模拟海洋酸化对钙基生物影响的实验室活动设计

吴文萱 丁伟

摘要：以社会科学议题——海洋酸化为真实情景，设计了在实验室中用二氧化碳气体吹扫模拟海水，以模拟酸化的海洋环境，对处理后的溶液进行滴定分析以探究酸化海水环境对贝壳、珊瑚等钙基生物的影响。该项目让学生在学习化学

“酸碱滴定”主题内容的同时拓展STEAM教育、可持续发展思想及责任意识。

关键词：社会科学议题;STEAM教育;酸碱滴定;项目式学习

文章编号：1008-0546（2022）08-0085-05   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.018

《普通高中化学课程标准（2017版）》在化学课程的基本理念中提出要重视开展“素养为本”的教学，“倡导真实问题情境的创设，开设以化学实验为主的多种探究活动”。基于人教版高中化学选修《化学反应原理》的第三章“盐酸滴定氢氧化钠溶液”这一实验活动，本文拓展该实验为以海洋酸化的社会议题为实验室活动的真实情境，用二氧化碳气体吹扫模拟海水来模拟酸化的海洋环境。通过学习酸碱滴定并应用该方法滴定分析处理所模拟的海洋环境的变化，应用    STEAM多学科知识来探究酸化的海水环境对贝壳、珊瑚等钙基生物的影响。

一、实验活动的教学目标

1.嵌入社会科学议题

社会性科学议题（Socio- scientific Issues，简称 SSIs）指与科技相关的社会问题，具有集社会性、科学性、开放性与伦理性于一体的特征。诸如温室效应、海洋酸化等系列问题，都是复杂、开放且充满争议的问题，广泛涉及气候变化、核能、污染、自然资源管理等多个学科领域，往往有多种合理的解决方案[1]，且需要多学科知识、技能、科学思维与实践能力。

社会科学议题与人类生存环境息息相关，借此真实情境建立学生与学习材料之间的相关联系，提高学生的学习积极性和自我效能感[2]。基于社会科学议题的教学不仅帮助学生建立并加强生活与科学概念的联系，也促使学生对开放式问题进行讨论和批判性思考，提高他们在化学学科及批判性思维方面的技能。

2.探究可持续发展问题

教育是促进可持续发展和提高人们解决环境与发展问题能力的关键。社会科学议题往往都是结构不良、无固定答案的问题，存在多种合理的解决方案，涉及个人态度与价值取向。通过参与有关化学问题的实验室活动或社会实践活动，培养学生节约资源、保护环境的绿色化学观及可持续发展意识，学习在可持续的未来进行积极社会变革所需的价值观、行为和生活方式。

无论是温室效应还是其导致的海洋酸化等自然环境问题，往往很难在高中课堂上使学生切身体会其影响。但通过实验，学生动手设计实验步骤，搭建反应装置，体验实验室环境中科学、技术、工程、艺术的完美结合，学习应用酸碱平衡及中和滴定的知识与技能，运用数学知识和方法计算得出溶液中离子浓度的变化，并分析化学反应平衡常数与溶液环境的关系;将化学作为科学的一个重要组成部分，帮助学生从整体认知科学学科内容，深入化学学科思维角度分析，解释“为什么？”，将纯粹的学科理论知识与现实社会议题和环境问题紧密联系起来，有意识地反思并担当起社会责任。

3.融合STEAM 的酸碱中和滴定

STEAM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）多学科交叉融合的一体化教育形态，强调学科知识间的相互渗透，旨在培养学生合作探究、问题解决、批判性思维等综合能力[3]。

以单一学科视野开展的酸碱滴定实验活动，虽然体现了化学知识的学科纯粹性，但若要完整解决现实问题，则需要弥合不同学科领域间的知识罅隙。由此形成的基于实验室任务的教学方案可将重心放在以化学学科的相关内容主题，并卷入自然科学、技术、工程、艺术和数学等学科的相关知识、理论和方法，消融学科界限，实现不同学科思维和学科素养的渗透和贯通。

本研究的实验活动旨在发展学生的STEAM 多学科整合能力。

（1）掌握化学知识

人类活动所排放的二氧化碳已引起全球变暖、海洋酸化等诸多问题，这已然成为科学界的共识。当大量二氧化碳被海水吸收时，引起海水pH 的变化，进而影响到海洋生物群的生存。Ken Caldeira等人探究大气中二氧化碳对海洋的影响，预测2300年时海洋表面的pH最大降幅可至0.77[4]。还有相关研究表明21世纪人类活动影响下海洋酸化造成海水中碳酸根离子浓度降低时会引发贝壳等钙基生物的点蚀及部分溶解[5]。

