第十单元课题2+常见的酸和碱项目式学习-酸除铁锈实验改进说课-2023-2024学年九年级化学人教版下册

人教版初中化学第十单元课题2：项目式学习——酸除铁锈实验改进说课从初中化学教材探究实验“酸与金属氧化物的反应”的延伸出“酸除铁锈”的项目主题，学生通过观察教材原实验后发现其存在速率慢、现象不明显的问题，通过项目式探究性学习逐步完成对该实验的改进，掌握酸及金属氧化物的化学原理。实验设计通过“控制变量法”对影响化学反应速率的因素进行“对比”分析，寻找相对最优改进方案，体验应用化学学科知识解决生活中真实情景问题的思路和方法，认同并内化科学态度与责任感，实现化学核心素养的升华。使用教材选自初中化学人教版《化学（下册）》中第十单元酸和碱课题2常见的酸和碱实验器材（一）【教材原实验器材】仪器：试管、镊子、试管架药品：5%稀盐酸、5%稀硫酸，表面生锈的铁钉（二）【学生分组实验器材】仪器：试管、镊子、试管架、酒精灯、试管夹、打火机、药匙、超声波清洗器药品：5%稀盐酸、5%稀硫酸，表面生锈的铁钉、氧化铁粉末、5%双氧水、二氧化锰、小木条（三）【最终改进实验器材】仪器：试管、镊子、试管架药品：20%盐酸、表面生锈的铁钉实验创新要点/改进要点教材原实验采用稀盐酸和稀硫酸分别和生锈的铁钉反应，反应速率较慢，铁锈完全消失需要一天时间以上，不便于学生观察实验现象，得出结论。改进实验通过改变反应物盐酸的浓度，提高反应速率。由于反应物浓度增大，使得化学反应速度变快，从而将原本需要20多个小时的实验转化成3分钟就可以完成的实验。学生可以清晰地看到3分钟后“铁锈完全消失，溶液变黄”的现象，从而得出正确的实验结论。实验原理/实验设计思路实验原理金属氧化物+酸===盐+水Fe2O3+6HCl===2FeCl3+3H2OFe2O3+3H2SO4===Fe2(SO4)3+3H2O实验设计思路反应速率的决定因素：1.【内因】反应物的性质2.【外因】反应物浓度、反应物之间的接触面积、反应的温度、催化剂、气体压强、光、电磁波、超声波……根据以上影响化学反应速率的因素，结合我校化学实验室能够提供的条件，以及查阅的相关资料，将加快该反应速率的方法，及使用“控制变量法”的思路，引导学生设计5种改进实验。增大反应物之间的接触面积增大反应物浓度升高温度使用超声波加速寻找催化剂学生进行实验操作，并与教材原实验进行对比，得出正确的实验结论，并最终经过讨论和比较，得到最佳改进方案。实验教学目标根据《义务教育化学课程标准（2022版）》要求，以培养和提升学生的化学学科核心素养为核心，引导学生形成科学观念、解决实际问题；发展科学思维，强化创新意识；经历科学探究，增强实践能力；养成科学态度，具有责任担当。本实验教学目标分为以下四个方面：化学观念方面：帮助学生掌握物质的性质及用途，了解性质与用途之间的关系；认识到化学来源于生活，又应用于生活，使生活更加绚丽多彩，可以帮助实现社会资源的可持续发展。（二）科学思维方面：引导学生思考，发现问题、解决问题、总结提炼出解决问题方法，形成自己的独立思路。使学生学会用科学的方法来分析、比较、归纳出最佳的实验方法。科学探究与实践方面：通过引导学生使用“控制变量法”设计实验方案，动手实践并观察，通过“对比”分析讨论得出最优实验改进方案，提高学生解决问题的质疑、批判、和创新能力。科学态度与责任方面：帮助学生了解铁制品生锈的原理、危害，以及这样预防和处理铁锈，建立节约资源的意识！实验教学内容0教材原实验：教师演示/学生分组，观察实验现象、并仔细客观记录，分析实验原理，书写方程式，发现实验不足之处——反应速率慢、现象不明显。