论文部分内容阅读
【摘 要】针对“温度对化学反应速率影响”实验中出现的异常现象进行分析,认真探究其原因,可以让我们体会发现问题、提出猜想、进行验证并得出结论的探究过程,使我们探究、解决问题的能力得以培养。
【關键词】温度;化学反应速率;实验;探究式教学
一、背景
新一轮课改倡导我们在老师指导下进行自主探究式学习,其目的在于引导我们积极、主动地发现问题、分析问题和解决问题,从而促进我们在知识和技能的形成过程中,发展其综合能力。化学是一门以实验为基础的自然学科,实验是化学教学的重要内容,是我们进行探究性学习的重要载体。
关于“温度对化学反应速率影响”实验,是根据碘酸钾与亚硫酸氢钠在酸性条件下反应生成单质碘,碘遇淀粉变蓝色的实验原理,在保持其他条件不变的情况下,改变反应温度,记录在不同温度下,溶液变为蓝色所需的时间,根据时间的变化趋势来说明温度对化学反应速率的影响。其化学反应方程式如下:
2KIO3 + 5NaHSO3 → K2SO4 + Na2SO4 + 3NaHSO4 +I2↓+ H2O
长期以来,老师们对这部分内容基本是采用验证式的教学方式来实施教学的,我们按照规定的步骤进行操作最后都能得到“预期的结果”。在一次实验中,我和我组的同学并未按要求进行操作(本实验要求在室温、比室温高10℃、比室温高15℃的条件下进行),而是将碘酸钾与亚硫酸氢钠溶液加热至比室温高50℃,然后再混合,使其反应。结果,过了很长时间溶液也没变成预期的蓝色,我们感到很困惑:根据范特霍夫规则,当其他条件不变时,升高温度,可以增大反应速率,即温度越高,溶液变成蓝色所需的时间越短,怎么会不变蓝色呢?。此时,老师若直接告诉我们答案,我们表面上的疑虑消除了,但只是被动地接受了知识,缺少主动性,缺失了分析问题、解决问题能力的培养,显然与新课改的要求不符。所以,针对这一意外情况下发生的异常实验现象,老师应该引导我们带着问题去图书馆、阅览室、网络查找相关资料,旨在培养我们探究、解决问题的能力。
二、探究过程
(一)提出问题
在我们课前进行充分准备的基础上,老师可针对上次实验中意外发现的异常实验现象:温度过高,溶液不变蓝色,将我们分为若干个小组,引导我们进行实验探究。
1.实验准备
试剂:0.02mol.L-1NaHSO3(每升溶液含可溶性淀粉2.5克)、0.02mol.L-1KIO3 (每升溶液中含6mol.L-1硫酸4ml)。
仪器:数显恒温水浴锅、磁力搅拌器、秒表、试管、烧杯、玻璃棒等。
2.实验过程
步骤及实验记录:
(1)取10ml NaHSO3溶液加入试管中;
(2)取30ml KIO3溶液和10ml水加入烧杯中;
(3)将试管和烧杯同时放入恒温水浴锅中(水浴锅中事先加好水),温度设置在10℃;
(4)当温度显示10℃时,将NaHSO3溶液迅速倒入KIO3溶液中,并不断搅拌溶液,记下溶液变成蓝色所需的时间。
按同样方法,在15℃、20℃、25℃等条件下实验,记下溶液变成蓝色所需的时间,列于下表:
由上表可知:当反应温度T≤30℃时,溶液变成蓝色所需的时间,随温度升高而逐渐缩短(完全符合范特霍夫规则);当反应温度T>30℃时,溶液变成蓝色所需的时间,随温度升高反而逐渐增长;当反应温度T≥ 55℃时,溶液不再变蓝色。
通过上述实验,我们会产生疑问:当反应温度T>30℃时,溶液变成蓝色所需的时间为什么随温度升高反而逐渐增长?升温至55℃时,溶液为什么不变蓝色呢?
