過氧化鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及教學(xué)實(shí)踐

摘要：

針對過氧化鈉與水反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)中酚酞退色以及超出高一學(xué)生認(rèn)知水平的問題，巧用棉花減少酚酞與過氧化氫的接觸、使用大量冷水稀釋氫氧化鈉溶液降溫以減少反應(yīng)放熱的影響，破解同一團(tuán)棉花既要泡在冷水中又要?jiǎng)×胰紵碾y題，設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知水平、現(xiàn)象明顯的新方案。發(fā)現(xiàn)作為可燃物參與燃燒、高溫下過氧化鈉超強(qiáng)的腐蝕作用是導(dǎo)致酚酞無法顯色的可能原因。把研究過程中的真實(shí)情境案例應(yīng)用于不同教學(xué)階段的實(shí)踐，有利于構(gòu)建素養(yǎng)為本的高效課堂。關(guān)鍵詞：

過氧化鈉與水反應(yīng)；酚酞退色；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1

問題提出過氧化鈉作為學(xué)生進(jìn)入高中階段接觸到的第一種過氧化物，其與水反應(yīng)的性質(zhì)和應(yīng)用可以作為情境素材，在素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)中發(fā)揮重要作用［1］。關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的演示方案，2007年人教版高中化學(xué)教材必修１［2］表述如下：把水滴入盛有少量過氧化鈉固體的試管中，立即把帶火星的木條放在試管口，檢驗(yàn)生成的氣體。用手輕輕摸一摸試管外壁，有什么感覺？然后向反應(yīng)后的溶液中滴入酚酞溶液，有什么現(xiàn)象發(fā)生？2019年人教版高中化學(xué)教材必修１［3］描述為：將1至2mL水滴入盛有1至2g過氧化鈉固體的試管中，立即把帶火星的木條伸入試管中，檢驗(yàn)生成的氣體。用手輕輕觸摸試管外壁，有什么感覺？用pH試紙檢驗(yàn)溶液的酸堿性。兩個(gè)版本教材中關(guān)于過氧化鈉與水反應(yīng)的演示方案略有不同，其中最大的區(qū)別是采用不同方法檢驗(yàn)氫氧化鈉的生成。新教材使用pH試紙而不用酚酞溶液檢驗(yàn)氫氧化鈉的生成，其原因與演示過程中酚酞先變紅后迅速退色有關(guān)。酚酞退色的原因與產(chǎn)物中有過氧化氫生成有關(guān)，但該知識(shí)超出高一學(xué)生的認(rèn)知范圍［4］，因此只好舍棄酚酞溶液而選用pH試紙。但是，從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，檢驗(yàn)堿性物質(zhì)的最直接答案還是酚酞是否變紅。蔣小剛老師認(rèn)為，元素化學(xué)是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要載體，對于高一學(xué)生而言，學(xué)習(xí)存在諸多困難，教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平構(gòu)建有效的認(rèn)知模型［5］。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出：要能根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際需要提出探究課題，能對實(shí)驗(yàn)中的異常現(xiàn)象和已有結(jié)論進(jìn)行反思、提出質(zhì)疑和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，并付諸實(shí)施［6］。如何直面學(xué)生的問題，基于學(xué)生的認(rèn)知水平，使用酚酞溶液有效檢驗(yàn)過氧化鈉與水反應(yīng)的堿性產(chǎn)物，成為值得研究的真實(shí)情境課題。2

方案設(shè)計(jì)過氧化鈉與水反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)中酚酞之所以退色，與諸多因素有關(guān)。一般認(rèn)為，過氧化鈉與水反應(yīng)分為兩個(gè)過程，首先是過氧化鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和過氧化氫，然后是過氧化氫分解為水和氧氣。其中，過氧化氫的生成、氫氧化鈉濃度過高和反應(yīng)放熱是導(dǎo)致酚酞退色的主要原因［7］。因此，實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要從三個(gè)方向進(jìn)行：一是如何盡量減少酚酞與過氧化氫的接觸；二是如何避免氫氧化鈉濃度過高；三是如何減少反應(yīng)放熱的影響。2.1