学生改进项目（1）：增大反应物接触面积其他条件不变，通过把生锈铁钉换成纯的铁锈粉末进行实验。观察现象，得出结论：增大反应物的接触面积，能/否加快该反应的速率。学生改进项目（2）增大反应物之间的浓度其他条件不变，通过把5%的稀盐酸/稀硫酸换成20%的盐酸/硫酸溶液。观察现象，得出结论：增大反应物之间的浓度，能/否加快该反应的速率。（四）学生改进项目（3）升高反应的温度其他条件不变，通过加热教材原实验的药品至沸腾，观察现象，得出结论：提高反应的温度，能/否加快该反应的速率。（五）学生改进项目（4）使用超声波清洗器加速其他条件不变，通过对教材原实验的药品进行超声波加速，观察现象，得出结论：加持超声波，能/否加快该反应的速率。学生改进项目（5）寻找和使用催化剂？其他条件不变，通过对教材原实验的药品加入1ml5%的双氧水，观察现象，得出结论：加入双氧水，能/否加快该反应的速率。基于化学核心素养开展项目式学习实践，为“分解”、“优化”学习过程，将初中酸除铁锈的实验改进拆分成三个学习子项目——“认识铁锈的危害”、“寻找快速除铁锈的方法”、“除锈后的清理及保养”；具体实施流程见图2图2酸除铁锈项目式学习设计及实施流程实验教学过程（一）【情景引入】通过拍摄的校园内铁生锈的图片引起学生共鸣，为体现学科融合，激发学生学习兴趣，从学生熟悉的小学课文《陶罐和铁罐》入手，请学生思考“铁罐消失”的原因，并讨论铁生锈的危害。（二）进行项目式学习子项目1：认识铁锈的危害【教师活动1】提供资料支持：铁锈处理的重要意义。通过展示醒目数据，引起学生思考“①全世界每年约有1/10的铁因为生锈被浪费掉；②我国钢铁产量虽然排名世界第一，但80%以上铁矿石依赖于进口（容易被某些国家“掐脖子”），原料成本导致制造成本逐年升高，且高炉炼铁过程二氧化碳排放量大（不利于实现我国的“碳达峰”和“碳中和”计划）③锈蚀比重大（全世界钢铁锈蚀1.8亿吨/年；我国钢铁锈蚀接近1亿吨/年）、④回收率低（只有约50%）”。【学生任务1】认识除锈的重要意义，复习铁生锈的原因，铁锈的物理及化学性质，书写酸与铁锈反应原理及化学反应方程式。【教师活动2】引导学生分析并进行小结：①“结构决定性质”——由于铁锈质地疏松，若不及时处理，则会不断吸收水分和氧气，最终导致铁制品完全锈蚀；②“性质决定用途”——由于酸能够与铁锈发生化学反应，故可用酸除去铁锈。【教师活动3】请同学们观看教师演示实验（若已演示可用视频特写镜头突出展示实验现象）【学生】观察到实验现象：短时间内铁锈表面无明显变化，只有少量气泡产生，与教材预期现象不符。【教师活动4】［讲解］自然界中的铁元素主要存在于铁矿石中，赤铁矿成分和铁锈接近，能够在自然界中存在上亿年，说明Fe2O3化学性质比Fe稳定，所以铁锈难以在短时间与稀酸反应呈现出“铁锈消失、溶液变黄”的现象，反而是Fe更活泼容易与稀酸反应而冒泡。［对比］播放48h内稀盐酸、稀硫酸与铁锈反应的全程实录（提前做加速处理）视频，说明铁锈与稀酸能够反应，但问题是反应速率太慢。（三）进行项目式学习子项目2：寻找快速除铁锈的方法【任务2】请学生思考如何利用所学的化学知识，对这种反应速率较慢的实验进行改进加速。【学生活动1】讨论并分享讨论结果。【教师活动1】倾听学生分享的思路并完善，提供资料支持：决定化学反应速率的因素：1）内因：反应物的性质；2）外因：反应物浓度、反应物之间的接触面积、反应的温度、催化剂、气体压强、光、电磁波、超声波……要求学生根据影响化学反应速率的因素，讨论并设计新的实验方案。