1、*江西省教育科学“十三五”规划课题“双一流背景下化学综合知识体系建构及创新性人才的培养”(课题编号:1 9 Y B 0 1 8);江西师范大学教改课题“双一流背景下创新性和高水平化学人才培养体系研究”(课题编号:J X S D J G 1 8 4 0)*通信联系人,曾承辉,E-m a i l:c h e n g h u i z e n g j x n u.e d u.c n;陈义旺,E-m a i l:y w c h e n n c u.e d u.c n促进化学学科能力发展的化学平衡教学实验设计*三价铁离子与碘离子的反应杨 杰 曾承辉*陈义旺*(江西师范大学化学化工学院 江西南昌 3 3 0
2、 0 2 2)摘要 针对教材中“F e C l3溶液和K I溶液的可逆反应”进行实验改进:在F e2(S O4)3和K I的反应液中加入C C l4,利用有机相显色的深浅指示此反应生成碘含量的多少,将温度、浓度调控可逆反应平衡移动的过程可视化。进一步设置此反应的投料比,经过“萃取-反萃取-滴定-计算”4个过程,获得提升I-转化率的最佳条件。该实验综合性强,知识的联结度高,学生在探究过程中历经辨识理解、应用实践、迁移创新等阶段,逐步发展化学变化观念与平衡思想。关键词 化学平衡 化学学科能力 实验设计 酸碱中和滴定D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x
3、j y.2 0 2 2 0 7 0 2 1 4 1 问题的提出1.1 化学学科能力与核心素养的关系化学学科核心素养从正确的价值观念、必备品格和关键能力等3大维度出发,为学生的发展标定了大方向1;化学学科能力是指学生顺利进行化学学科认识活动和学科问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制,其包含了学生对化学学科的学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力2。由此可见,发展化学学科能力是培养化学学科核心素养的重要一环。教师在实验教学中,不仅要关注操作的准确性和知识本身的逻辑,更要在真实的问题情境下有意引导学生历经“辨识理解”“应用实践”“迁移创新”的全过程,逐步稳固学生解决复杂问题的心理特征,落实化学
4、学科能力的培养3。1.2 教材实验与现有研究分析鲁科版、苏教版化学必修第二册4-5均设置了2 F e3+2 I-I2+2 F e2+反应(以下简称F e3+/I-反应)来认识化学反应具有限度,但实验步骤略有不同:鲁科版教材选择将K S C N溶液直接滴入反应液;而苏教版教材先用苯多次萃取反应液中的I2,再取分液后的水相滴加K S C N溶液,2者均以溶液变红证明F e3+/I-反应具有限度,但后者颜色突变更明显,现象更为直观。P a v e l A n a t o l y e v i c h N i k o l a y c h u k等人采用简单廉价的方法研究水溶液中的化学平衡,用硝酸银溶液滴
5、定F e2(S O4)3与K I反应后的溶液,确定了反应达到平衡所需的时间,并计算出此反应在不同温度下的平衡常数6。毕晓昀等利用黑枸杞在水中的显色反应探究p H、温度等条件调控化学平衡移动的过程7。赖瑶等在花青素溶液和重铬酸钾溶液中加入阳离子交换树脂,应用C o l o r G r a b软件制作R G B色卡,判断氢离子浓度对化学平衡的影响8。1.3 本研究目标化学平衡是培养学生“变化观念与平衡思想”素养的关键部分,其内容丰富、概念抽象,需要结合实验事实和原理分析各种因素对平衡移动造成的影响,学生容易产生大量迷思概念,因此在教学研究中不能只重视理论,应打破教材限制,结合信息技术对化学平衡相关
6、实验进行创新设计9-1 2。受上述研究启发,本文针对教材实验“F e3+/I-反应”进行再设计:使用四氯化碳萃取F e3+/I-反应液,使用P h o t o s h o p软件把有机相的颜色转化为R G B值,将温度、浓度调控化学平衡移动的过程可视化;巧设疑障,结合元素化合物知识分析复杂情境,培养学生利用综合知识解决具体问题的能力;引入酸碱滴定,定量计算反应生成碘的含量,得出“投料比I-转化率”的关系;以化学学科能力发展为目标,建构“化学平衡”教学实验设计思维导图。1012 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e
7、m s o c.o r g.c n)2 探究影响F e3+/I-反应平衡移动的因素2.1 探究浓度对F e3+/I-反应平衡移动的影响【提出问题】如何通过实验证明2 F e3+2 I-I2+2 F e2+反应存在限度,属于可逆反应?如何观察到浓度调控此反应平衡移动的过程?【设计实验】实验1至实验4的操作流程示意图如图1所示。F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f o p e r a t i o n f l o w o f t h e e x p e r i m e n t s f r o m o n e t o f o u r图1 实验1至实验4
8、的操作流程示意图 实验1:向小烧杯中加入0.5 m L 0.0 5 m o l/L的F e2(S O4)3溶液、0.5 m L 0.1 m o l/L的K I溶液、4.0 m L蒸馏水,静置2 5.0 m i n,反应平衡后加入5.0 m L C C l41 3,萃取后用分液漏斗分液,取水相再加入等量C C l4连续操作2次,将 有机相1、有机相2、有机相3分别转移至3支试管中(2 0 mm 2 0 0 mm),对比颜色深浅。用胶头滴管各吸5滴 水相3于反应板的两格中,分别向其中加入少量淀粉和1滴K S C N溶液,观察颜色变化。实验2:在 水相3中加入0.5 g K I固体,振荡均匀后再次加