(二)分析与猜想
根据已有的知识结构和实践经验,我们可积极思考、认真讨论、仔细分析碘酸钾和亚硫酸氢钠在酸性溶液中发生的一些反应,离子反应式如下:
1.IO3-+3HSO3-→3SO42-+3H++I-(慢)
2.IO3-+5I-+6H+3→I2 ↓+3H2O(慢)
3.I2+HSO3-+H2O→2I-+SO42—+3H+(快)
以上反应速率是(3)>(2)>(1),反应速率由(1)(2)决定,I-被IO3-氧化生成单质的I2,而同时单质的I2又被还原成I-,只有当HSO3-被全部反应,溶液中才会有单质的I2存在,遇到淀粉溶液才变蓝色。上述实验中加入的碘酸钾和亚硫酸氢钠的摩尔比为3:1,碘酸钾过量,亚硫酸氢钠被完全反应,溶液中应该有I2存在,溶液应该出现蓝色。为什么会出现上述异常现象呢?我们最先想到的原因是:I2在逐渐减少,而I2减少的原因可能是:I2易升华,随着温度升高,反应生成的I2从溶液中慢慢逸出。
通过思考和探究,我们最终明白了I2遇到淀粉溶液之所以变成蓝色的原因:淀粉为白色无定形粉末,由10%~30%的直链淀粉和70%~90%的支链淀粉组成,其中的直链淀粉具有遇I2变蓝色的特性。溶于水中的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状,螺旋状结构中有一定的空腔,I2分子很小,能钻入空隙中,于是I2分子借助范德华力与直链淀粉联系在一起,形成蓝色的管道形包合物。根据之前所学知识,我们清楚知道范德华力是存在于分子间的一种作用力,它比化学键弱得多。所以由此猜想:I2与淀粉结合生成的蓝色管道形包合物的热稳定性较差。
(三)验证猜想
1.为验证I2是否随着反应温度升高而从溶液中慢慢逸出,经思考和讨论设计了以下装置,见图1:
三角漏斗内侧放置一张被淀粉溶液湿润过的圆形滤纸,滤纸大小基本与漏斗体积相吻合。当碘酸钾与亚硫酸氢钠溶液分别加热至55℃时,将亚硫酸氢钠溶液立即倒入碘酸钾溶液中,开动磁力搅拌器的同时,将漏斗迅速倒扣在烧杯上方。过几分钟后观察漏斗内侧的滤纸,如果有I2逸出,滤纸应该会变蓝。
实验现象:滤纸不变蓝。
2.为验证碘与淀粉结合生成的蓝色包合物的热稳定性,经过讨论,学生设计了如下装置,见图2:
取3~5ml碘与淀粉形成的蓝色溶液加入试管中,再将试管放入盛有水的烧杯中进行水浴加热,并在试管旁放一温度计,使温度计球形部分与试管溶液的中部保持在同一高度。
实验现象:蓝色溶液加热至35℃时,颜色开始变浅;加热至40℃~45℃时,溶液呈浅蓝色;加热至53℃时,蓝色完全消失。取出试管,放在盛有冷水的烧杯中冷却,蓝色很快恢复。
(四)结论
通过分析、猜想、实验后证明:当反应温度T>30℃时,溶液出现蓝色所需的时间随温度升高而逐渐增长;当反应温度T≥ 55℃时,溶液不再变蓝色的原因是I2与淀粉形成的蓝色管道形包合物热稳定性较差。
三、结 语
这种探究性实验,我们积极思考、热烈讨论、大胆发表自己的见解,真正成为了解决问题的一份子,在这样的学习氛围中,我们真正感受到自己是学习的主人,是课堂学习活动的主体,这样不断提高了我们的学习效率,而且培养和提升了我们解决问题的能力。
【關键词】温度;化学反应速率;实验;探究式教学
一、背景
新一轮课改倡导我们在老师指导下进行自主探究式学习,其目的在于引导我们积极、主动地发现问题、分析问题和解决问题,从而促进我们在知识和技能的形成过程中,发展其综合能力。化学是一门以实验为基础的自然学科,实验是化学教学的重要内容,是我们进行探究性学习的重要载体。
关于“温度对化学反应速率影响”实验,是根据碘酸钾与亚硫酸氢钠在酸性条件下反应生成单质碘,碘遇淀粉变蓝色的实验原理,在保持其他条件不变的情况下,改变反应温度,记录在不同温度下,溶液变为蓝色所需的时间,根据时间的变化趋势来说明温度对化学反应速率的影响。其化学反应方程式如下:
2KIO3 + 5NaHSO3 → K2SO4 + Na2SO4 + 3NaHSO4 +I2↓+ H2O
长期以来,老师们对这部分内容基本是采用验证式的教学方式来实施教学的,我们按照规定的步骤进行操作最后都能得到“预期的结果”。在一次实验中,我和我组的同学并未按要求进行操作(本实验要求在室温、比室温高10℃、比室温高15℃的条件下进行),而是将碘酸钾与亚硫酸氢钠溶液加热至比室温高50℃,然后再混合,使其反应。结果,过了很长时间溶液也没变成预期的蓝色,我们感到很困惑:根据范特霍夫规则,当其他条件不变时,升高温度,可以增大反应速率,即温度越高,溶液变成蓝色所需的时间越短,怎么会不变蓝色呢?。此时,老师若直接告诉我们答案,我们表面上的疑虑消除了,但只是被动地接受了知识,缺少主动性,缺失了分析问题、解决问题能力的培养,显然与新课改的要求不符。所以,针对这一意外情况下发生的异常实验现象,老师应该引导我们带着问题去图书馆、阅览室、网络查找相关资料,旨在培养我们探究、解决问题的能力。
二、探究过程
(一)提出问题
在我们课前进行充分准备的基础上,老师可针对上次实验中意外发现的异常实验现象:温度过高,溶液不变蓝色,将我们分为若干个小组,引导我们进行实验探究。
1.实验准备
试剂:0.02mol.L-1NaHSO3(每升溶液含可溶性淀粉2.5克)、0.02mol.L-1KIO3 (每升溶液中含6mol.L-1硫酸4ml)。
仪器:数显恒温水浴锅、磁力搅拌器、秒表、试管、烧杯、玻璃棒等。
2.实验过程
步骤及实验记录:
(1)取10ml NaHSO3溶液加入试管中;
(2)取30ml KIO3溶液和10ml水加入烧杯中;
(3)将试管和烧杯同时放入恒温水浴锅中(水浴锅中事先加好水),温度设置在10℃;
(4)当温度显示10℃时,将NaHSO3溶液迅速倒入KIO3溶液中,并不断搅拌溶液,记下溶液变成蓝色所需的时间。
按同样方法,在15℃、20℃、25℃等条件下实验,记下溶液变成蓝色所需的时间,列于下表:
由上表可知:当反应温度T≤30℃时,溶液变成蓝色所需的时间,随温度升高而逐渐缩短(完全符合范特霍夫规则);当反应温度T>30℃时,溶液变成蓝色所需的时间,随温度升高反而逐渐增长;当反应温度T≥ 55℃时,溶液不再变蓝色。
通过上述实验,我们会产生疑问:当反应温度T>30℃时,溶液变成蓝色所需的时间为什么随温度升高反而逐渐增长?升温至55℃时,溶液为什么不变蓝色呢?
