7.2碱及其性质创新实验：用压强传感器探究二氧化碳和氢氧化钠溶液的反应--2023-2024学年九年级化学鲁教版下册

鲁教版初中化学九下第七单元第二节创新实验：用压强传感器探究二氧化碳和氢氧化钠溶液的反应 一、使用教材 实验内容选自鲁教版《化学》九年级下册第七单元第二节《碱及其性质》。 二、实验器材 （1）第一组：干冰、蒸馏水、氢氧化钠溶液、稀盐酸、矿泉水瓶 6 个，100mL 注射器 6 支。 （2）第二组：压强传感器 2 个、数据采集器 2 个、 电脑显示器、定制 U 型管（U 型管 底部加了隔板，使 U 型管被分成完全相同的两部分，下文统一简称为“U 型管 ”）、铁架台 2 个、弹簧夹 2 个、鱼尾夹 2 个、100mL 注射器 3 支、蒸馏水、氢氧化钠溶液、稀盐酸、干 冰。 三、实验设计思路 实验主要探究氢氧化钠溶液和二氧化碳的反应，建构碱溶液和非金属氧化物反应的基本 化学观念。教学中设计了两个实验，一是学生结合已学知识，经过教材研读，小组合作设计、 实施评价实验方案。二是基于上述实验方案评价中的三个不足之处，将数字信息化与化学学 科教学融合改进实验，使无现象的实验过程以数字、曲线的形式“可视化 ”，对曲线起点、 拐点、终点及变化趋势进行分析表征，帮助学生建构化学观念。实验设计将教材的定性实验 和基于数字信息化的定量实验结合，降低学生对该实验的认知难度。 四、实验教学目标 （1）化学观念：通过实验探究，认识二氧化碳和氢氧化钠溶液的反应，构建碱溶液和 非金属氧化物反应的化学观念。 （2）科学思维：数字信息化与化学学科教学融合，引导学生从反应物减少和新物质生 成两个角度进一步认识二氧化碳和氢氧化钠溶液的反应，培养学生基于实验事实证据推理的 能力。 （3）科学探究与实践：经历科学探究的一般过程，融合数字传感信息化技术，改进实 验，将化学变化“可视化 ”，提高学生的科学探究与实践能力。 （4）科学态度与责任：培养学生对化学学习和科学探究的浓厚兴趣，逐步养成热爱科 学、严谨求实、敢于质疑的科学态度。 五、实验教学过程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 环节 一： 创设 情境 提出 问题 做出 猜想 【创设情境】 两支试管中分别装有 Ca(OH)2 溶液和 NaOH 溶液，如何鉴 别？ 小组讨论，设计实验方案并实施： 用吸管向溶液中吹气，液体变浑浊的试管中 装的是 Ca(OH)2 溶液。 培养学生利 用已知知识 解决真实化 学问题的能 力。 【提问】二氧化碳气 体通入氢氧化钠溶液 中没有明显的实验现 象，二者有没有发生 反应？ 学生思考，做出猜想: ①二者没有发生化学反应，因为没有明显的 实验现象；②二者发生了化学反应，因为氢 氧化钠和氢氧化钙都属于碱，化学性质相 似。类比氢氧化钙溶液和二氧化碳的反应， 推断氢氧化钠溶液和二氧化碳反应生成碳 酸钠和水。 培养学生分 析问题、做出 合理猜想的 能力 环节 二： 思考 讨论 设计 实施 评价 方案 【追问】如何证明二 氧化碳和氢氧化钠溶 液发生了反应？ 研读教材，小组讨论设计并实施实验方案： ①可以从反应物二氧化碳或氢氧化钠的减 少设计实验。结合气体减少会带来压强变化 和二氧化碳能溶于水，学生设计了实验：向 充满二氧化碳气体的矿泉水瓶中加入氢氧 化钠溶液或水，振荡，观察矿泉水瓶的变瘪 情况。对比实验分为三组，加入液体的体积 分别为 30mL、60mL、90mL，实验结果如图 1 所示。②从有新物质 Na2CO3 生成的角度设计 实验，向变瘪的矿泉水瓶中加入足量稀盐 酸，出现大量气泡，矿泉水瓶膨胀起来。 图 1 向充满 CO2 的矿泉水瓶中加入不同体 积的两种液体时 ，矿泉水瓶变瘪程度不同 学生从已有 知识出发，结 合教材，设计 实施实验，培 养学生的科 学探究能力。 【引导】学生进行方 案评价 学生小组讨论分析，总结实验方案中的不 足：①装置气密性不好，加入液体时，二氧 化碳气体要溢出，实验结果有误差；②加入 液体的体积比较少（30mL 和 60mL）时，加 入水的矿泉水瓶几乎没有明显的变化；③无 法精确判断生成物 Na2CO3 和稀盐酸反应生成 的 CO2 和起始 CO2 质量之间的关系 从解决问题 中又发现新 的问题，培养 学生认真观 察、善于思考 的科学态度。 环节 三： 改进 实验 数字 信息 化与 化学 学科 教学 融合 【讲解】 1.介绍利用压强传感 器改进实验的实验装 置（见图 2）及实验 步骤。 