垃圾的分類與回收利用之廢銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅的實(shí)驗(yàn)探究 教學(xué)設(shè)計(jì)

垃圾的分類與回收利用——廢銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅的實(shí)驗(yàn)探究（實(shí)驗(yàn)說課）馬鞍山市花園初級中學(xué)顧鳳翠指導(dǎo)教師：馬鞍山市教科院周朝暉；馬鞍山市雨山實(shí)驗(yàn)學(xué)校潘小香1.功能與價值《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022年版）中羅列了10個跨學(xué)科實(shí)踐活動，銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于《垃圾的分類與回收利用》活動這個特定大情境，同時也基于第三課時《分類后的垃圾去哪了》的第二環(huán)節(jié)廢銅的華麗轉(zhuǎn)身之廢舊電池銅帽中銅的回收工藝流程這個小情境。銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)在這一課時中起到至關(guān)重要的作用，由學(xué)生課前查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動手實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、課上匯報(bào)展示交流，實(shí)驗(yàn)A組與實(shí)驗(yàn)B組同學(xué)共同討論確定實(shí)驗(yàn)室模擬方案，將銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅，再討論由硫酸銅轉(zhuǎn)化為銅，實(shí)現(xiàn)廢銅資源的華麗轉(zhuǎn)身，培養(yǎng)學(xué)生“世界上沒有真正的垃圾，只有放錯了地方的資源。在化學(xué)家看來，垃圾中的原子都可以轉(zhuǎn)化為有用的新物質(zhì)，關(guān)鍵是找到合適的轉(zhuǎn)化方法和條件”的化學(xué)思想，形成元素觀、物質(zhì)觀、變化觀等化學(xué)觀念，發(fā)展科學(xué)思維強(qiáng)化創(chuàng)新意識，經(jīng)歷科學(xué)探究，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。2.原理與拓展學(xué)生根據(jù)課本中知識設(shè)計(jì)的方案：銅加熱后生成氧化銅再與稀硫酸溶液反應(yīng)的原理為：方案一：2Cu+O2△2CuO；CuO+H2SO4CuSO4+H2O根據(jù)兩組同學(xué)課前查閱的資料，由廢舊電池銅帽(主要含銅、鋅)中銅的回收工藝流程給出的信息設(shè)計(jì)的方案：銅和過氧化氫溶液與稀硫酸溶液的反應(yīng)以及銅、氧氣與稀硫酸反應(yīng)的原理為：方案二：Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O方案三：2Cu+O2+2H2SO4△2CuSO4+2H2O查閱資料設(shè)計(jì)方案四：Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+2H2O根據(jù)以上原理，討論后不采用方案四，因?yàn)榉桨杆漠a(chǎn)生二氧化硫氣體，污染空氣。實(shí)驗(yàn)A組、B組同學(xué)根據(jù)剩余原理分別確定方案先將銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氧化銅與稀硫酸溶液、銅和過氧化氫溶液與稀硫酸常溫下反應(yīng)都比較慢，嘗試加熱后反應(yīng)速率明顯加快。這一發(fā)現(xiàn)與預(yù)期現(xiàn)象不一致，由此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，有效提供激起矛盾的新刺激，適時引導(dǎo)，有助于學(xué)生形成科學(xué)思維，讓學(xué)生在解決認(rèn)知矛盾過程中，更新自身的知識結(jié)構(gòu)，不斷提高思維水平。3.實(shí)驗(yàn)活動過程綜述實(shí)驗(yàn)活動過程中發(fā)現(xiàn)的一系列問題，如果充分相信學(xué)生，激發(fā)他們的主觀能動性，把問題交給他們來解決，為他們提供必要的引導(dǎo)和儀器、藥品，他們一定會展現(xiàn)令人驚喜的一面。過程中以問題為引領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生逐個解決問題。最初同學(xué)們一致選擇采用來源于課本的方案一由銅加熱得到的氧化銅與稀硫酸反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)氧化銅粉末與稀硫酸溶液常溫下反應(yīng)速率比較慢；黑色粉末混在溶液中影響觀察溶液顏色；加熱后又有紅色固體剩余。問題串引導(dǎo)，黑色粉末混在溶液中影響觀察溶液顏色，靜置沉淀的確可以，但卻需要時間，如何才能使黑色粉末快速沉到試管底部？試管中剩余的紅色固體是什么物質(zhì)？為什么會剩余紅色固體？紅色固體的剩余是否符合綠色化學(xué)的理念？發(fā)散學(xué)生思維解決問題。繼而實(shí)驗(yàn)A組選擇方案二，發(fā)現(xiàn)銅和過氧化氫溶液與稀硫酸溶液常溫下反應(yīng)的比較慢，嘗試加熱后反應(yīng)速率明顯加快。適時引導(dǎo)，怎樣才能得到稀硫酸的同時又有熱量？繁瑣的實(shí)驗(yàn)步驟能否用一個裝置替代，實(shí)現(xiàn)操作簡易化、微量化、一體化？帶著問題查閱大量資料后，從定性實(shí)驗(yàn)的角度成功完成銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅方案和裝置的改進(jìn)、創(chuàng)新及課上匯報(bào)展示。