【学生活动2】分组讨论可行的实验方案：记录关键词进行叙述或画图。【教师活动2】组织学生分享实验方案，并使用“问题教学法”提问帮助完善实验细节，提供实验需要的仪器、药品、材料支持。［学生分组实验1］增大反应物之间的接触面积：根据测定，实验使用的这一批生锈程度相当的铁钉上的铁锈刮下来平均质量约为0.2g。参照活性炭粉末具有比木炭更强吸附性的原理，即在质量相同的情况下，固体颗粒直径越小，相对而言接触面积更大，故可以采用将每只铁钉上的铁锈换成等质量的铁锈（Fe2O3）粉末与等体积、等浓度的酸反应，进行实验对比。［学生分组实验2］增大反应物浓度：可以在保持铁钉数量不变的情况下，把原教材5%的盐酸和硫酸换成10%或者20%的酸。可以由两个小组分别使用不同浓度的酸，对比哪个组反应速率更快。［学生分组实验3］升高温度：可以将教材原实验的药品进行加热至沸腾，观察实验现象。［学生分组实验4］使用超声波加速：同学从清洗眼镜的过程中获得灵感，可以在其他条件不变情况下使用超声波定时5min进行处理。［学生分组实验5］寻找催化剂：网传视频加入双氧水就能让铁锈消失的速率变快，同学们猜测双氧水可能是该反应的催化剂。因此，可以在教材原实验的基础上都加入等量、等浓度的双氧水进行实验验证。子项目学生分组探究实验，见图3.图3：学生分组实验内容设计【教师活动3】（1）安排实验任务及分工；（2）强调实验安全注意事项；（3）实验过程中巡视安全、规范学生实验操作、寻找学生的闪光点并拍照用于记录、存档、家校分享。【学生活动3】开始实验：动手进行实验操作、观察现象并记录、分享实验现象和结果。【教师活动4】将学生分享的内容汇总记录在投影表格中，并帮助学生精炼化学用语，实验结果见表1（其中实验2使用10%盐酸除铁锈实验效果不明显，下表中未列出）表1：学生实验结果汇总表【学生活动4】通过对比，可以得出以下实验结论：组内比较：在其他条件相同的情况下，盐酸与铁锈反应速率比硫酸更快（验证反应物种类不同，反应速率有差异）。组间比较：用增大浓度和超声波加速的方式都能很快提高反应速率：①增大盐酸浓度至20%完全除锈需3min；②超声波清洗完全除锈需5min（验证条件不同，化学反应速率不同）。【教师活动5】开启学生高阶思维：思考哪种改进方案更具备“操作简单、现象明显、微型化、节约化、绿色环保”等优点……【学生】辩证分析：增大浓度的方法操作更简单、所需药品更少，速度更快，且不需用电；虽然超声波清理器效果也不错，但是由于它体积较大，搬运不方便，并且需要较大量的反应物或夹持才能克服水的浮力。【教师活动6】［讲解］：查阅文献，使用18%～20%的盐酸除锈效果较好。目前，超声波清理器暂无法普及到每个分组实验，但市面上有微型、便携的清洗隐形眼镜的超声波清理器，如家庭中有这种仪器的同学可以根据说明书分析实验是否可行，验证实验效果，期待同学们的实践和分享。［提问］实验5虽短时间内无明显现象，但从24小时实录中发现加入双氧水反应速率的确有一定程度的提高，那么双氧水真的是催化剂吗？如何设计方案验证呢？【学生】回答：无法称质量、量体积，可以加MnO2，验证过氧化氢的化学性质是否改变。【教师评价】根据化学性质对物质进行检验的方法很合理，请学生向刚加入过双氧水的试管中加入等量的二氧化锰固体，然后用带火星木条验证。【学生】得出结论：无大量气泡产生，带火星木条也不复燃。说明过氧化氢既不是催化剂。【教师活动7】引导学生小结使用增大浓度来加快化学反应速率有哪些注意事项。