，通过测量所收集气体体积确定钠的实际反应情况，这样得出的结论才严谨科学。对于试管中加热钠与CuSO4·5H2O晶体的混合物，可以在坩埚里进行，这样可以避免因试管炸裂而带来的不安全的因素。根据以上分析，可以得出以下结论：1.钠与硫酸铜溶液反应，由于溶液中铜离子的存在形式而浓度较小，钠与大量的水发生剧烈的反应，体积不断变小，难以得到铜物质。2.钠与硫酸铜晶体粉末混合加热，能置换出铜。三、实验探究在化学课堂教学中的重要意义（一）挖掘学生设计潜能，促进学生深度思考本研究通过引导学生探究钠与硫酸铜溶液能否发生置换反应的实验探究，充分调动了学生主观能动性，培养了学生的团队合作意识，提高了学生实验操作动手能力，有利于培养学生化学学科核心素养。学生完成实验后激动不已，尤其是根据自己的设计置换出了铜的那一刻，自豪感油然而生，这不仅提升了学生对知识的掌握程度，也锻炼了学生的实验探究能力。在实验中，学生为了能够使钠沉到溶液底部，能够想到将蜡烛用烧热的铁丝将蜡烛中心掏空，然后将黄豆大小的钠放进去，再用融化的蜡烛将其封住，并插上木棍，用热铁丝在其四周刺上小孔，然后放到溶液中，设计巧妙，大胆创新，这是十分值得教师表扬的地方，体现了学生的深度思考与动手能力。为了对比实验，学生选择镁条而没选择铁，是因为铝、铁与水不反应，镁与钠化学性质较近（打磨过的镁虽与水反应缓慢），再将硫酸铜晶体与钠混合加热，置换出了“期待中的铜”，学生的付出得到了回报。整个实验过程，充分挖掘了学生的设计潛能，打开了学生的思考，也促使学生进入化学知识的深度思考中。在当前教育部要求“双减”的背景下，高中化学教师应大胆放手，让学生参与到教学中，深入思考，积极探索，充分发挥主观能动性，从而让学生体会到探究的乐趣，提升对化学学科的兴趣。（二）及时更新教学观念，紧跟化学大概念课堂教学模式随着教育改革不断深入，2020年，教育部印发了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版2020年修订）》。2022年4月《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》也颁布实施，引领着我国教育改革正进入新的阶段。其中明确指出：“国家课程标准规定课程性质、课程理念、课程目标、学业质量和课程实施等，是教材编写、教学、考试评价以及课程实施管理的直接依据。”同时，还指出：“推进综合学习，整体理解与把握学习目标，注重知识学习与价值教育有机融合，发挥每一个教学活动多方面的育人价值。”本研究探究钠与硫酸铜发生置换反应的实验案例，是一次化学大概念课堂教学模式的重要实践。如何提出问题？如何实施才能达成目标？学生在教师的引导下一步一步去思考，通过分工合作，默契配合，最后出色地完成了任务，达到了预期效果。钠及钠的化学性质这一主题可以分解成几个小目标，其中之一就是如何通过实验验证钠的化学性质。再由学生通过设计钠与硫酸铜反应的实验，既证明了钠化学性质的正常性，也证明了其特别（不能在正常情况下置换出红色铜）之处，目的明确，方向性很强。教师再引导学生进行评价反思，如在设计上还有哪些不足？通过该探究是否达成了既定目标？如何将这次的一系列探究运用到以后的学习中，让自己积极主动地参与到知识的学习和探究中？诸如此类的问题值得师生深入思考，也是所有高中化学教师需要不断探索的地方，在以后的教学中不断优化教学设计，不断更新教学理念。让学生真正融入化学实验中，以达成对化学知识的扎实掌握和实验探究能力的提升，这是化学学科育人的有效体现，也是教师有效更新教学理念的表现，改变了过去满堂灌的教学方式，紧跟化学大概念课堂教学模式，让学生在动态探究中得到了知识的输入。（三）以实验为依托，培养学生辩证唯物主义观通过本次实验，有效培养了学生的辩证唯物主义观，学习到了如何实事求是、一分为二地看待问题。学生通过实验发现，虽然钠是一种活泼性强的金属，能与非金属、水反应，但不能与盐溶液反应直接置换出金属，即活泼金属不一定能置换出活泼性较弱的金属，这与所处环境有关。以此类推，凡是活泼性比钠强的金属，都很难直接置换出盐溶液中的金属，在金属活动性表里，前面的金属能从盐溶液里置换出后面的金属，但不包括K、Ca、Na。在高中教学中，同样可以推出Rb、Cs、Ba等，本质原因就是这些元素与水的反应非常剧烈。通过实验，这些金属与硫酸铜混合加热，仍然能置换出红色