利用数字化实验探究三价铁离子与硫氰酸钾显色反应教学案例*

赵 越 李亭亭 韩 禹 张 静 冯静东 孙艳涛

一、设计思路

化学是一门以实验为基础的自然科学，回顾化学学科的发展历程，可以发现实验贯穿始终，并且发挥着重要的作用。在中学化学教学中，实验的地位也是至关重要的。新版化学教学大纲对实验教学的任务做出了明确规定，教师在培养学生时，要把提高实验技能作为教学目标之一[1]。通过实验，一方面可以提高理论课的教学效果；另一方面可以培养学生的观察能力、动手能力和分析能力。为了加快实验在中学化学教学中的运用，将数字化技术融入于中学化学教学已是必然趋势[2]。

三价铁离子和硫氰酸钾的显色反应是高中化学的学习内容，显色剂的用量、溶液的酸度、显色时间和显色温度是影响显色反应的主要因素。在人教版高中教材选修四《化学反应原理》中，利用硫氰酸钾鉴定三价铁离子时，没有严格指出显色剂的用量、显色反应时间和最佳酸度等实验条件[3]。因此，利用数字化实验技术，根据实时、准确的实验数据，引导学生探究三价铁离子和硫氰酸钾显色反应的本质及其主要影响因素。

二、教材及学情分析

从人教版化学选修四《化学反应原理》的设置来看，此阶段的学生已经初步掌握了显色反应的基本原理。通过利用数字化实验技术探究氯化铁和硫氰酸钾的显色反应，一方面，学生可以建立更加完整的知识体系；另一方面，学生的综合能力也会得到进一步提高。

三、教学目标

1.知识与能力

(1)掌握硫氰酸钾检验三价铁离子的方法。

(2)了解铁及铁离子在日常生产和生活中的重要作用。

2.方法与过程

根据显色反应的主要影响因素，将学生分成3个小组。每个小组需要完成资料收集、实验操作、数据处理和结果分析等环节。

3.情感态度价值观

一方面，通过资料收集和实验探究培养学生动手能力及观察能力，养成自主探究、小组合作等习惯；另一方面，通过数据处理及结果分析，培养学生们分析能力及归纳总结能力，养成细心、耐心等习惯。

四、教学过程

1.内容导入

【师】上节课将大家分成3个小组，分别收集铁的物理性质、铁的化学性质、铁的鉴别方法及其应用。

【生】第一小组：铁是一种金属元素，纯铁是白色或者银白色，有金属光泽。铁的熔点1538 ℃、沸点2750 ℃，能溶于强酸和中强酸，不溶于水。铁有0价、+2价、+3价和+6价，其中+2价和+3价较常见，+6价少见。铁在生活中分布较广，占地壳含量的4.75%，仅次于氧、硅、铝，位居地壳含量第四。纯铁的柔韧和延展性较好，用于制作发电动机的铁芯；铁及其化合物还用于制作磁铁、药物、墨水和磨料等，是工业上所说的“黑色金属”之一[4]。另外，人体中也含有铁元素，+2价的亚铁离子是血红蛋白的重要组成成分，用于氧气的运输。

第二小组：生活中铁主要是以铁氧化物的形式存在的，其中既有二价铁又有三价铁，大多数铁氧化物在土壤颗粒中以不同程度的微结晶形式存在。人体吸收过多的三价铁会引起智力下降，体力不支，还可以引发一系列疾病。一般来说，铁的吸收要靠维生素C的帮忙，动物肝脏中的铁均为三价铁，三价铁是不能为人体吸收的，必须在体内转化为二价铁之后，人体才能够吸收利用[5]。

第三小组：鉴别三价铁离子的方法有很多，常见的方法有以下几种。物理方法是观察法，三价铁溶液显黄色。化学方法可以用显色法，例如，可溶性硫氰化物法，生成红色络合物；加碱法，生成红褐色沉淀；苯酚法，苯酚与三价铁生成紫色的络合离子。其中，可溶性硫氰化物法使用最为广泛。

【师】通过小组汇报了解了铁的基本知识，知道人体吸收离不了三价铁，需要将其转化成二价铁。那么如何检验三价铁的存在就显得至关重要。在中学阶段几乎所有的化学教科书都介绍到，Fe3+与KSCN发生配合反应生成络合物Fe(SCN)3显红色，利用此原理检验三价铁的存在[6]。但是由于实验误差以及个体视觉因素导致显色反应实验结果存在差异，可以通过数字化实验仪器探究三价铁离子和硫氰酸钾的显色反应。通过比较不同的显色剂浓度、酸度、显色时间等条件对实验结果的影响，掌握显色反应的本质及其主要影响因素[7]。

