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高二化学教案:《碳酸钠和碳酸氢钠溶解性差异》教学设计

来源:学科网 2018-11-18 16:44:02

  一、使用教材

  苏教版《化学1》专题2第2单元第二节《碳酸钠的性质与应用》

  二、实验器材

  仪器:离心机、离心试管、锥形瓶、滴定管、滴定管夹、托盘天平、药匙、量筒、胶头滴管

  试剂:固体碳酸钠、固体碳酸氢钠、蒸馏水

  三、实验创新要点/改进要点

  (1)实验内容上的创新:增加碳酸钠和碳酸氢钠溶解性差异的实验探究。苏教版的教材上无溶解性差异的实验探究,只在书本P52出现的表格中有水溶性的比较,显示两者都易溶,相同温度下,Na2CO3的溶解度大于NaHCO3。

  (2)实验方法上的创新:溶解性差异的比较有两种思路,其一是在等量的溶剂中能溶解溶质的质量,其二是等质量的溶质完全溶解所需要溶剂的体积,从不同角度作比较,从定性到半定量的探究。

  四、实验原理

  等质量(2.0g)的碳酸钠和碳酸氢钠,加入(4mL)水,溶解、振荡、沉降,比较剩余固体量的相对多少,判断溶解量的相对多少,从而得出两种物质溶解性差异;

  等质量(1.5g)的碳酸钠和碳酸氢钠完全溶解所要消耗水的体积,通过比较水的体积,得出两种物质溶解性差异,并根据消耗的水量计算溶解度。

  五、实验教学目标

  宏观辨识与微观探析:物质的溶解过程本质上是构成物质的微粒均匀、稳定地分散在水分子中,并与水分子结合的过程,从微粒角度解析宏观变化。

  变化观念与平衡思想:物质的溶解和离子的结合(结晶析出)是一个动态的平衡过程。

  证据推理与模型认知:由实验现象推得结论,构建控制变量思想(单因子变量)与实践研究物质性质的模型。

  科学探究与创新意识:通过对物质的溶解性差异问题的探究,使学生体验科学探究的过程,学习科学探究的方法及对实验条件的控制,培养学生的科学探究能力、创新能力。

  科学精神与社会责任:通过实验,促学生认识到社会实践的科学原理本质,建立解决问题严谨的、实事求是的科学态度和精神。

  六、实验教学内容

  将“碳酸钠和碳酸氢钠溶解性差异”的探究过程设计为与学生一同探究的实验课,使学生体会科学研究过程,掌握基本研究方法,促进核心素养的形成。

  (1)相同温度下,比较相同体积的水所能溶解的固体的质量。

  (2)相同温度下,比较相同质量的固体完全溶解所需要的水的体积。

  七、实验教学过程:

  环节一:实际问题,引发思考。

  往充满二氧化碳的矿泉水瓶中加入饱和碳酸钠溶液,振荡、静置后,会析出固体碳酸氢钠(因Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3),有三方面的原因:反应后溶剂水的质量减少,生成的碳酸氢钠溶质质量增加,碳酸氢钠溶解度比碳酸钠小。像这种在多种因素共同影响下,我们能否通过这个实验得到碳酸氢钠溶解度比碳酸钠小的结论?


  图1

  环节二:实验方案设计

  问题:设计怎样的实验来研究碳酸钠和碳酸氢钠的溶解性差异?

  思考1:影响固体物质溶解性的因素有哪些?

  溶质、溶剂、温度。

  思考2:多变量影响实验结果时,怎样设计能较好地进行研究?

