3.3创新实验：探究铝和氢氧化钠溶液的反应原理 教学设计 2023-2024学年高一上学期化学人教版（2019）必修第一册

人教版高中化学必修1第三章第3节创新实验：探究铝和氢氧化钠溶液的反应原理 1、 使用教材：人教2019版高中化学必修一第三章第三节 2、 实验器材： （1）铝和水能否反应： 1）铝片、砂纸、温度传感器、酒精灯、烧杯 2）铝片、氢氧化钠溶液、烧杯、注射器 3）铝粉、温度传感器、酒精灯、烧杯 4）铝片、硝酸汞溶液、安瓿瓶、镊子、烧杯 （2）铝和水反应产物验证：试管、酒精灯、蒸发皿、肥皂水、木条、激光笔 （3）铝和氢氧化钠是否反应：铝片自制小锅、酒精灯、氢氧化钠 （4）铝水电池：盐桥、U形管、硝酸钾溶液、烧杯、灵敏电流计、铝片、铜片、导线、胶头滴管 （5）铝粉和熔融氢氧化钠：镍坩埚、酒精灯、铝粉、氢氧化钠 三、实验创新要点： 分开探究铝和水是否反应，铝和氢氧化钠是否反应，铝水电池 （1）注射器进行实验，减少除膜后的铝和空气的接触，便于操作，吸取和排出液体，现象明显。 （2）利用氢氧化钠和铝的熔点差异，铝片自制小锅，让氢氧化钠融化在铝锅中，便于观察现象。 （3）铝汞齐与水反应：微型化装置，便于观察减少毒性。 （4）铝水电池实验： 1）.克服铝片和水反应的温度限制 2）.控制了铝水反应的接触面积 3）.明显的电流计指针偏转，便于监测氢氧化铝在铝表面的附着 4）.便于探究离子在铝水反应中的作用 5）.实验装置微型化：所用试剂少，操作过程中变量少，结果准确可重复率高 四、实验设计思路： 铝和氢氧化钠溶液反应原理：四个问题出发进行突破四组方案讨论对比→铝水反应的条件，铝的粒径影响 学生讨论提出假设→查阅资料设计方案→优化方案→实验探究→解释评价 铝和水反应吗 水和氢氧化钠谁是氧化剂 铝和氢氧化钠溶液反应原理 结合教材，讨论，初步认识铝和氢氧化钠溶液反应实质 学生讨论提出猜想→查阅资料设计方案→实验探究→解释评价 铝和水反应产物 学生讨论提出假设→查阅资料设计方案→优化方案→实验探究→解释评价 铝和氢氧化钠反应吗 学生查阅资料→制定方案→方案评价→优化方案→实验探究→解释评价 铝水电池 下一页 三组实验探究结合查阅文献，得出结论 课外拓展：铝粉和熔融氢氧化钠反应吗 微粒尺度对反应有巨大影响 5、 教学目标 （1） 教学目标： 1） 通过铝和水，铝和熔融氢氧化钠的实验，明确铝和氢氧化钠溶液反应的本质和规律的认识 2） 通过证明或证伪铝与水反应的猜想过程，认识微粒尺度的影响，发展了基于证据进行推理论证的能力，初步建立“宏观——微观——符号”三重表征 3） 通过提出问题，讨论、设计、优化与实验方案，深化自主合作探究与创造性解决问题的学科核心素养 （2） 评价目标： 1） 诊断并发展学生铝和氢氧化钠反应原理的认识水平（物质水平，微粒水平） 2） 诊断并发展学生的宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的核心素养。（微粒水平） 3） 诊断并发展学生物质性质的实验探究设计水平（孤立水平、系统水平） （1） 实验教学内容：铝和水反应吗，通过四组学生实验，探究铝和水是否反应，反应的条件是什么，铝的粒径，溶液的温度，表面的氧化膜都会影响铝和水的反应，铝的粒径大小影响反应的启动温度和反应速率。 （2） 铝和水反应生成什么？ （3） 铝和氢氧化钠反应吗，结合教材打磨铝片，说明铝和氢氧化钠溶液反应实质是铝和水的反应，氢氧化钠有去除铝表面氧化膜的作用。 （4） 铝水电池：铝和水反应生成氢氧化铝会附着在铝表面，导致电流强度减弱 OH-和Cl-对破坏铝片表面氧化膜有影响。 （5） 课外拓展：铝粉和熔融氢氧化钠能反应吗：铝的粒径不仅影响铝和水的反应，也影响铝和熔融氢氧化钠的反应，说明微粒的尺度对反应会有巨大的影响。 6、 7、 实验教学过程： （一）探究一：铝和水能反应吗 学生实验：铝和水能够发生反应吗,学生将一片铝片加入常温蒸馏水中，发现无明显现象见图1 学生猜想：不反应，金属活动性弱于镁。反应,但表面有氧化膜，阻碍和水的反应 方案1讨论：打磨铝片，加入常温蒸馏水中，仍然无现象（见图2）。图2 优化方案：将一半打磨一半未打磨的铝片加入常温蒸馏水中，用酒精灯加热，用温度传感器监控温度，现象：加热至80℃，铝片表面有少量气泡溢出（见图3）。图3 方案2讨论：用化学除膜法，将铝片事先用氢氧化钠浸泡，除去表面氧化摸，冲洗掉表面残余碱液，加入80℃水中，现象：表面无明显现象。 优化方案：减少铝片和空气的接触，设计装置（见图4、5），图4图5最后选用注射器作为反应装置，吸取碱液，除去铝片表面氧化膜，排出废液，重新吸取热水洗去表面残余碱液，重复三到四次，最后吸取80℃热水于注射器中，现象：铝片表面有少量气泡溢出（见图6）。图6 方案3讨论：为了加快速率，考虑铝片改为铝粉增大接触面积加快速率，将铝粉加入常温蒸馏水中，用酒精灯加热，用温度传感器监控温度，现象：40℃产生少量气泡，55℃产生大量气泡（见图7）图7 方案4讨论：学生查阅铝水反应资料发现将铝制成铝镓合金，铝汞齐与水接触，反应明显。尝试制备出铝汞齐用微型化装置与水反应。考虑实验安全，由教师实验，学生观察（见图8）图8 学生讨论：学生将四组方案和实验现象进行对比讨论（见表1） 实验方案 ①物理打磨 ②热水80℃ ①氢氧化钠除膜 ②热水80℃ ①铝粉 ②热水40℃ 铝汞齐 实验现象 铝片表面有少量气泡 铝片表面有少量气泡 40℃产生少量气泡 55℃产生大量气泡 常温下即刻产生气泡 表2 分析与结论：铝和水能反应，需要一定的条件，且铝的粒径可能影响反应的启动温度。 提出问题：铝和水反应的产物是什么？ 猜想假设：根据活泼金属与水反应生成对应氢氧化物和氢气，推测铝和水反应生成氢氧化铝和氢气。 验证猜想：由于前面铝粉和水反应加热至后期，看到溶液上方呈半透明状，推测可能生成氢氧化铝胶体，利用是否有丁达尔效应判断氢氧化铝胶体的生成，根据铁粉和水反应用肥皂水收集并检验氢气，想到同样可以用肥皂水收集氢气并点燃。现象：用光照射上层溶液，有光亮通路，用肥皂水收集氢气并点燃有爆鸣声（见图9、10）。图9图10 猜想：既然铝和水反生成氢氧化铝和氢气，那么铝和氢氧化钠溶液的反应实质是铝和水的反应，还是铝和氢氧化钠的反应，还是氢氧化钠和水都做氧化剂呢 提出问题：基于以上猜想学生提出疑问铝和氢氧化钠反应吗，通过讨论，学生提出实验方案，（二）探究二：铝和氢氧化钠反应吗 方案1讨论：考虑无水体系，配置氢氧化钠的乙醇溶液和铝混合。 