关于酒精成分中氢氧元素的定性探究

符爱琴

关于酒精成分中氢氧元素的定性探究

符爱琴

（常州市北环中学江苏常州213017）

文章以化学实验中常用的酒精为载体，带领学生一步步“追踪”酒精中的氢氧元素，激活学生探究欲望，引领学生进行探究式学习，在发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的过程中培养学生创新思维和实践能力。

酒精；元素组成；定性分析；探究学习

在初中化学的学习过程中,学生对酒精的认识是逐步展开的,从用途、可燃性、气味、俗名、化学名称、生活中的应用、元素组成到有机物类别等,而对酒精元素组成的定性分析最简单的是燃烧法,又叫李比希法(除此之外还可以用元素分析仪测定)。因此,利用燃烧法对酒精的元素组成进行实验探究,可以促进化学知识的应用,更好地认识物质世界［1］,同时有利于激活学生的探究欲望,让探究式学习能够真实地发生在化学学习课堂教学当中。

图1 烧杯内附有石灰水

一、适时切入，拓展思维深度

组成物质有100多种元素,那么酒精是由什么元素组成呢？对于刚刚接触化学的初三学生是很难猜到碳氢氧元素的,因此,教师此时要尽可能考虑到学生的经验基础和学习心理［2］。布鲁纳认为,人类的知觉过程就是对客观事物不断进行归类的过程,所以他提倡教师帮助学生学习的过程中,不仅要提供必要的信息,而且要教会学生掌握并综合运用对客观事物归类的方法［3］。因此,对于酒精的元素组成探究就可以从“查阅资料得知”开始,让学生知道酒精的组成与石蜡相似。

［问题］酒精是由什么元素组成呢？

［猜想与假设］酒精中含有碳元素和氢元素。

［验证方案］验证酒精燃烧后的生成物,看是否有二氧化碳和水生成。

［设计原理］检验酒精燃烧后的生成物,看是否含有碳元素和氢元素,如果有,就证明酒精中一定含有碳元素和氢元素。再次巩固和证实元素种类在化学变化前后是不变的。

学生设计的实验方案如图1：先把一只冷而干燥的小烧杯放在酒精灯火焰上方,观察是否有水雾出现;再将一只附有澄清石灰水的烧杯罩在酒精灯火焰上方,观察是否变浑浊。通过图1的实验,学生发现无法区别石灰水是否变浑浊,石灰水太少,看不清楚。

那么,是否可以换个办法来验证呢？学生就想到了如图2所示实验,将烧杯倒转,再倒入澄清石灰水振荡,看澄清石灰水是否变浑浊。

图2 倒转烧杯，倒入石灰水

图3 玻璃棒上附有石灰水

有些地区中考的试题也曾出现类似考题,对酒精成分的分析,一致认同的答案就是,点燃酒精灯,在火焰上方罩一只冷而干燥的烧杯,烧杯内壁有水雾生成,证明酒精中含有氢元素,然后将烧杯迅速倒转,倒入澄清石灰水,澄清石灰水变浑浊,证明酒精中含有碳元素。而事实上,我们多次实验后发现,按照这种方法,澄清石灰水不能变浑浊。即使等到小烧杯很烫手,倒转烧杯后,倒入澄清石灰水后仍然没有变浑浊。经分析,可能是收集到的二氧化碳太少。

马上就有学生想到了用玻璃棒醮取少量澄清石灰水放在酒精灯火焰上灼烧,如图3。结果发现澄清石灰水变浑浊了。能够想到这样简洁的操作确实很好,这就是所谓顿悟,而顿悟学习的实质是在主体内部构建一种心理完形［4］。

不过,这是短暂的惊喜。这个的实验结论,稍后就被学生自己推翻了。“析出的白色固体不一定是氢氧化钙生成的碳酸钙”。因为澄清石灰水中的“氢氧化钙”被加热后,溶解在水的能力减弱(学生此时还没有学过溶解度),因此,玻璃棒上出现的白色固体也有可能是析出的氢氧化钙,而不是生成的碳酸钙。

二、步步追问，突破思维定势

图4 蜡烛燃烧的产物是什么

图5 酒精组成元素的探究

怎样才能避免澄清石灰水被加热呢？

我们在美国高中主流理科教材《化学概念与应用》上册中找到了关于验证蜡烛燃烧生成的二氧化碳的方法,如图4。在盘子里加入约1cm深的自来水,快速地将锥形瓶从上面移向蜡烛,使瓶口浸入水面以下,并保持这个位置约1分钟。记录观察结果。从水中提出锥形瓶,翻转瓶身,使瓶口向上,再在锥形瓶中加入约25mL石灰水。在锥形瓶上塞上塞子后,旋转振荡约1分钟。如果溶液变浑浊,说明生成了碳酸钙,也说明锥形瓶里有二氧化碳［5］。

这种方法给学生很多启示。于是,有学生提出用图5的方法,用一个倒挂的漏斗,将生成的气体通入澄清石灰水,观察澄清石灰水是否变浑浊。结果发现,还是不能变浑浊。通过分析,学生认为可能是产生的气体较少,而管子太长,于是学生又作了改进,缩短了漏斗到试管的距离,如图6。多次实验仍然不能使澄清石灰水变浑浊。因此学生推断,通过这样的装置无法证明酒精燃烧产生二氧化碳。