海洋是地球上主要的碳汇，吸收了大约三分之一的人为二氧化碳排放。

二氧化碳溶于水后反应生成碳酸：

CO2（g）+ H2O（l）   H2CO3（aq）     （1）

碳酸在水中電离形成碳酸氢根，碳酸氢根进一步分解成碳酸根，电离出的氢离子会增加溶液酸度：

H2CO3（aq）   H+（aq）+ HCO3（-）（aq）    （2）

HCO3（-）（aq）   H+（aq）+ CO3（2）-（aq）    （3）

自前工业时代以来大气中二氧化碳含量不断上升，海洋的平均pH下降了0.1个单位，从8.2下降到了8.1。根据 pH 尺度的对数性质，海洋的酸度增加了26%[6]。

海洋酸化造成了若干生态和社会风险，海洋酸度的增加威胁着钙基生物的生存，如珊瑚和其他依赖碳酸钙制成保护壳的物种，碳酸钙在水中有微量的溶解度：

CaCO3（s）   Ca2+（aq）+ CO3（2）-（aq）    （4）

根据勒夏特列原理，随着海水中氢离子浓度的增加，碳酸氢根解离的化学反应平衡向左移动产生碳酸氢盐，消耗碳酸盐，碳酸盐浓度的降低使化学反应方程式（4）的平衡向右移动，导致碳酸钙溶解。典型海水pH下物质间反应可归纳为化学反应方程式（5）：

CaCO3（s）+ H+（aq）   Ca2+（aq）+ HCO3（-）（aq）（5）

要量化海洋酸化对钙基生物（贝壳、珊瑚等）造成的影响，则需要对酸化后海水内碳酸根、碳酸氢根及钙离子的浓度进行测量。

（2）学会技术操作

海洋的酸化对生物的自然侵蚀过程较为缓慢，肉眼难以观察。通过实验室环境模拟来改变溶液浓度、反应温度等，则能更快、更清晰地呈现变化;应用酸式滴定管和碱式滴定管等仪器，使用酚酞等酸碱指示剂，进行酸碱中和滴定分析，测量待测液中氢离子浓度;使用钙—羧酸指示剂，结合滴定分析方法，滴定测量钙离子的浓度，以衡量钙质生物的溶解程度，将不易观察的定性变化转变为直观可见的量化指标。

（3）应用数学计算

酸碱中和滴定终点稳定，一般使用酚酞或石蕊指示滴定终点。但碳酸作为二元弱酸，其不完全电离分为两步，对应不同的滴定终点，应选择不同的指示剂。这就要求学生根据不同指示剂与检测离子的结合方式，通过化学计量比进行数学计算，对比海洋酸化对溶液中离子浓度的影响。

（4）设计实验流程

在本实验活动中学生掌握实验工程和造物技术，需要搭建能够有效工作的实验装置（见图1），用二氧化碳对模拟海水进行吹扫，并对废气进行绿色化吸收处理。在掌握滴定原理的基础上进行滴定实验操作，对滴定结果进行分析。

（5）追求完美工艺

融合艺术的科学力量是创造力的真正源泉。在进行科学教育与实验的同时，强调实验装置的对称和谐并符合工程学要求和标准，以完美达成实验的目的。从实验装置搭建的美观性，到珊瑚、贝壳的选取，以及滴定结果的呈现，在确保实验操作科学性的基础上，需要追求实验整体的美学效果或观赏效果。使学生能感受到科学自然之美，培养对科学研究的美好认知。

二、实验设计

1.实验方案

本实验活动设计了3个实验任务，可安排在学生学习完“酸碱滴定”内容后进行。在实验任务启动前，进行海洋酸化的相关介绍;在执行任务时，对相关的平衡反应和实验设计进行讨论。实验任务1是样品制备;实验任务2是样品处理，并进行pH测量和碳酸氢盐的滴定;实验任务3是 Ca2+的滴定及样品质量测定。为了使实验快速完成并减少对设备的需求，可以让学生两两分组进行合作实验。