方案评价：查阅大量资料发现铝和乙醇可以发生反应，该方案不合适，学生再次讨论 方案2讨论：查阅资料发现，铝的熔点660℃，氢氧化钠的熔点318℃，用铝片和熔融氢氧化钠看是否发生反应 优化方案：用铝片自制铝锅，加入氢氧化钠，点燃酒精灯加热，现象：观察到氢氧化钠融化过程中有少量气泡（查阅资料发现，是由于氢氧化钠有少量水的存在，导致有少量氢气产生），加热融化完全，无明显现象（见图11） 分析与结论：铝片和熔融氢氧化钠在此条件下不发生反应。 分析与讨论：通过探究一和探究二学生讨论认为铝和水反应，铝片和熔融氢氧化钠在此条件下不反应，结合人教版教材实验打磨铝片比未打磨铝片与氢氧化钠溶液反应更快产生气泡，认为铝和氢氧化钠溶液反应实质是铝和水的反应，氢氧化钠有去除铝表面氧化膜的作用。 （三）探究三：铝水电池 学生查阅资料发现铝水电池，学生在查阅铝水反应资料时还发现了铝水电池，想到可以利用铝水反应设计成原电池装置。 方案讨论：这是学生讨论后其中一组同学设计的双液原电池装置（见图12）。 图12 用饱和的硝酸钾制备盐桥，在实验开始前，学生已经做过实验铝片和硝酸钾不发生反应。 方案优化：另外一组同学在前面一组同学的基础上改进了实验装置（见图13）， 图13 铝水电池优点：（1）克服铝片和水反应的温度限制（2）控制了铝水反应的接触面积（3）.明显的电流计指针偏转，便于监测氢氧化铝在铝表面的附着（4）.便于探究离子在铝水反应中的作用（5）.实验装置微型化：所用试剂少，操作过程中变量少，结果准确可重复率高 方案讨论：双液原电池铝片铜片两端加入蒸馏水（实际硝酸钾溶液，因为盐桥使用的饱和硝酸钾），接入灵敏电流计，观察记录电流强度。滴加几滴0.1mol/L氢氧化钠溶液，观察电流计偏转。滴加几滴0.05mol/L硫酸，观察电流计偏转，滴加几滴0.1mol/L氯化钠溶液，观察电流计偏转。见表2 铝水电池负极溶液 蒸馏水 滴加2滴0.1mol/L的NaOH溶液 滴加2滴0.05mol/L的H2SO4溶液 滴加2滴0.1mol/L的NaCl溶液 灵敏电流计 偏转后缓慢减小 迅速增大 减小 增大 表2 分析与结论：通过铝水电池实验，学生推测：铝和水反应生成氢氧化铝会附着在铝表面，导致电流强度减弱，OH-和Cl-对破坏铝片表面氧化膜有影响 实验总结：通过以上三组探究结合文献，学生可以初步形成以下结论 （1）铝和水能够发生反应，铝的粒径影响反应的启动温度和反应速率。 （2）不同浓度氢氧化钠溶液对铝表面氧化膜的腐蚀作用，证实铝和氢氧化钠溶液反应的实质是是铝和水的反应，氢氧化钠起到去掉表面的氧化膜作用 （3）铝和氢氧化钠溶液反应，真正的氧化剂是水，氢氧根与氧化铝作用形成四羟基合铝酸根，促进铝水反应。 实验拓展：猜想：学生分析，既然铝的粒径对反应有影响，而在探究二中只对铝片和熔融氢氧化钠是否反应进行探究，改为铝粉和熔融氢氧化钠混合会有现象发生吗？ 方案讨论：将铝粉和氢氧化钠进行烘干，先将氢氧化钠融化在镍坩埚中，再加入烘干的铝粉，现象：发现产生大量气泡（见图14）。图14 结论：铝的粒径不仅影响铝和水的反应，也影响铝和熔融氢氧化钠的反应，说明微粒的尺度对反应会有巨大的影响 8、 实验效果评价： 本节实验探究活动实验操作简单，现象明显。学生通过实验探究（1）.对反应实质有了更深入的认识（2）.对微粒尺度在反应中起到的作用有了初步体会（3）.实现了小组的互学互评，获得更优化的实验方案（4）.利用文献查阅、资料分析、教师指导、学生互学互助，学生的科学探究、创新意识、证据推理、科学态度的学科素养得到了发展。 学科网（北京）股份有限公司 $$