實(shí)驗(yàn)B組選擇方案三，查閱大量資料后，小組內(nèi)討論確定改用空氣氧化法由銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅，即向銅與稀硫酸混合物中通入空氣并水浴加熱條件下反應(yīng)的原理，實(shí)驗(yàn)中觀察到產(chǎn)生很淺的藍(lán)色溶液，繼續(xù)查閱資料，控制水浴溫度70-80°C，運(yùn)用控制變量法的思路，設(shè)計(jì)不同濃度稀硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%）的對比組實(shí)驗(yàn)，從定量實(shí)驗(yàn)的角度完成銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅的方案中適宜硫酸濃度的探究。4.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀器：大試管、小試管、膠頭滴管、燒杯（500ml）、酒精燈、火柴、試管架、試管夾、脫脂棉、醫(yī)用三通閥、醫(yī)用多通閥、注射器、三腳架、石棉網(wǎng)、空氣泵。實(shí)驗(yàn)試劑：銅粉、氧化銅粉(由銅粉加熱制得)、不同濃度的稀硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%）、濃硫酸（1ml）、水、過氧化氫溶液。實(shí)驗(yàn)步驟及創(chuàng)新改進(jìn)：(1)實(shí)驗(yàn)A組和B組共同完成采用方案一：2Cu+O2△2CuO；CuO+H2SO4CuSO4+H2O操作：向兩支裝有少量氧化銅粉末（由銅粉加熱得到）試管中分別滴入2-3滴管稀硫酸溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。問題：常溫下氧化銅與稀硫酸反應(yīng)速率慢，黑色粉末混在溶液中不易觀察溶液顏色。改進(jìn)1：小設(shè)計(jì)，大作用。向剩余氧化銅黑色粉末的混合液中塞入一團(tuán)脫脂棉，借助玻璃棒壓實(shí)，10s內(nèi)觀察到淡藍(lán)色溶液。(2)實(shí)驗(yàn)A組完成采用方案二：Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O操作：向裝有少量銅粉的試管中滴入2-3滴管稀硫酸溶液和2-3滴管過氧化氫溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象，再對試管加熱，觀察現(xiàn)象。問題：常溫下反應(yīng)速率慢，加熱可加快反應(yīng)速率。改進(jìn)2：藥品選擇，稀硫酸與熱量兼得。從稀硫酸改為用1ml濃硫酸注入到3ml水中，濃硫酸溶于水放熱，得到稀硫酸的同時又有了熱量，無需再加熱簡化實(shí)驗(yàn)操作。改進(jìn)3：實(shí)驗(yàn)裝置，化繁為簡，定性探究。開始直接注入稀硫酸使用醫(yī)用三通閥和注射器的組合，后來需要將1ml濃硫酸注入到3ml水中，多出一支注入過氧化氫溶液的注射器，所以最終改用醫(yī)用多通閥和注射器的組合裝置。簡化實(shí)驗(yàn)裝置，使裝置設(shè)計(jì)微型化，一體化，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性。(3)實(shí)驗(yàn)B組完成采用方案三：2Cu+O2+2H2SO4△2CuSO4+2H2O操作：取適量銅粉及實(shí)驗(yàn)室常用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的稀硫酸于試管中通入空氣并加熱。問題：產(chǎn)生非常淺的藍(lán)色溶液。改進(jìn)4：實(shí)驗(yàn)思路，控制變量，定量探究。將裝有等質(zhì)量銅粉與等體積不同濃度的稀硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%）的四支試管，放于70-80°C水浴中加熱，利用空氣泵不斷通入空氣，觀察現(xiàn)象（大約需要15分鐘）。探究空氣氧化法將銅轉(zhuǎn)化為硫酸銅的適宜硫酸濃度。從定量探究角度利用控制變量法設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，凸顯實(shí)驗(yàn)真諦，將氧氣換成空氣更經(jīng)濟(jì)易得，適用于工業(yè)上大規(guī)?；厥浙~。以上實(shí)驗(yàn)步驟是以一系列的問題為引領(lǐng)，并以不符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)的認(rèn)知沖突為刺激，激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生自主思考、查閱資料、討論、分析尋求解決辦法，最終確定實(shí)驗(yàn)方案、并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)5：實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，引發(fā)認(rèn)知沖突。善于利用觀察到的現(xiàn)象與預(yù)期現(xiàn)象不一致的沖突，激起認(rèn)知矛盾，產(chǎn)生內(nèi)在認(rèn)知驅(qū)動力，有助于學(xué)生自主的形成科學(xué)思維、更新完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋：(1)實(shí)驗(yàn)A組和B組共同完成向裝有少量氧化銅粉末（由銅粉加熱得到）的兩支試管中分別滴入2-3滴管稀硫酸溶液，振蕩，觀察到剩余黑色粉末混在溶液中，溶液顏色觀察不清，其中一支利用玻璃棒壓入脫脂棉后，立即觀察到淡藍(lán)色溶液，說明氧化銅與稀硫酸反應(yīng)，只是常溫下反應(yīng)速率較慢。給另一支試管加熱，觀察到黑色固體消失，溶液變成藍(lán)色，其中剩余紅色固體。加熱加快了反應(yīng)速率，但剩余未被氧化的紅色銅粉。(2)實(shí)驗(yàn)A組完成利用醫(yī)用注射器和多通閥將1ml濃硫酸注入3ml水中，觀察到濃硫酸溶于水放熱，將熱的稀硫酸注入裝有銅粉的注射器中，再向其中注入5ml過氧化氫溶液，觀察到紅色固體逐漸消失，溶液變成藍(lán)色，并產(chǎn)生氣泡（如下圖）。