通過棉花吸附減少酚酞與過氧化氫的接觸棉花作為一種纖維素，具有蓬松的結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附性，可以作為減少酚酞與過氧化氫接觸的有效載體。實(shí)驗(yàn)時(shí)往包有過氧化鈉的棉花上方滴加酚酞溶液，在溶液的下滲過程中，少量酚酞吸附在棉花上方，與產(chǎn)物中的氫氧化鈉接觸變色。而更多的液態(tài)產(chǎn)物（含有過氧化氫等）繼續(xù)下滲到墊層的棉花上并被吸附住，以減少酚酞與過氧化氫的接觸的效果。2019年人教版高中化學(xué)教材必修１課后習(xí)題也使用棉花包裹過氧化鈉滴水生火作為拓展實(shí)驗(yàn)，但該實(shí)驗(yàn)存在棉花無法順利燃燒等問題［8］，故需要再設(shè)計(jì)成功率更高的實(shí)驗(yàn)方案。2.2

通過冷水降溫減少反應(yīng)放熱的影響課堂演示使用的試管實(shí)驗(yàn)放熱明顯，所以讓學(xué)生用手觸摸體驗(yàn)，但溫度的升高正是導(dǎo)致酚酞退色的原因之一。課后拓展實(shí)驗(yàn)中棉花燃燒起來，溫度更高，更不利于觀察到酚酞變紅的現(xiàn)象。如何在以上棉花包裹過氧化鈉的基礎(chǔ)上，做到既能觀察到棉花劇烈燃燒起來，又能觀察到燃燒后酚酞還能呈現(xiàn)紅色？這個(gè)相互矛盾的要求成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，設(shè)想讓包有過氧化鈉的棉花團(tuán)漂浮在冷水中，露出水面的棉花可以燃燒，浸入水中的棉花則利用冷水的降溫作用不讓酚酞退色。同時(shí)，大量冷水也可以稀釋反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈉的濃度，避免因其濃度過高導(dǎo)致酚酞退色。2.3

通過熱量積蓄解決燃燒和降溫的矛盾上述包有過氧化鈉的棉花團(tuán)浸入水中部分降溫容易實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)要讓露出水面的部分燃燒起來，則必須控制棉花團(tuán)接觸冷水的時(shí)機(jī)。只有讓該棉花團(tuán)在接觸到大量冷水之前先積蓄足夠熱量，才能順利燃燒起來。為此，可以利用“滴水生火”的原理先往包有過氧化鈉的棉花上滴幾滴酚酞，讓反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間，待積蓄足夠熱量后再將棉花團(tuán)放在冷水水面上，達(dá)到露出水面的棉花團(tuán)燃燒起來的目的。3

實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，先用棉花包裹過氧化鈉粉末，往棉花滴幾滴酚酞溶液，等待一定時(shí)間積蓄熱量，再使棉花團(tuán)漂浮在冷水水面上，可以達(dá)到預(yù)想的設(shè)計(jì)效果。但要使冷水水面上的棉花團(tuán)燃燒起來，過氧化鈉的用量、酚酞溶液的用量和積蓄熱量的時(shí)間等都需要不斷調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)試探，可以重復(fù)再現(xiàn)的課堂演示實(shí)驗(yàn)方案闡釋如下。3.1

藥品的準(zhǔn)備往1000mL規(guī)格的大燒杯中加入200mL冷水備用，200mL的冷水除了可以降低體系的溫度，還降低了過氧化氫的濃度和氫氧化鈉的濃度，有利于酚酞保持紅色不退。將一團(tuán)棉花平鋪成直徑約為10cm、高度約為2cm的燒餅狀，往燒餅狀棉花中心放兩藥匙（約5g）過氧化鈉粉末。將燒餅狀棉花從邊沿往中間卷成團(tuán)，過氧化鈉被包在棉團(tuán)中心如包子狀。3.2

