利用手持技术解决高中化学实验问题——以过氧化钠与水的反应为例

利用手持技术解决高中化学实验问题——以过氧化钠与水的反应为例

刘脉

天津市实验中学滨海学校  300480

摘要：以实验为基础的化学学科，在习题中也会经常设计实验，但宏观的实验现象存在解决实际问题的局限性，本文以钠与水反应的一道习题为出发点，借助手持技术帮助学生突破习题，揭示反应实质。 

关键词：高中化学；手持技术；实验探究

一、问题的提出

图1

在化学《五年高考–三年模拟》的专题十二——《钠、镁、铝及其化合物》中所呈现的一题如图1，是对学生过氧化钠与水反应历程的考察。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提到结合实验探究，了解钠及其重要化合物的主要性质[1]。人教版高中化学教材必修一《钠及其化合物》一节中设计了实验过氧化钠与水的反应，但是该反应的过程复杂,传统实验的宏观现象无法帮助学生捕捉到该反应的实质。本文通过借助手持技术[2]的使用，对图中的实验加以改进并控制不同温度，利用计算机软件绘制曲线的变化所呈现出动态的实验结果，可以将实验现象和实验过程同时展现，帮助学生形象直观地理解反应实质，是学生证据推理与实验探究的核心素养培养的重要体现。

二、实验药品与仪器

实验仪器:氧气传感器、500 mL三颈圆底烧瓶一只、药匙、小气球、50mL量筒、夹子、胶塞、水浴锅、温度计、铁架台、电脑、数据采集器。

药品:过氧化钠、酚酞指示剂、二氧化锰。

三、实验步骤

1.用分析天平称取1g左右的过氧化钠粉末，少量二氧化锰(约0.5 g)。

2.将三颈圆底烧瓶固定在铁架台上,将氧气传感器插在圆底烧瓶中，并连接数据采集器与电脑，调至软件界面，将参数设置好。

3.在三颈圆底烧瓶内加入过氧化钠粉末(约1 g)，一端塞紧胶塞，一端套上装有少量二氧化锰(约0.5 g)的气球，用夹子夹住备用。

4.（1）实验开始直接检测并记录三颈圆底烧瓶内氧气含量；（2）再往三颈圆烧瓶中加入50mL水，同时滴入1~2滴酚酞溶液，装上氧气传感器检测三颈圆底烧瓶内氧气的含量，并观察溶液颜色变化；（3）待颜色褪去后，打开夹子，加入小气球内的少量二氧化锰(约0.5 g)，用数据采集器收集数据，通过软件分析并以时间(t)为横轴、氧气的百分含量为纵轴作图。

5.分别通过控制温度0~5℃（冰水浴）、25℃（室温）、40~45℃左右（温水浴）按照步骤4进行实验，记录反应数据，得到一系列曲线图。

四、实验结果与讨论

1.实验现象        

室温下过氧化钠与水反应后的溶液遇酚酞变为红色，说明有碱性物质生成，即氢氧化钠；一段时间后红色褪去，颜色的褪去说明有强氧化性的物质生成；打开夹子，加入小气球内的少量二氧化锰，发现气球鼓起，并逐渐变大，说明过程中产生了气体。

2.实验数据分析：

表1 室温下加水后氧气的百分含量

表2 室温下加二氧化锰后氧气的百分含量

使用氧气传感器发现，得到室温下氧气百分含量的变化曲线，说明加入二氧化锰后，使气球鼓起的气体是氧气。依据表1、表2，并分析数据得出：未加水之前三颈圆底烧瓶里氧气的百分含量是23.6417%；当向过氧化钠里加水后,氧气的百分含量上升,最终在190.0s~205.0s期间氧气的百分含量达到32.4512%，不再变化出现平台。加入少量二氧化锰（205.0s）后，氧气的百分含量迅速升高，最终超过32.4512%。

通过曲线直观表明，在过氧化钠里加水后有氧气放出，当装置内氧气的百分含量不再改变时，再加入少量二氧化锰催化剂，再次有氧气放出，且氧气百分含量大于32.4512%，说明生成的具有强氧化性的中间产物是过氧化氢。

图2  2℃，25℃，44℃时氧气的百分含量变化曲线

如图2所知，即使温度很低，实验过程中很难控制0℃，且即使处于0℃，与过氧化钠反应的水也不可能达到0℃（0℃时水为固体）一定会具有温度，并且过氧化钠的化学性质非常活泼，所以很难控制反应不产生氧气，只是反应趋势较慢。

2℃、25℃、44℃温度下所呈现的变化趋势基本一致，开始过氧化钠与水反应，氧气百分含量呈上升趋势，然后出现平台，当再加入二氧化锰后，氧气百分含量继续呈上升趋势。

3. 实验探究结论

经过分析认为，关于开始在过氧化钠中加入水就有氧气生成，可能是这个反应放出的热量导致生成的过氧化氢分解，也可能是过氧化氢在氢氧化钠溶液中导致其分解,还有可能是当时所处的环境导致过氧化氢分解等因素所导致。

综上所述，过氧化钠与水反应的历程分两步进行。

第一步:Na2O2 +2H2O= 2NaOH + H2O2

第二步：2H2O2 =2H2O +O2↑

总反应:2Na2O2 +2H2O=4NaOH +O2↑。

五、用手持技术探究过氧化钠与水反应历程的优势与创新意义

高中生在学习过氧化钠与水的反应时,对反应中氢氧化钠、氧气、中间产物过氧化氢等生成物的感知比较抽象。传统实验只能测定静态的实验结果，而手持技术“实时监控”全过程，可以在学生面前呈现一幅动态的曲线，更加形象生动，对于化学四重表征中的微观表征和曲线表征更具独特的教学优势体现。传统实验中证明生成物时过程繁琐、操作复杂，手持技术操作简单，对实验者操作能力的要求不高。学生借助直观的实验事实证据进行实验历程的推理，不仅能够调动学生的探究兴趣，还可以在过程中提升思维分析能力，培养学生的探究意识和创新能力，有利于学生化学核心素养的培养。教育信息化对教育改革发展的作用不容忽视，而手持技术正是信息技术与化学教学的有效结合，从而提高教学质量和学生的学习效果。因此，手持技术在课堂上的运用是传统实验和传统讲授方式不能比拟的。

参考文献

1.中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准：2017 年版 2020 年修订 [S]．北京：人民教育出版社 ,2020．

2.吴荣华,孙彦雁,李京津,李斌.基于手持技术及虚拟实验的四重表征模式构建及评估[J].中国现代教育装备,2021(22):7-9+17.DOI:10.13492/j.cnki.cmee.2021.22.003.

[1] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准：2017 年版 2020 年修订 [S]．北京：人民教育出版社 ,2020．

[2]  吴荣华,孙彦雁,李京津,李斌.基于手持技术及虚拟实验的四重表征模式构建及评估[J].中国现代教育装备,2021(22):7-9+17.DOI:10.13492/j.cnki.cmee.2021.22.003.