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实验室模拟酸雨形成条件的设计

2019-03-22苑凌云李鼎岳文虹

化学教学 2019年2期
关键词:数字化实验酸雨二氧化硫

苑凌云 李鼎 岳文虹

摘要: 基于POE(预测-观察-解释)教学策略,通过数字化实验手段模拟大自然中酸雨形成的真实发生过程,结合相关资料,为学生对酸雨的形成、二氧化硫和酸雨的重要联系、二氧化硫的性质及催化氧化的条件等构建较为全面的认识,使学生学到的不仅仅是知识,更是普适于大多数问题的一种研究方法,从而发展学生科学探究的技能。

关键词: 酸雨; 二氧化硫; POE教学策略; 数字化实验; 实验探究

文章编号: 1005-6629(2019)2-0058-04            中图分类号: G633.8            文献标识码: B

1  问题的提出

如今迅猛发展的化学已成为生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等领域的重要基础,在解决人类社会发展中面临的有关问题、提高人类的生活质量、促使人与自然和谐相处等方面发挥着重要作用[1]。高中化学课程作为科学教育的重要组成部分,对提高学生的科学素养、促进学生全面发展有着不可替代的作用。高中化学课程标准明确指出“从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发,帮助学生认识化学與人

类生活的密切关系,关注人类面临的与化学相关的社会问题,培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”。

随着工业的发展、科技的进步,世界面临着日趋严重的环境问题,酸雨就是全球十大环境问题中的一例,尤其我国长江以南地区,酸雨肆虐,已

经成为世界三大酸雨区之一[2],给地球生态环境和社会生产经济都带来了严重的影响和破坏。高中化学课本在“硫及其化合物”一节中用了大量篇幅叙述二氧化硫和酸雨的重要联系,把化学与我们的日常生活紧密结合起来,以期学生能够主动以主人翁的意识去参与社会决策,增强学生对化学学科的认同感。但许多中学教师往往将酸雨问题处理为课外资料给学生进行知识补充,笔者认为此举不利于学生核心素养的发展和能力的培养。基于以上考虑,本次实验设计以社会问题“酸雨”作为背景,在实验室中模拟复杂多变的自然环境,从酸雨主要污染物二氧化硫的性质出发,探讨酸雨的形成过程,得出结论,真正把学生所学知识融入社会实践中。

2  POE策略在实验过程中的体现

实验是自然科学教育中不可或缺的一部分,也是科学家研究问题的有效途径,如何用好实验,真正体现实验之于教学的启发验证功能,是很多一线教师关心的问题。POE(预测-观察-解释)教学策略是建立在观察渗透理论、前概念、概念转变、建构主义等教育理论上的一种先进科学的实验演示策略。它以学生为主体,从问题出发,关注学生的前概念,并在实验进行过程中,通过学生主动积极的观察和解释实现其自我概念转变、知识建构等等[3],使得学生学到的不仅仅是知识,更是普适于大多数问题的一种研究方法。

本次实验将遵循POE教学策略,具体实施过程如下:

2.1  P—预测

教学设计见表1。

2.2  O—观察

倘若要用传统实验验证二氧化硫到硫酸的转化过程,可以在验证二氧化硫溶于水生成亚硫酸时加入指示剂,在验证转化完成生成硫酸根离子时加入钡离子,但此时会有亚硫酸根离子的干扰,要想完成检验还得事先除去亚硫酸根离子。本实验要求是密封体系,所以这样操作不仅浪费药品,而且过程冗杂、浪费时间。综合以上考虑,设计了如下实验。

2.2.1  实验装置

实验装置见图1。

资料1: 酸雨中对酸度有影响的主要成分H2SO4,主要是排放到大气中的SO2经过二次污染转化而来的,即进入大气的SO2通过气相或液相氧化反应生成H2SO[4]4。SO2是由于化石燃料的大量燃烧造成的,那么酸雨中的H2SO4又是怎样由SO2转化而来的呢?推测SO2→H2SO4的转化路径: SO2SO3路径1H2SO4

H2SO3路径2H2SO4二氧化硫和氧气的反应需要加热、催化剂等苛刻条件,大气中具备这样的转化条件吗?