  控制变量法。

  共同讨论实验方案。

  相同温度下,比较相同体积的水所能溶解的固体的质量。

  相同温度下,比较相同质量的固体完全溶解所需要的水的体积。

  环节三:实验操作(学生分组实验)

  实验一、相同温度下,比较相同体积的水所能溶解的固体的质量。

  第一步:用托盘天平分别称取2.0g的碳酸钠和碳酸氢钠,于离心试管中。

  第二步:同时加入4mL水,溶解、振荡。

  第三步:将离心试管置于离心机中,打开开关,3分钟后取出离心试管,比较剩余固体量的相对多少,判断溶解量的相对多少。

  实验二、相同温度下,比较相同质量的固体完全溶解所需要的水的体积。

  第一步:用托盘天平分别称取1.5g的碳酸钠和碳酸氢钠,于锥形瓶中。

  第二步:用滴定管往锥形瓶中滴加蒸馏水,振荡。

  第三步:滴加至固体完全溶解,记录所用蒸馏水的体积。

  环节四:数据分析,得出结论

  从相同质量的溶剂所能溶解的固体质量来分析,碳酸钠的溶解性大于碳酸氢钠。

  相同质量的溶质完全溶解所消耗的水的体积来分析,碳酸钠的溶解性大于碳酸氢钠。并根据消耗的水量计算溶解度。与资料上20OC时的溶解度作对比。


  图2

  环节五:回归问题,联系生产生活实际。

  在Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3反应中,一是溶剂水减少,二是溶质NaHCO3质量增加,三是NaHCO3溶解度相对更小,上述三个原因都有利于碳酸氢钠的析出。侯氏制碱原理中析出碳酸氢钠,而不是碳酸钠的原因就是因为同温下,碳酸氢钠溶解度更小。

  结束:实证研究中要注意方案的严密性。上述实验是基于两种物质溶解速率都比较快的模型下设计的比较粗略的实验方案。从定性到半定量还可以进行定量的研究。这样的实验研究真实地解决了我们想当然的问题,正是化学学科的本质所在。

  八、实验效果评价

  1.实验设计原理。在苏教版化学1教材中对碳酸钠与碳酸氢钠溶解度差异的比较,有的课堂实验呈现是取等质量固体加等量的水,比较溶解情况;有的是借助于往饱和碳酸钠溶液中通入二氧化碳时会析出碳酸氢钠。这个反应有这三方面的原因来分析碳酸氢钠的析出:反应后溶剂水的质量减少,生成的碳酸氢钠溶质质量增加,碳酸氢钠溶解度比碳酸钠小,那么既然有三个因素引起碳酸氢钠的析出,是否能通过这个实验说明碳酸氢钠溶解度更小?教材突出比较了两者的性质,所以溶解性的差异又会被提及,所以设置这样的实验探究背景有利于学生更加形象清晰的认识到碳酸钠比碳酸氢钠更易溶于水,甚至对他们的溶解度也有所认识。通过比较碳酸钠与碳酸氢钠的溶解性差异,为今后认识碳酸盐与碳酸氢盐之间的溶解性差异关系奠定一定的基础,增强了感性的认识,并为“侯氏制碱”原理的理解奠定基础。

  2.科学知识的本质。碳酸钠与碳酸氢钠性质在水溶性方面的差异性与微观溶解过程中引起的焓变、熵变以及分子内氢键有关,也体现了物质的宏观性质取决于其微观结构的特点。碳酸(氢)盐溶解性不仅和氢键有关,也和离子键的强度有关,离子键越强越难溶解。对于CaCO3和Ca(HCO3)2等物质,其阳离子价态较高,正电场强,和CO3 2-的吸引力较大,而和HCO3-的吸引力较小,此时离子键强度起主导作用,酸式盐的溶解性好于正盐。而碱金属只有一个单位正电荷,此时氢键的作用就显现出来,使溶解性逆转。而对于很多过渡金属元素,其电子构型(主要是d电子的影响)造成极化能力增强,和CO32-的键有较多共价成分,而难以溶解。

  3.探究实验设计模型构建。在问题背景的引导下,学生体验了科学的探究过程,认识了探究性实验的一般过程,也感受到化学思维的严密性与辩证性。通过探究相同体积的水所能溶解的固体的量和溶解相同质量的固体所需水的体积,初步建立了这种辩证思维的模型,有利于以后解决类似的问题。

  4.实践与理论相结合。探究碳酸钠与碳酸氢钠溶解性差异实验过程,用实践实证理论,用理论指导实践,科学原理获得需要实践与理论相结合。定性结论获得真实体验,控制变量比较方案设计,实践研究导向科学原理。

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