(二)分析与猜想
根据已有的知识结构和实践经验,我们可积极思考、认真讨论、仔细分析碘酸钾和亚硫酸氢钠在酸性溶液中发生的一些反应,离子反应式如下:
1.IO3-+3HSO3-→3SO42-+3H++I-(慢)
2.IO3-+5I-+6H+3→I2 ↓+3H2O(慢)
3.I2+HSO3-+H2O→2I-+SO42—+3H+(快)
以上反应速率是(3)>(2)>(1),反应速率由(1)(2)决定,I-被IO3-氧化生成单质的I2,而同时单质的I2又被还原成I-,只有当HSO3-被全部反应,溶液中才会有单质的I2存在,遇到淀粉溶液才变蓝色。上述实验中加入的碘酸钾和亚硫酸氢钠的摩尔比为3:1,碘酸钾过量,亚硫酸氢钠被完全反应,溶液中应该有I2存在,溶液应该出现蓝色。为什么会出现上述异常现象呢?我们最先想到的原因是:I2在逐渐减少,而I2减少的原因可能是:I2易升华,随着温度升高,反应生成的I2从溶液中慢慢逸出。
通过思考和探究,我们最终明白了I2遇到淀粉溶液之所以变成蓝色的原因:淀粉为白色无定形粉末,由10%~30%的直链淀粉和70%~90%的支链淀粉组成,其中的直链淀粉具有遇I2变蓝色的特性。溶于水中的直链淀粉借助分子内的氢键卷曲成螺旋状,螺旋状结构中有一定的空腔,I2分子很小,能钻入空隙中,于是I2分子借助范德华力与直链淀粉联系在一起,形成蓝色的管道形包合物。根据之前所学知识,我们清楚知道范德华力是存在于分子间的一种作用力,它比化学键弱得多。所以由此猜想:I2与淀粉结合生成的蓝色管道形包合物的热稳定性较差。
(三)验证猜想
1.为验证I2是否随着反应温度升高而从溶液中慢慢逸出,经思考和讨论设计了以下装置,见图1:
三角漏斗内侧放置一张被淀粉溶液湿润过的圆形滤纸,滤纸大小基本与漏斗体积相吻合。当碘酸钾与亚硫酸氢钠溶液分别加热至55℃时,将亚硫酸氢钠溶液立即倒入碘酸钾溶液中,开动磁力搅拌器的同时,将漏斗迅速倒扣在烧杯上方。过几分钟后观察漏斗内侧的滤纸,如果有I2逸出,滤纸应该会变蓝。
实验现象:滤纸不变蓝。
2.为验证碘与淀粉结合生成的蓝色包合物的热稳定性,经过讨论,学生设计了如下装置,见图2:
取3~5ml碘与淀粉形成的蓝色溶液加入试管中,再将试管放入盛有水的烧杯中进行水浴加热,并在试管旁放一温度计,使温度计球形部分与试管溶液的中部保持在同一高度。
实验现象:蓝色溶液加热至35℃时,颜色开始变浅;加热至40℃~45℃时,溶液呈浅蓝色;加热至53℃时,蓝色完全消失。取出试管,放在盛有冷水的烧杯中冷却,蓝色很快恢复。
(四)结论
通过分析、猜想、实验后证明:当反应温度T>30℃时,溶液出现蓝色所需的时间随温度升高而逐渐增长;当反应温度T≥ 55℃时,溶液不再变蓝色的原因是I2与淀粉形成的蓝色管道形包合物热稳定性较差。
三、结 语
这种探究性实验,我们积极思考、热烈讨论、大胆发表自己的见解,真正成为了解决问题的一份子,在这样的学习氛围中,我们真正感受到自己是学习的主人,是课堂学习活动的主体,这样不断提高了我们的学习效率,而且培养和提升了我们解决问题的能力。