由于實(shí)驗(yàn)A組同學(xué)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了氣泡，為了驗(yàn)證這種氣體，他們查閱資料，在課本中第二單元催化劑的介紹中找到了答案，課本中提到硫酸銅溶液也能做過氧化氫溶液分解的催化劑。A組同學(xué)們討論、分析猜想可能是氧氣，利用注射器抽取多次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣體，用帶火星的木條檢驗(yàn)，觀察到木條復(fù)燃(如下圖)，證實(shí)了猜想，的確產(chǎn)生了氧氣。適時呼應(yīng)本活動課的主題，在回收銅的過程中產(chǎn)生的氧氣可以循環(huán)利用。(3)實(shí)驗(yàn)B組完成將裝有銅粉與不同濃度稀硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%）的四支試管，放于70-80°C水浴中加熱，利用空氣泵不斷通入空氣，大約15分鐘觀察到10%稀硫酸試管中溶液顏色最深，5%與20%稀硫酸試管中溶液顏色最淺（如下圖）。學(xué)生查閱資料解釋原因，隨著硫酸濃度的增加，溶液的密度增大，黏度增加，使得反應(yīng)物中的銅粉不能充分地懸浮起來，減少了氣、液、固之間接觸幾率；同時，隨著硫酸濃度的增加，硫酸銅的溶解度隨之降低。實(shí)驗(yàn)評價：（1）采取自主探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，通過課前查閱資料、小組討論整合、課上匯報(bào)展示交流，教師善于放手，給予學(xué)生更多的自主思考、展現(xiàn)才能的機(jī)會，有助于學(xué)生自主的養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，具有責(zé)任擔(dān)當(dāng)。(2)采取問題引領(lǐng)的探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，始終貫穿對學(xué)生學(xué)法的指導(dǎo)，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程中形成化學(xué)觀念，解決實(shí)際問題，經(jīng)歷科學(xué)探究，增強(qiáng)實(shí)踐能力。(3)采取引發(fā)認(rèn)知沖突式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，利用鮮明直觀的化學(xué)現(xiàn)象，有效激起矛盾的新刺激，產(chǎn)生內(nèi)在認(rèn)知驅(qū)動力，有助于學(xué)生自主的形成科學(xué)思維、更新完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。(4)本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過程充分展現(xiàn)對學(xué)生的信任和引導(dǎo)，兩組學(xué)生分別從定性和定量的不同角度，一組學(xué)生將原有實(shí)驗(yàn)化繁為簡進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性，另一組利用控制變量法設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，凸顯實(shí)驗(yàn)真諦，兩組實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充形成系列化。在發(fā)現(xiàn)問題后自主思考、查閱資料、討論、分析尋求解決問題方法的過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動能力。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)可滿足一系列教學(xué)需求，達(dá)到構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)模型，提升學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。5.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的拓展延伸改進(jìn)1：拓展到粉末狀藥品影響觀察溶液顏色的實(shí)驗(yàn)，如鐵粉與鹽酸、稀硫酸反應(yīng)、活性炭吸附實(shí)驗(yàn)等。改進(jìn)2：拓展到與稀硫酸反應(yīng)需要加熱的情況，如稀硫酸除鐵銹。改進(jìn)3：拓展到適用于簡易、微量化、一體化裝置的實(shí)驗(yàn)中，如：（1）二氧化碳溶于水、與水的反應(yīng)；對比水、澄清石灰水、氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。（2）探究復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生條件的實(shí)驗(yàn)。（3）探究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)專題中的實(shí)驗(yàn)，如中和反應(yīng)、二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)等。改進(jìn)4：拓展到探究不同濃度的酸與活潑金屬反應(yīng)速率的對比實(shí)驗(yàn)等。改進(jìn)5：拓展到實(shí)際現(xiàn)象與預(yù)期現(xiàn)象存在不同的實(shí)驗(yàn)中，如：（1）實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳用澄清石灰水檢驗(yàn)時未觀察到變渾濁現(xiàn)象；（2）測定空氣中氧氣含量時觀察到進(jìn)入集氣瓶中的水少于五分之一等。參考文獻(xiàn)[1]曾華，陳勇.對鐵與鹽酸、稀硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（5）：59[2]曾華，陳勇.稀硫酸與氧化銅粉末反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參