资料2: 由于人类活动和自然过程,还有许多气态或固态物质进入大气,如: 大气颗粒物中Fe、 Cu、 Mn、 V是使SO2氧化的催化剂,它们对酸雨的形成也产生影响。另外在大气中也极易出现高温环境[5]。请大家结合实际情况,选择合适的形成路线,设计装置,将自然界中酸雨的形成过程在实验室里模拟出来。基于简易性原则,选取不用催化剂、不需要加热的路径2在实验室里模拟,因此需要设计二氧化硫发生装置、氧气发生装置、酸雨形成装置进行实验;另外,由于二氧化硫是有刺激性气味的有毒气体,所以整套装置需密封。如果要保持装置密封,那怎样检验是否已经完成酸雨中二氧化硫到硫酸的转化了呢?

2.2.2  实验原理

要在体系密封的条件下验证SO2→H2SO3→H2SO4转化完成,选择采用数字化实验手段。蒸馏水呈中性,当向其中通入二氧化硫时生成亚硫酸,亚硫酸是中强酸,会在水溶液中部分电离使溶液呈酸性,当最终转化为硫酸时,由于硫酸全部电离使溶液酸性增强,因此只需要通过pH传感器观察pH的变化趋势即可监控反应的进行程度。

2.2.3  实验药品及说明

(1) 1号(二氧化硫发生)装置内盛装药品: 1.0g亚硫酸钠固体粉末(三颈烧瓶);4mL浓硫酸(恒压滴液漏斗)。

(2) 2号(酸雨形成)装置中装有蒸馏水及搅拌磁子,三颈瓶中口插有pH传感器,并配有相应的数据采集器和电脑分析软件。

(3) 3号(氧气发生)装置内盛装药品: 0.5g二氧化锰固体(三颈烧瓶);10mL 30%过氧化氢溶液(恒压滴液漏斗)。

说明: ① 可通过恒压滴液漏斗的活塞控制反应的进行,通过三通活塞控制气体的通断。

② 各反应瓶侧口安装气球,以保证密封装置在产生大量气体时不会发生安全事故。

2.2.4  实验步骤

(1) 观察pH计插入蒸馏水时的示数并记录。

(2) 打開1号二氧化硫发生装置的活塞,打开2号装置搅拌器,观察二氧化硫通入2号反应瓶后pH的曲线走向。

(3) 待pH稳定后,打开3号氧气发生装置的活塞(继续搅拌),观察氧气通入2号反应瓶后pH的曲线走向。

(4) 观察现象,分析数据。

2.2.5  实验现象

通入二氧化硫后pH迅速大幅下降;通入氧气后pH几乎不变(见图2)。

2.3  E—解释

由于二氧化硫易溶于水,且产物亚硫酸酸性较强,所以在水中通入二氧化硫后pH示数先会经历较大的跌落;通入氧气后,由于氧气在水中溶解度较小,且亚硫酸与氧气反应非常缓慢,所以pH几乎不变。

2.4  拓展延伸

[师]亚硫酸和氧气的反应是一个相对缓慢的过程,那么大自然中只有氧气可以氧化亚硫酸吗?

资料: 大气光化学反应产生的O3和H2O2等也是使H2SO3氧化的氧化剂,它们加快了酸雨形成速度,一天之内就可以在高空中扩散700多公里,所以酸雨危害不仅是区域性的,还会导致周边地区、甚至造成跨国境的更大范围受灾[6]。

[生]P—预测: 向反应后的溶液中通入过氧化氢,会使得亚硫酸的氧化速度加快,使pH下降得更明显。

[继续实验]O—观察: 向上述反应后的溶液中用注射器注入5mL30%过氧化氢溶液(通过酸雨形成装置中的气球注射,且注射后暂时不要将注射器抽出,防止体系中剩余的二氧化硫逸出)。