实验步骤：①在 U 型 管中收集满二氧化碳 气体并密封；②在两 端支管上分别连接装 有 40mL 水或氢氧化 钠溶液的注射器；③ 连接压强传感器，打 开实验数据软件；④ 打开弹簧夹，将注射 器中的液体注入到 U 型管中，记录气体压 强的变化；振荡反应 容器，继续记录；⑤ 待压强数值稳定后， 往注入氢氧化钠溶液 的一端管内继续加入 100mL 稀盐酸，观察 现象，持续记录，直 至压强不再变化。 2.布置任务：预测反 应过程中气体压强- 时间曲线。 了解压强传感器的工作原理并对曲线的趋 势进行预测： 图 2 创新实验装置图 图 3 实验过程中U 型管两端气体压强 变化图（预测） 1.初步认识 传感器的工 作原理，了解 传感器在实 验中的“可视 化 ”优势。 2.培养学生 对曲线的预 测分析能力 环节 四： 图像 表征 得出 结论 总结 提升 【演示实验】 教师进行演示实验， 将实验现象和软件呈 现的曲线投屏 【提供信息】 在 25℃ , 标准大气压 下二氧化碳的溶解度 为（体积比）1:0.759。 气体的溶解度随着温 度的增大而减小。 观察实验现象以及曲线的生成过程： 图 4 实验过程中U 型管两端压强随 时间变化曲线 学生对曲线进行表征，见表 1： 表 1 曲线表征 图像 变化原因或发生的反应 ab CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O bc CO2 与 NaOH 反应结束 cd Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑ A 点 水进入 U 型管内,气体被压缩，压 强增大 B1、B2 点 振荡 U 型管，增大反应物接触面 积，反应速率增大 分析讨论： ①P1 终点压强略大于初始值的原因：在 25℃ , 标准大气压下，40mL 水中只能溶解约 30mL 的 CO2 ，剩余气体被压缩，压强增大； ②根据质量守恒定律，二氧化碳中的碳元素 先转移到碳酸钠中，加入稀盐酸后，又转移 到二氧化碳中，所以 P2 最终压强与初始值 几乎相等。 1.教师演示 实验，收集证 据，培养学生 注重实证的 科学精神。 2.投屏便于 学生观察现 象，了解现象 和曲线的对 应关系。 3.培养学生 的实验观察 能力、曲线分 析能力 4.通过信息 证据，对实验 曲线和预测 曲线之间的 冲突进行合 理解释，构建 新的认知结 构，培养学生 基于实验事 实证据推理 的科学思维。 六、实验创新要点： （1）解决原实验装置气密性不好的问题，实验结果更加科学、准确；对照实验和探究 实验同时进行，简化操作步骤。 （2）压强传感器的使用使实验过程中肉眼观察不到的变化， 以数据、图像等直观形式 表现出来，实现过程可视化。 （3）对曲线进行预测，培养学生基于定性结果定量分析的能力 七、实验效果评价： （1）实验设计采取的是对比探究的方式。学生在教材实验中对二氧化碳和氢氧化钠溶 液的反应有了一定的认识，能够认识到反应中存在的不科学不严谨之处，为改进实验的引入 铺垫了认知基础。 （2）数字信息化与化学学科教学融合，解决了学生在教材实验中发现的气密性不好、 对比实验压强变化不明显、无法定量判断的问题。压力传感器的引入使反应“可视化 ”，曲 线的生成过程动态显示实验变化的全过程，利于学生将感性的认识与反应实质联系起来，加 深对化学观念的理解。 （3）对压强-时间曲线进行分析表征，形成化学学科探究物质及其变化规律的认识方式； 分析二氧化碳溶解度相关信息，对“CO2 溶于水压强略增大 ”这一现象进行合理解释，在真 实曲线和预测曲线的认知冲突中建立了新的认知结构，培养学生基于实验事实证据推理的科 学思维。 八、实验反思 （1）实验中使用的氢氧化钠溶液浓度不宜过高，否则在探究有新物质生成的实验中加 入稀盐酸时，稀盐酸先与过量的氢氧化钠反应，再和碳酸钠反应，曲线最终的高度与起始值 不同，需再次加入稀盐酸。这一步在深化学生质量守恒定律这一化学观念中起着至关重要的 作用。 （2）实验中使用的氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液、稀盐酸都具有一定的腐蚀性，教师 要在实验前强调实验安全注意事项、实验操作规范等。 （3）本实验也可以同时使用温度传感器、离子传感器，探究反应的热量变化，以及 OH-、 CO32- 的浓度变化，拓展实验探究内容，培养学生多视角分析问题的科学探究与实践能力。 学科网（北京）股份有限公司 $$