酚酞的滴加及熱量的積蓄往包子狀棉花團(tuán)正中心上方滴5滴酚酞溶液，靜置60秒。酚酞不能滴太多，否則棉花過于潮濕不利于后期的燃燒。當(dāng)酚酞滴到棉花中心的瞬間，接觸的位置立即變?yōu)榧t色。60秒后棉花上的紅色沒有消失，反而更加明顯，證明有堿性物質(zhì)生成。經(jīng)過60秒時(shí)間的反應(yīng)，棉花團(tuán)內(nèi)部已經(jīng)積蓄了較多熱量。3.3

棉花的燃燒及酚酞的顯色滴加酚酞60秒后，用鑷子夾住棉花團(tuán)的中間變紅處豎直提起，輕放在燒杯中的水面上。豎直提起的目的在于讓棉花上部不滴有酚酞的位置朝上方便觀察，且可以防止過氧化鈉從棉花團(tuán)脫離。棉花團(tuán)接觸到水面后，下部立即潤濕。大約5秒后，棉花團(tuán)瞬間燃燒起來，形成劇烈的視覺和聽覺沖擊。水面上的棉花燃燒后，包在水面下棉花內(nèi)的過氧化鈉繼續(xù)與水反應(yīng)，有氣泡冒出。最后，氣泡不再出現(xiàn)，過氧化鈉與水完全反應(yīng)，燒杯中的溶液呈現(xiàn)明顯紅色。使用玻璃棒攪拌反應(yīng)后的溶液，紅色未見明顯變化。4

教學(xué)實(shí)踐案例改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案在不同教學(xué)階段巧妙運(yùn)用，可以充分發(fā)揮其作為真實(shí)情境素材的獨(dú)特育人功效。4.1

高一演示實(shí)驗(yàn)：獲得核心知識(shí)，破解思維定勢高一必修1新授課時(shí)演示該實(shí)驗(yàn)，應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生觀察酚酞的變紅以及棉花的劇烈燃燒，獲得過氧化鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氧氣的核心知識(shí)。其中棉花瞬間劇烈的燃燒，可以作為有氧氣生成的直接證據(jù)。通過與未包裹過氧化鈉的棉花的燃燒對照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)包裹過氧化鈉的棉花燃燒時(shí)特別劇烈，而且是瞬間燃燒，現(xiàn)象與帶火星的木條靠近氧氣的瞬間燃燒相似。同樣道理，在鋁箔上加熱金屬鈉制備過氧化鈉過程中，出現(xiàn)的燃燒是平緩的［9］。往該實(shí)驗(yàn)中剛出現(xiàn)的淡黃色固體上滴加酚酞溶液，則出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象，其原因就是反應(yīng)產(chǎn)物中有氧氣瞬間生成。通過類比，理解了檢驗(yàn)氧氣的生成一般要用帶火星的木條的做法。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注有效滅火的問題，明白水有時(shí)也能生火，且可能導(dǎo)致更大火災(zāi)的嚴(yán)重后果。在破解滅火只能用水的思維定勢的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生使用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的自覺性，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，同時(shí)激發(fā)其學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。4.2

高二播放視頻：關(guān)注反應(yīng)歷程，培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)高二《化學(xué)反應(yīng)原理》關(guān)于反應(yīng)歷程新授課時(shí)，可播放該實(shí)驗(yàn)視頻，特別是關(guān)注實(shí)驗(yàn)中少量過氧化鈉脫離棉花漂浮在水面上與水反應(yīng)時(shí)，有氣泡冒出但周邊溶液未見變紅的異常現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生分析反應(yīng)產(chǎn)物中過氧化氫的存在原因，進(jìn)而得出過氧化鈉與水反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的。同時(shí)，請學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證反應(yīng)后的溶液中是否存在過氧化氫（如加入二氧化錳等催化劑、觀察是否有氣泡冒出等），培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和證據(jù)意識(shí)。4.3