（1）实验任务1：样品制备

依据Lyman 与Fleming 的配方配制足量的模拟海水（见表1）[7]。取三个圆底烧瓶，分别设为空白对照组、对照组及实验组。

空白对照组：不作处理，密封保存在避光处一周。

对照组：加入3～5 g 贝壳及5～6 g 珊瑚，密封保存在避光处一周。

实验组：加入3～5 g 贝壳及5～6 g 珊瑚，持续向烧瓶内通入二氧化碳气体20分钟，使溶液饱和，并使二氧化碳充满瓶内剩余空间。

通入二氧化碳使溶液饱和的目的不是为了模拟环境条件，而是为了在短时间内产生更实质性的化学变化，这样可以在缩短的实验时间内量化海洋酸化對钙基生物的影响。

（2）实验任务2：pH测量和碳酸氢盐滴定

在样品反应一周后，用布氏漏斗进行抽滤，将贝壳、珊瑚样本与模拟海水样本分离开，用去离子水冲洗贝壳、珊瑚样本，充分洗去附着的盐溶液，在50℃的烘箱中进行干燥。

用 pH 计测量各个对照组与实验组的海水溶液pH，配制0.002 mol/L盐酸溶液，分别以酚酞、甲基红为指示剂，对溶液中的碳酸盐、碳酸氢盐进行滴定。

以酚酞为指示剂对碳酸根离子进行滴定，使用0.002 mol/L 盐酸滴定至溶液由红色变为无色;再以甲基红为指示剂对碳酸氢根离子进行滴定，使用0.002 mol/L盐酸滴定至溶液由浅黄色变为橙红色。

（3）实验任务3：固体样品质量测量及Ca2+的滴定

处理后静置一周的各对照组与实验组溶液澄清，未见浑浊，对干燥完的固体样品进行质量测定，与反应前进行对比，比较二氧化碳处理后的模拟海水中的珊瑚、贝壳质量与对照组的差别。

配制0.01 mol/L EDTA 溶液，以钙—羧酸指示剂为滴定指示剂，对对照组与实验组的模拟海水中 Ca2+浓度进行滴定并对结果进行比较。

以钙—羧酸指示剂对钙离子进行滴定，使用0.01 mol/L EDTA溶液滴定至溶液由红色变为浅蓝色。

2.数据分析

（1）模拟海洋酸化影响下溶液pH 的变化

实验任务结束后，分别计算空白对照组、控制组和实验组在试验前后的pH变化（见表2），根据滴定结果计算溶液中CO HCO 及Ca3（-）2+离子浓度（见表3），最后计算贝壳与珊瑚反应前后的质量变化（见表4），并对实验结果进行分析。

表2反映了相比于空白对照组与未通入二氧化碳的两个烧瓶，持续通入20分钟二氧化碳的烧瓶中的 pH有明显下降。这说明在此实验中，二氧化碳是使模拟海水酸化的主要原因。

（2）模拟海洋酸化影响下溶液中离子浓度的变化

表3呈现了碳酸氢根与钙离子进行滴定的结果。在实验中，先以酚酞为指示剂，烧瓶内均无明显变色，证明所有烧瓶内碳酸根离子浓度均低于检测下限;后以甲基红为指示剂对碳酸氢根进行检测，结果显示，实验组的碳酸氢根浓度是空白对照组及对照组的近7倍，一种可能是由于二氧化碳溶于水形成的碳酸电离形成，另一种可能是因为钙基生物中的碳酸根离子溶解后与氢离子结合形成。最后，以羧酸—钙指示剂对三种溶液中的钙离子进行检验，结果显示，实验组的钙离子是空白对照组及控制组的两倍，说明钙基生物——珊瑚和贝壳在酸化的海水中发生了溶解。

（3）模拟海洋酸化影响下固体样本的质量变化

表4列出了试验前后贝壳、珊瑚样本的质量变化，在对照组中，珊瑚质量几乎没有减少，而贝壳质量也仅减少了0.5%;在实验组中，珊瑚的质量减少了1.5%，贝壳质量减少了2.58%，证明二氧化碳使模拟海水酸化后，对贝壳和珊瑚样本确实产生了显著影响。

3.实验结论

（1）持续通入20分钟二氧化碳的烧瓶中模拟海水 pH有明显下降，说明二氧化碳是使模拟海水酸化的主要原因。

（2）固体质量的减少及溶液中钙离子浓度的升高证明钙基生物——珊瑚和贝壳在酸化的海水中发生了显著溶解。

三、基于实验活动的教学设计

海洋酸化作为一个具有全球生态和经济意义的课题，在教学中可以将此实验嵌入问题导向的项目式学习中，围绕“温室气体如何影响海洋環境？”以及“海洋环境的改变对在其中生活的生物产生了怎样的影响？”这两个问题展开。项目式学习（Project-Based Learning）是一种以学生为中心的探究式学习，学习者在具体情境中积极参与学习过程，在互动和分享知识概念中实现学习目标。在本实验设计基础上构建项目式学习，通过设计实验过程、进行实验操作、分析实验结果等步骤，对溶液平衡及酸碱滴定有更深入的学习了解。