【学生】“接龙”回答：使用酸浓度高比较危险，一定要注意安全；浓盐酸易挥发，要盖好塞子，防止酸雾扩散；酸液对环境有污染，需要处理后再排放，否则会污染环境……（四）进行项目式学习子项目3：除锈后的清理和保养1.酸性废液的处理【教师活动1】［分析废液成分］引导学生利用化学反应原理及分析各反应物的用量，确定混合物成分，以盐酸除铁锈为例：（1）Fe2O3+6HCl===2FeCl3+3H2O（2）Fe+2HCl====FeCl2+H2↑（3）盐酸过量综合以上证据分析，废液中含有生成的氯化铁（FeCl3）和氯化亚铁（FeCl2）以及剩余的盐酸（HCl），呈酸性，若直接排放或腐蚀下水管道、污染水体。［提问］思考用什么物质可以除去过量的酸，生成对环境无害的物质。【学生活动1】讨论得出：已学过大理石、生活中的苏打或小苏打都能与酸反应。【教师评价】学生能在尚未学习酸碱中和原理的条件下，想到利用已学的酸与碳酸盐反应的知识，并应用于解决真实情景问题值得肯定。该方法不仅可以实现酸性废液的处理，还是一种可视化实验思路，当观察到不再有气泡冒出时，酸就被完全处理了。【学生活动2】实验操作：将各组废液缸中的酸液进行处理。2.铁钉的处理：【教师活动1】［分析铁钉表面残留物的影响］课件展示，见图4图4：铁的吸氧腐蚀和电化学腐蚀情况[小结]（1）除锈中注意事项：若长期泡在酸性溶液中，反而会加速铁的锈蚀。因此，除锈完成后，要及时取出并清洗。（2）除锈后注意事项：铁钉表面还沾附有残留的氯化铁（FeCl3）、氯化亚铁（FeCl2）、过量的盐酸（HCl）、铁合金中未参加反应残留的少量固体炭（C）……传统的的清理方式是使用蒸馏水直接冲洗并擦干。［提问］蒸馏水冲洗是否是最佳清理铁钉的方案？【学生活动1】［辩证讨论］：直接冲洗，虽简单快捷，但“治标不治本”，仍会导致酸液流入下水道；且蒸馏水价格较贵，使用成本较高。［得出结论］铁钉可以先放入苏打或小苏打水中处理表面的酸残留再冲洗擦干；也可以先用清水冲洗后擦干，再将冲洗产生的废液倒入废液缸中一起用苏打或小苏打处理。【教师活动2】拓展视野：家庭中的铁制品生锈了怎么除锈？［投影］播放抖音视频《十一种除锈产品除锈效果测试》，观看使用专业除锈剂、洁厕灵等的除锈效果。【学生活动2】谈观后感：当我们需要除锈的时候，即使买不到盐酸，也可以用一些生活中的物质如洁厕灵中的草酸或者盐酸、果酸或者发酵产生的醋酸进行除锈。网传百事可乐能除锈，但是实际除锈效果并不好。3.除锈后的保养【教师活动3】引导总结：除锈后的铁制品应该如何长期保存并延长使用寿命？【学生活动3】讨论并总结梳理笔记，建构知识体系：（1）及时取出并清洗掉表面残留的酸（2）保持干燥（3）保护膜：刷漆、镀铬、烤蓝、涂油、喷砂……【教师活动4】总结：从生活中的问题出发，同学们在项目式学习活动中一路通关，不仅深入学习了酸与金属氧化物的反应原理，又学以致用，学会了怎样除铁锈，保护来之不易的铁资源。愿同学们能用自己的所学和实际行动早日把我国建设成成为富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。（五）［布置作业］“三选一”开放式假期作业，可合作、分享到班级的化学学习兴趣群：1.家庭实验：寻找生锈的铁制品，尽可能在安全的前提下低成本除锈，拍摄视频并分享。2.参观废品回收站，调研各类可回收物价格与每月大致回收数量/比例，写一篇关于本地金属资源回收现状的小论文。3.参观钢铁回收厂，观察工厂设备和原理中涉及化学学科知识的部分，制作课件或微课视频分享现代工厂如何集约化、高效化地“变废为宝”，提高生产效率，创造经济价值。八、实验效果评价1.实验改进效果评价通过在项目式学习活动中完成“