9、入5.0 m L C C l4,分液后观察 有机相4的颜色。实验3:合并 水相4与 有机相4于烧杯中,加入1.0 g铁粉,放入磁子进行磁力搅拌,待反应完毕后,用镊子取出磁子(吸附了多余的铁粉,如图2 f所示),将 混合液1全部倒入试管,观察两相颜色。实验4:在实验3试管中加入0.5 m L 1 0%的F e2(S O4)3溶液,振荡均匀,观察 混合液2中两相颜色。【现象说明与分析论证】结合实验现象(图2),借助C C l4萃取I2后有机相的颜色深度,判断浓度调控F e3+/I-反应体系平衡移动的方向。具体分析见表1。F i g.2 I n f l u e n c e o f c o n c e
10、 n t r a t i o n o n e q u i l i b r i u m m o v e m e n t o f F e3+/I-r e a c t i o n图2 浓度对F e3+/I-反应平衡移动的影响201化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期表1 分析论证浓度对F e3+/I-反应平衡移动的影响T a b l e 1 T h e i n f l u e n c e o f c o n c e n t r a t i o n o n e q u i l i b
11、 r i u m m o v e m e n t o f F e3+/I-r e a c t i o n i s a n a l y z e d a n d d e m o n s t r a t e d现象说明分析论证实验1萃取次数越多,有机相颜色越浅(如图2 a,2 b,2 c所示),水相3遇K S C N溶液变为血红色(见图2 d下),遇支链淀粉变紫色(见图2 d上)反应物F e3+与I-的浓度之比和反应系数比均为11,放置2 5.0 m i n确保反应达到平衡。萃取的过程实质上就是在反应体系内不断地移出I2,减少生成物浓度后,反应最初的平衡被打破,并向I2浓度增大的方向(正向)移动,但
12、平衡移动产生的I2并不能补足因萃取而减少的那一部分。反应液在经过3次萃取后仍能同时检出F e3+和I2,说明F e3+/I-反应存在限度,无法进行到底实验2加入K I固体后,有机相4(图2 e)颜色明显加深增大反应物I-的浓度后,平衡向减小I-浓度的方向(正向)移动实验3搅拌过程中有气泡冒出,且溶液颜色逐渐变浅,反应结束后全部倒入试管观察,混合液1上层水溶液显浅绿色(图2 g上);下层有机相显无色(图2 g下)磁力搅拌增加了有机相中的溶质碘与水的接触面积,存在微弱反应I2+H2OH I+H I O,由于溶液呈酸性,发生反应F e+2 H+F e2+H2,导致溶液中c(H+)降低,促 使 碘 与
13、 水 的 反 应 向 正 方 向 移 动,且H I O不 稳 定 易 歧 化:3 H I O3 H+2 I-+I O-31 4,I O-3具有氧化F e2+的能力:2 I O-3+1 0 F e2+1 2 H+1 0 F e3+I2+6 H2O,而又由于铁粉过量则2 F e3+F e3 F e2+,因此,I2与F e3+在往复循环中被耗尽,余下I-和F e2+实验4 混合液2上层水溶液显深红棕色(图2 h上),下层有机相呈洋红色(图2 h下)实验4开始时水相中的c(I-),c(F e2+),c(F e3+)比实验一开始时都要高,此情况下,增大反应物浓度c(I-)和c(F e3+)促使反应正向移
14、动的程度比增大生成物浓度c(F e2+)促使反应逆向移动的程度更大2.2 探究温度对F e3+/I-反应平衡移动的影响【提出问题】有学生认为,在2 F e3+2 I-I2+2 F e2+反应达到平衡后,可直接加入K S C N溶液,通过血红色深浅判断温度对此反应平衡移动的影响。但事实上,只要F e3+的浓度不低于1.01 0-3 m o l/L,滴加K S C N溶液后血红色就非常明显1 5,因此这种方法不便观察。【设计实验】实验5:操作流程如图3所示。常温下,向试管(2 0 mm2 0 0 mm)中 分 别 加 入1.0 m L 0.0 5 m o l/L的F e2(S O4)3溶液、1.0
15、 m L 0.1 m o l/L的K I溶液和2.0 m L水,振荡均匀,使用酒精灯加热至试管口冒出大量紫烟,如图4 c所示,用胶头滴管各吸取1.5 m L反应液于2支小试管(1 5 m m1 5 0 m m)中,再分别置于冰水混合物、4 5 条件下水浴,并于2 5.0 m i n后立即向2支试管中加入1.0 m L C C l4,比较 有机相5、有机相6的颜色深浅。F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f o p e r a t i o n f l o w o f t h e e x p e r i m e n t 5图3 实验5的操作流程示意图
16、【现象说明与分析论证】实验现象如图4所示,分析论证见表2。F i g.4 I n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e o n e q u i l i b r i u m m o v e m e n t o f F e3+/I-r e a c t i o n图4 温度对F e3+/I-反应平衡移动的影响3012 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)表2 分析论证温度对F e3+/I-反应平衡移动的影响T a b l e 2 T h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e o n e q u i l i b r i u m m o v e m e n t o f F e3+/I-r e a c t i o n i s a n a l y z e d a n d d e m o n s t r a t e d现象说明分析论证实验5 有机相6(图4 b下)比 有 机 相5(图4 a下
