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石头纸中碳酸钙的定性检测和定量测定

2022-06-27 10:472570
 从证据推理的角度,设计“石头纸中主要成分碳酸钙的检测”定性、定量实验,构建了混合物中主要成分检测的一般思维模型。
一、问题的提出
《义务教育化学课程标准(2011年版)》指出:初中学生要“知道科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据”、要“认识到科学探究既需要观察和实验,又需要进行推理和判断”。将证据推理与实验探究融合,能增进学生对科学探究的深入理解,培养学生的实证意识。但在实际的实验教学中,还存在“记住实验结论重于体验过程”的现象,尤其在复习阶段,学生实验探究能力的培养似乎都是在做题过程中进行。
生活中的经历是发现和提出问题的最直接来源,通过对生活中发现的有价值问题的探究,可以在实践活动中完成知识的建构、能力的培养,形成良好的科学素养[1]。石头纸是日常生活中比较常见的纸张,其主要成分是碳酸钙,石头纸中碳酸钙的质量分数约为80%。在学生的已有经验中,碳酸钙是一种坚硬的固体,它能用来制作柔软的纸张?如果答案是肯定的,那石头纸中碳酸钙的含量又是多少?笔者基于证据推理,围绕“物质成分的探究”“物质含量的测定”两个主题,设计了“石头纸主要成分的检测”“石头纸燃烧后灰烬中碳酸钙含量的测定”实验,旨在解决以下问题:
1.如何从证据推理角度构建混合物中主要成分检测的思维模型?
2.如何构建混合物中纯净物含量测定的思维模型?

二、石头纸的主要成分的检测
石头纸的主要成分是碳酸钙,如何检测?教师引导学生从碳酸根离子和钙离子两个角度进行检测。以下实验所用的石头纸是长13 cm、宽7 cm 的便签纸。
1.碳酸根离子的检测
(1)初步探究
原理:碳酸根离子能与氢离子结合生成二氧化碳气体。
药品:石头纸1张、10%的稀盐酸5 mL。
仪器:小烧杯、镊子、玻璃棒。
实验操作:将石头纸撕碎放入小烧杯中,倒入10%的稀盐酸浸没石头纸,用玻璃棒搅拌。
实验现象:石头纸表面没有气泡产生。
为什么石头纸浸入稀盐酸中没有产生气泡?猜想1:可能是石头纸中碳酸钙的含量太低;猜想2:可能是石头纸中的其它成分影响了碳酸钙与稀盐酸的反应。
(2)查阅资料
学生查阅资料发现:①石头纸中碳酸钙的含量一般为80%左右;②石头纸的主要成分是碳酸钙,石头纸表面涂层中还含有高分子聚合物(聚乙烯)。根据资料,学生排除了猜想1的可能性,明确了猜想2的可能:表面涂层中的高分子聚合物(聚乙烯)对碳酸钙和稀盐酸的反应产生了影响。那如何消除这个影响?教师引导学生再次探究。
(3)再次探究
师生经过讨论,认为可用两种方法消除高分子聚合物(聚乙烯)对碳酸钙和稀盐酸反应的影响,一是用砂皮纸打磨法,二是用燃烧法。
①砂皮纸打磨法
药品:石头纸1张、10%的稀盐酸5 mL、澄清石灰水少量。
仪器:砂皮纸、镊子、试管2只、带导管的橡皮塞。
实验操作:用砂皮纸打磨石头纸后,将石头纸撕碎放入试管中,倒入5 mL10%的稀盐酸,塞上带导管的橡皮塞,将导管另一端插入装有澄清石灰水的试管中。
实验现象:石头纸表面附着一层细密的气泡,充分振荡试管,较长时间后澄清石灰水变浑浊。
②燃烧法
药品:石头纸2张、10%的稀盐酸5 mL、澄清石灰水少量。
仪器:酒精灯、坩埚钳、火柴、石棉网、药匙、试管2只、带导管的橡皮塞。
实验操作:用坩埚钳夹持石头纸在酒精灯火焰上点燃,移到石棉网上方,待火焰熄灭后,用药匙取石棉网上的少量灰烬放入试管中,倒入5 mL10%的稀盐酸,迅速塞上带导管的橡皮塞,将导管另一端插入装有澄清石灰水的试管中。
实验现象:灰烬表面迅速产生大量气泡,澄清石灰水很快变浑浊。
以上两种方法都能检测石头纸中含碳酸根离子,且第2种方法现象更明显。
2.钙离子的检测
药品:石头纸燃烧后的灰烬、10%的稀盐酸、酒精。
仪器:铁架台、铁圈、烧杯、玻璃棒、漏斗、滤纸、酒精灯、蒸发皿、火柴、药匙、研钵。
实验操作:取石头纸燃烧后的灰烬放入烧杯中,倒入10%的稀盐酸直到不再产生气泡,过滤,将滤液蒸干,从蒸发皿中取出粉末,研细后放在倒置的小烧杯上,滴加6滴酒精,点燃。
实验现象:产生砖红色火焰。
实验结论:石头纸中存在钙离子。
石头纸打磨后浸入水中,石头纸不变湿,再结合以上实验结论,可得出:石头纸的主要成分是碳酸钙。
从以上探究过程构建混合物中主要成分检测的一般思维模型为:明确混合物的成分,若成分中有物质对主要成分的检测产生干扰,则先排除干扰,再利用主要成分的化学性质,选择适当的试剂与其发生化学反应,根据产生的现象就可检测出该成分。混合物中主要成分检测的流程如图1所示。