观察到pH变化见图3。

通过pH变化曲线可以看到,向体系内加入过氧化氢溶液后,pH变化明显。

E—解释: 根据初中实验“过氧化氢制取氧气”可知过氧化氢的氧化性强于氧气,而且可以与水以任意比例互溶,所以过氧化氢与亚硫酸的反应速率更快。

3  本实验设计的优点

3.1  巧妙采用数字化实验手段,简化了实验操作,放大了实验现象,实现化学实验教学的可视化,体现化学实验教学的绿色化、信息化和现代化

随着新课程改革的推进,追求实验教学手段的绿色化、信息化和现代化逐步成为化学实验教学的主流。本实验通过采用手持技术,一改传统实验的冗杂与繁复,仅仅通过观测pH曲线的走向就可准确判断和分析实验结果。在本实验中由于亚硫酸与氧化剂反应的pH变化比较微小,数字化实验的引入,不但减少了验证性试剂的使用,而且实验结果准确直观,过程简洁流畅,节约了大量的教学时间,有利于增强学生的学习兴趣,培养学生的信息化素养,实现教学方法的现代化。

3.2  运用化学第四重表征——曲线表征,有利于促成学生多维度、多层次表征能力的发展

自1982年苏格兰的约翰斯顿首次提出化学“三重表征”模式即宏观表征、微观表征、符号表征以来,三重表征就广泛应用于化学教学之中。近年来,随着手持技术的发展,钱扬义先生基于数字化实验即时收集数据和自动生成曲线的技术背景,于2009年首次提出“曲线表征”的定量分析方法,由此构建了化学“四重表征”的教学模式[7]。在本次实验设计中要求学生对用pH传感器得出的pH变化曲线进行数据分析与解释,由此判断酸雨形成路径的合理性,并进一步设想自然界中是否还有其他物质可以实现亚硫酸到硫酸的转化,使学生在定量分析的基础上对实验结果和自然转化有了一个更加准确的认识,落实了化学教学中的第四重表征,从而促成学生多维度、多层次表征能力的发展。

3.3  教学设计以“酸雨的形成过程及治理措施”为明线,二氧化硫的性质为暗线,充分体现“认知学徒制”的教学思想

认知学徒制是由美国认知心理学家柯林斯和布朗等人基于人类学家莱弗关于传统手工学徒制理论,于1989年提出的一种教学模式,它是指通过构建情境、搭建合适的脚手架,再在教师启发、指导过程中培养学生自主解决问题、反思延伸等高级技能[8]。本次实验设计遵循认知学徒制教学模式,紧密围绕酸雨问题,基于POE教学策略,以“酸雨的形成路径”为明线,二氧化硫的性质为暗线,将不可视的专家思维与核心知识点及真实情境有机结合起来,把课堂主动权还给学生,使学生浸润在专家式的真实逻辑推理过程之中。让学生综合各方面资料去自主预测、探究酸雨的形成过程,并通过手持技术在实验室里模拟大自然中酸雨真实形成的过程,经过对实验现象及可视化数据的观察分析,最终得出结论。培养了学生的高级思维和综合复杂环境下利用多种渠道解决问题的能力。这有利于他们将所学知识进行独立应用和技能迁移,为最终成长为一名具备科学素养的人才打下良好基础。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准(实验)[S]. 北京: 人民教育出版社, 2003.

[2]张新民, 柴发合, 王淑兰, 孙新章, 韩梅. 中国酸雨研究现状[J]. 环境科学研究, 2010, 23(5): 527~532.

[3]顾江鸿, 史小梅, 李春密. 预测-观察-解释——一种基于现代教育研究的演示策略[J]. 教育科学研究, 2009, (5): 54~57.

[4][5][6]薛梅. 酸雨的形成及其危害[J]. 内蒙古石油化工, 1999, (4): 108~102.

[7]田晓梅. 数字化实验应用于化学“四重表征”教学模式[J]. 天津教育, 2017,(5): 18~19.

[8]陈家刚. 认知学徒制二十年研究综述[J]. 远程教育杂志, 2010, 28(5): 97~104.

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