【设计意图】通过课前收集资料，养成学生自主学习的优良习惯，提高学生学习兴趣；通过小组合作、整理归纳等环节，培养学生人际交往能力，提高课堂教学效率。

2.实验操作

【师】(PPT投影)请大家仔细阅读投影中的实验步骤，小组讨论交流后开始实验。注意观察实验现象，认真记录实验数据，最后汇报实验结果。每个小组实验台上配有0.05 g/L FeCl3，3 mol/L KSCN和6 mol/L HNO3试液；UV1750紫外分光光度计；容量瓶；吸量管；比色皿；洗耳球等。教师随时指导学生在实验过程中遇到的各种问题。

【生】仔细阅读实验步骤，小组讨论后开始实验，将实验数据记录在表格中，根据实验现象寻找最佳实验条件。

【设计意图】开展学生活动，活跃课堂气氛，通过教师引导，让学生经过讨论交流能够发现问题、思考问题、最后解决问题。通过讨论交流激发学生学习的积极性和主动性。

表1 FeCl3与KSCN的显色反应

【生】第一小组：随着KSCN体积的增加，吸光度A值也在逐渐增大。当KSCN体积从3 mL增加至6 mL时，吸光度变化几乎相同。

第二小组：随着HNO3体积的增加，吸光度A值也在逐渐增大。当体积从4 mL增加至5 mL时，吸光度变化最大。

第三小组：随着显色时间的增加，吸光度A值也在逐渐增大。当显色时间在15分钟时，基本达到饱和，随着时间增加吸光度变化不大。

【师】随着显色剂用量的增加，吸光度A值不断增大，在用KSCN测定Fe3+含量的比色分析中，KSCN的量一定要准确。溶液的酸度控制在pH＜2，选用6 mol/LHNO3，5 mL时A值最大。显色时间超过15 分钟后，A值几乎不变，因此，显色反应时间在15分钟后进行测定。此时KSCN对Fe3+含量进行测定，才能保证实验结果的准确性和重现性。

【设计意图】通过实验操作，激发学生对化学科学的学习兴趣；通过小组讨论，加深学生对理论知识的深入理解[8]。使学生在总结实验现象的过程中，深刻体会数字化实验相比传统实验具有直观、准确等优势。

3.拓展实验

【师】上述实验使用的药品为氯化铁溶液，如果换成硫酸铁溶液是否还会有相同的实验现象？请学生将实验中的氯化铁换成硫酸铁溶液再次进行探究实验，观察实验现象，记录实验数据，根据实验结果得出结论。

【生】小组讨论：将氯化铁换成硫酸铁进行实验，实验结果是否会发生改变。准备药品，实验探究。

【设计意图】对三价铁离子与硫氰酸钾显色反应进行深入探究，拓展学生的发散性思维，掌握显色反应的本质及其主要影响因素。

表2 FeSO4与KSCN的显色反应

【生】小组汇报实验数据，分析总结实验结果，得出将氯化铁换成硫酸铁进行实验，结果不会发生改变。

【师】通过以上实验发现在KSCN与Fe3+的显色反应中Cl-与SO42-对实验影响不大，并不会改变实验结论。

【设计意图】通过拓展实验为学生进一步创造了实验探究环境，直观、清晰的实验现象使学生明白KSCN与Fe3+的显色反应与其组成的阴离子影响不大。通过数字化实验进一步强化学生对显色反应本质的认识与理解[9]，从而激发学生对化学学科的学习兴趣。

五、教学反思

由于仪器设备数量有限，将学生分成3个小组，每个小组人数较多，有些学生实验过程中走马观花，没有到达预期的教学目的及效果。在课程设计时要考虑到仪器数量及学生人数的问题，尽可能让每位学生都能动手操作，提高教学效率。实验课课时较少，学生在溶液配制、仪器操作等环节操作不规范、不熟练，导致溶液浓度配制不准确，不能得到正确的实验现象，影响实验进程。应尽可能开设实验课程，增加基本操作练习，提高学生实验技能。

六、结语

本文利用数字化实验技术探究了铁离子与硫氰酸钾的显色反应，讨论显色反应的本质及其影响因素。课程设置既发挥了教师的主导作用也体现了学生的主体作用。一方面通过实验操作提高了学生的学习兴趣、培养了学生的综合能力；另一方面，采取小组合作方式提高了教师的课堂教学效率、培养了学生的人际交往能力。