三、石头纸燃烧后的灰烬中碳酸钙含量的测定
因本次实验使用的石头纸不能直接与稀盐酸反应,所以无法直接测定石头纸中碳酸钙的含量。笔者将实验设计为:如何测定石头纸燃烧后的灰烬中碳酸钙的含量?学生经过充分讨论,提出依据的原理是:CaCO3+2HCl CaCl2+H2O+CO2↑,并从测量生成物二氧化碳或氯化钙的质量的角度思考,设计出以下方案。
1.测量二氧化碳体积法
实验装置如图2所示。


实验操作:连接装置并检查气密性。取一定量石头纸燃烧后的灰烬于锥形瓶中,向恒压分液漏斗中倒入足量的10%的稀盐酸,调节量气装置两边液面相平,读取量气管读数为 V1,将稀盐酸慢慢滴入锥形瓶中至不再产生气泡,装置冷却到室温后,再次调节量气装置两边液面相平,读取量气管读数为 V2,V2-V1即产生的二氧化碳的体积,转化为二氧化碳的质量,再依据化学方程式计算出灰烬中碳酸钙的质量,从而计算出灰烬中碳酸钙的质量分数。
2.测量二氧化碳质量法
实验装置如图3所示。


实验操作:连接装置并检查气密性良好。取一定量的石头纸燃烧后的灰烬于锥形瓶中,向分液漏斗中倒入足量的10%的稀盐酸。向锥形瓶左侧通N2,一段时间后称量装置D 的质量为M1,将稀盐酸慢慢滴入锥形瓶至不再产生气泡,再向锥形瓶左侧通N2,再次称量装置D 的质量为M2,M2-M1的质量即为生成的二氧化碳的质量,再依据以上方法计算出灰烬中碳酸钙的质量分数。
3.测量氯化钙固体质量法
实验操作:在一定质量的灰烬中倒入足量的10%的稀盐酸直到不再产生气泡,过滤,将滤液蒸发得到无水氯化钙粉末,称量粉末的质量,再依据化学方程式计算出碳酸钙的质量,从而计算出灰烬中碳酸钙的质量分数。
以上3种方法理论上都可行,但实际操作、计算比较繁琐,而且产生的误差较大。笔者利用数字化实验,直接测出生成的二氧化碳的浓度,转换成二氧化碳的质量。
4.测量二氧化碳浓度法
实验装置如图4所示。
实验操作:连接装置并检查气密性。取2.0 g石头纸燃烧后的灰烬于250 mL 的三颈烧瓶中,放入搅拌子,向恒压滴液漏斗中加入足量的10%的稀盐酸,打开活塞并开始搅拌,检测到三颈烧瓶内二氧化碳的浓度由原空气中含量991 ppm最终上升到50528 ppm,变化过程如图5所示。将测得的二氧化碳浓度换算成二氧化碳的质量约为0.54 g。据此计算出石头纸燃烧产生的灰烬中碳酸钙的含量约为61.4%。
至此,学生产生了疑问:根据查阅的资料,石头纸中碳酸钙的含量为80%左右,石头纸燃烧后,质量变小,理论上碳酸钙的含量应该变大,为什么计算的结果却相反?学生猜测:石头纸中的碳酸钙在燃烧时有部分分解了。如何验证这个猜测?学生又进行了实验探究:取少量石头纸燃烧后的灰烬于烧杯中,加少量水搅拌,静置后在上层液体中滴加无色酚酞试液,酚酞变红,说明石头纸在燃烧的过程中,其中有部分碳酸钙粉末发生分解。
从以上探究过程构建混合物中主要成分含量测定的一般思维模型为:明确测定该物质含量依据的原理,找准测定质量的物质,确定好实验装置及规范的操作步骤,测出找准的物质的质量,若实验过程中产生误差,则分析产生误差的原因。混合物中主要成分含量测定的流程如图6所示。

     四、反思
1.从证据推理的角度设计实验
平时的实验教学,学生都是根据课本上设定的实验步骤做验证性实验,学生只是“照本宣科”,实验结束后学生仍缺乏对实验本质的理解。本研究从生活中的石头纸中提取出有价值的化学问题“如何检测石头纸的主要成分”?“如何测定石头纸燃烧后灰烬中碳酸钙的含量?”引导学生寻找证据进行推理、探究,通过查阅资料、实验等手段,寻找本质原因,建立实验事实(现象)作为证据,概括关联整合已学知识,初步进行推理预测并分析解释,逐步明确证据与结论的联系[2],更有利于培养学生的科学素养。
2.从定性到定量进行探究
探究“如何检测石头纸的主要成分?”是引导学生从钙离子、碳酸根离子检验的角度进行定性分析,探究“如何测定石头纸燃烧后灰烬中碳酸钙的含量?”则巧妙地从定性研究转向定量研究,定性与定量组合,多角度综合分析,促进认知模型的逐步完善、理解[2],有利于培养学生的化学学科思维。
3.运用数字化实验手段
在“测定石头纸燃烧后的灰烬中碳酸钙的含量”实验中,使用了数字化实验测量装置中二氧化碳的浓度变化值,实验现象明显,实验数据可靠,操作更为简单,可重复性强[3]。数字化实验进一步丰富了教学资源,培养了学生的创新意识、能力和精神。在今后的教学中,我们还需进一步研究,加强数字化技术在化学教学中的运用,以达到更好的效果。

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