高三再現(xiàn)視頻：評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)展綜合素養(yǎng)高三階段復(fù)習(xí)到過氧化鈉性質(zhì)時(shí)，可以再現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)視頻，并與教材中的演示方案、課后拓展實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行對比，引導(dǎo)學(xué)生評價(jià)三個(gè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)評價(jià)能力。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從有機(jī)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)維度關(guān)注酚酞的退色問題，分析其退色的可能原因（溶液的堿性太強(qiáng)、過氧化氫的生成、反應(yīng)放熱等），再次破解酚酞遇堿一定變紅的思維定勢問題。在視頻播放中，引導(dǎo)學(xué)生特別關(guān)注酚酞變紅的時(shí)機(jī)并分析可能的原因?？梢园l(fā)現(xiàn)，溶液變紅是在燃燒快結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的。溶液之所以在反應(yīng)后期變紅，其原因可能有二：一是酚酞被燃燒導(dǎo)致無法顯色，從酚酞的組成看，分子式為C20H14O4的有機(jī)物是可以參與燃燒的，棉花燃燒時(shí)酚酞也可能被燃燒掉，當(dāng)然無法顯色；二是酚酞被高溫下的過氧化鈉腐蝕而無法顯色，棉花燃燒時(shí)溫度高，此時(shí)過氧化鈉具有很強(qiáng)的腐蝕性［10］，酚酞因被腐蝕而無法顯色。當(dāng)燃燒即將結(jié)束時(shí)，過氧化鈉不斷減少且溫度降低，剩余的酚酞（未參與燃燒和未被腐蝕）與溶液中的氫氧化鈉接觸，慢慢顯出紅色。為了驗(yàn)證以上觀點(diǎn)，可以將酚酞溶液直接滴到鋁箔上高溫燃燒著的鈉塊上，發(fā)現(xiàn)剛滴入酚酞出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒時(shí)酚酞溶液未見變紅，說明酚酞參與了燃燒過程且被完全燃燒了。通過以上推斷得出新結(jié)論的同時(shí)，有效拓寬了學(xué)生的視野，有利于其綜合分析能力的提高。過氧化鈉與水反應(yīng)過程中酚酞的退色可以作為一個(gè)現(xiàn)象干擾問題進(jìn)行回避，也可以作為真實(shí)的情境素材進(jìn)行開發(fā)運(yùn)用。以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷，在于解決學(xué)生提出的為什么不用酚酞檢驗(yàn)氫氧化鈉的問題。本研究通過直面問題設(shè)計(jì)出新的實(shí)驗(yàn)方案，并在不同的教學(xué)階段予以實(shí)踐，對于構(gòu)建素養(yǎng)為本的高效課堂具有一定的借鑒意義［11］。特別是面對同一團(tuán)棉花既要泡在冷水中接觸反應(yīng)又要?jiǎng)×业厝紵饋淼脑O(shè)計(jì)難題時(shí)，經(jīng)過反復(fù)試探終獲成功的案例，以及關(guān)注變色時(shí)機(jī)，發(fā)現(xiàn)燃燒和高溫下過氧化鈉的強(qiáng)腐蝕作用是導(dǎo)致酚酞無法顯色的主要原因的探究過程，對于發(fā)展學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于實(shí)踐、善于創(chuàng)新的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有積極的促進(jìn)作用。參考文獻(xiàn)：［1］讓“異常”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)揮教學(xué)功能——“過氧化鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究”教學(xué)案例與分析［J］.化學(xué)教學(xué)，2013，（10）：58～60.［2］普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1［M］.北京：人民教育出版社，2007：53.［3］普通高中教科書·化學(xué)1［M］.北京：人民教育出版社，2019：35.［4］過氧化鈉與水反應(yīng)過程中酚酞褪色的新釋疑［J］.化學(xué)教學(xué)，2005，（3）：7～8.［5］基于建構(gòu)認(rèn)知模型的元素化學(xué)教學(xué)策略與實(shí)踐［J］.化學(xué)教學(xué)，2020，（11）：27～32.［6］中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修