能否将酒精放在密闭的容器中燃烧呢？老师追问。

学生随后设计出了如图7所示的实验装置。在将一定量酒精倒入广口瓶,然后用火柴点燃酒精,这时,学生发现,广口瓶内的酒精一点着就熄灭了,无法往下继续实验。通过分析,师生认定可能是氧气不充足,酒精无法燃烧。我们又尝试用纸张来替代酒精做这个实验,将纸张揉成一团,点燃后放入另一个广口瓶,结果纸张也是很快就熄灭了。

图6 缩短导气管

三、层层改进，培养思维方法

看似简便的实验蕴含着很多的科学原理。在步步启发,层层改进的情况下,最终学生们设计出了如图8的实验步骤和方法。

图7 将酒精倒入广口瓶后点燃

图8 酒精组成元素的探究

取一滴管酒精挤入坩埚,点燃酒精,用坩埚钳将坩埚小心地放入100mL的烧杯中,在火焰上方罩一只250mL(冷而干燥)的烧杯,观察是否有水雾出现。然后将罩在上面的烧杯拿走,将坩埚从100mL的烧杯中取出来,倒入澄清石灰水,观察是否变浑浊。

在这个不断地实验、改进、再实验、再改进的过程中,学生生成了很多疑问。

问题1：在探究过程中,有学生用火柴点燃酒精后,没有及时取出火柴,是否影响实验的可信度？

于是,我们边查阅资料边交流。火柴中本身含有碳元素,燃烧后产生二氧化碳,如果不及时取出来,那使澄清石灰水变浑浊的原因就不止是酒精燃烧引起的了。

问题2：在探究过程中,有学生认为“将盛放酒精的坩埚放入烧杯后,再点燃”更方便,这样是否可行？

盛放酒精的坩埚在放入烧杯后再点燃,火柴点燃酒精的过程也产生二氧化碳,有可能残留在烧杯,为了确保不受火柴的影响,还是应该在引燃酒精后再放入烧杯。

问题3：此探究过程中,有些学生先将澄清石灰水倒入烧杯,然后再将引燃后的酒精放入烧杯,然后罩上大烧杯。现象是澄清石灰水变浑浊,大烧杯里有水雾。这样的探究方法是否可行？为什么？

如果将澄清石灰水预先倒入烧杯,坩埚内的酒精燃烧会使烧杯底部及烧杯内的澄清石灰水温度升高,而澄清石灰水中的氢氧化钙遇热后溶解度变小,因此澄清石灰水变浑浊并不能说明是酒精燃烧生成二氧化碳造成的。

问题4：此实验能否验证酒精中含有氧元素？

此实验不能定性和定量测定氧元素。如果要测定氧元素,需测定反应物的质量,在密闭的容器中,将其引燃,测定燃烧后生成的二氧化碳和水的质量,通过计算才能知道是否含有氧元素。问题探讨到此,老师可以激励学生,质量守恒定律和化学方程式计算学完后,大家再来设计实验验证酒精中是否含有氧元素。

问题5：定性地验证有机物中的碳元素有哪些方法？验证酒精中的碳元素可采用其中的哪几种？为什么？定性地验证有机物的氢元素有哪些方法？

思考、研讨如下：定性地验证有机物中的碳元素,目前一般常用的方法有三种。第一种,如石蜡,将其引燃,往火焰中迅速插入一块冷而干燥的白瓷板,观察白瓷板上是否有黑色物质生成。第二种,如蔗糖、面粉之类,将其引燃,观察是否有黑色残渣生成。第三种,如酒精、甲烷等,将生成气体通入澄清石灰水,观察是否变浑浊。只不过,用装置收集其燃烧生成的气体有点复杂而已。第三种方法适用于酒精,因为酒精易发生充分燃烧,很难产生炭黑或留下黑色残渣。

定性地验证有机物中氢元素,一般也是使其燃烧,观察其生成物。简单地看,是否有水珠或水雾生成,还有可以将生成的气体通过无水硫酸铜,观察白色固体是否变蓝色。在定量的鉴定题中,一般将其生成的气体通过浓硫酸,测定浓硫酸增重的质量,即生成水的质量。

学生在探求新知、寻找规律获得意外成功的惊喜时,在山重水复疑无路之后,突然产生的灵感所带来快乐时,无不感受到探究的乐趣和科学的魅力,从内心深处升腾起一种难以言喻的成就感,它可以成为激发创新意识、培养创新思维、获取创新能力的巨大源泉。

［1］［2］吴俊明.发展化学实验教学研究需要大智慧［J］.化学教学，2013，（2）：3-4

［3］朱峰.布鲁纳“发现学习论”对我国教育改革的启示［J］.重庆科技学院学报（社会科学版），2008，（06）：55-57

［4］邱江，张庆林.创新思维中原型激活促发顿悟的认知神经机制［J］.心理科学进展，2011，（03）：312-313

［5］［美］菲利普等著.王祖浩等译.化学概念与应用［M］.杭州：浙江教育出版社，2008.8：30-31

1008-0546（2013）05-059-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.05.025