基于海洋酸化大社会科学议题，本项目嵌入数学、化学、生物等多学科内容，要求学生能理解海水溶液系统中各离子的平衡关系，设计实验，探究溶液中离子浓度变化，用数学方法推算离子浓度，掌握滴定等测量技术和操作，了解化学学科在解决现实问题中所发挥的作用并树立可持续发展观念。

在实验室环境中切实应用化学技术解决现实问题，并从中感受科学之美。在完成实验的基础上，指导学生分析与展示实验结果，并从政府、渔民、科学家等多种角色视角思考，提出解决方案。

四、教学价值

1.社会议题视角下的多学科学习

基于海洋酸化的社会性科学议题学习中，发展了学生的多种科学思维、深度认知和实践能力，学生的理性思维、对科学本质的理解、创造力、反思性判断能力和论证能力等得到了显著提升。

“温室效应”是高中化学教学中常见问题，但在现实教学环境中很难具象量化表现温室效应对于人类生活带来的影响，当探究模拟海洋酸化影响下钙基生物的实验时，学生面临着一系列挑战：

（1）如何理解多个平衡反应间的相互影响？如何由平衡常数和pKa控制？

模拟海水pH 的下降是由于二氧化碳溶于水后的多级电离，氢离子浓度的增加导致了贝壳和珊瑚中碳酸钙的溶解反应，因此钙基生物的质量减少，钙离子的浓度增加。相比之下，由于镁离子不是钙基生物的主要成分，因此其浓度并没有明显上升。

（2）如何解释碳酸盐和碳酸氢盐的滴定结果？

虽然珊瑚质量下降以及钙离子的浓度上升结果表明有部分碳酸钙溶解在模拟海水样本中，但碳酸盐的浓度仍然低于检测限，这要求学生更加仔细地推敲碳酸根与碳酸氢根之间的平衡关系，从pKa的角度推断溶液pH小于8的体系中碳酸氢根与碳酸根离子浓度的区别。海洋酸化的社会议题通过学生开展实验室中的实验任务探究得以一定意义上的解决。结合学生作品展示或作业展示，解读实验结果，评估海洋酸化造成的更广泛的社会影响。学会像科学家一样在解决这类问题时采用多方面策略，并讨论解决这一社会问题需要哪些政府、机构及领域专家的工作。

这一系列活动和技能所带来的挑战，有助于学生更好地将多学科知识和技能融会贯通，结合多背景知识参与解决复杂现实问题。

2.可持续发展理念下的实验室活动探究

社会性科学议题作为真实实验室活动情境，有助于学生深度学习与概念理解，萌发社会参与和责任意识。同时，通过多方对话、辩论与论证等协商交流过程，可锻炼学生科学论证、科学推理和道德推理等能力，有助于学生科学思维与实践能力、科学情感态度价值观与伦理道德品质等的发展，以及在认识科学世界的基础上思考如何改造自然与社会，培养未来社会公民应尽责任感。

3.STEAM领域下的系统思维

STEAM多学科学习连结了不同学科知识的碎片，统整了科学、技术、工程、艺术和数学思想及其方法的疏理，不仅能够精熟化学学科概念架构和思维特征，还能熟识其他学科知识体系及方法，在实验室任务活动中拓宽多学科视野，塑造养成学生的高阶思维和整合性的科学素养。

参考文献

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[2] Feierabend T，Eilks I. Teaching the societal dimension ofchemistry using a socio-critical and problem-oriented les ? son plan based on bioethanol usage[J]. Journal of Chemical Education，2011，88（9）：1250-1256.

[3]徐娟娟.浅析 STEAM 教学模式对学生创新素养的影响[J].化学教与学，2021（3）：48-50.

[4] Caldeira K，Wickett M E. Anthropogenic carbon and oceanpH[J]. Nature，2003，425（6956）：365.

[5] Orr J C，Fabry V J，Aumont O，et al. Anthropogenic oceanacidification over the twenty-first century and its impact on calcifying organisms[J]. Nature，2005，437（7059）：681-686.

[6] Buth，J. M.“Ocean Acidification：Investigation and Presen?tation of the Effects of Elevated Carbon Dioxide Levels on Seawater Chemistry and Calcareous Organisms.”[J]. Jour? nal of Chemical Education，2016，93（4）：718-721.

[7] Lyman，J.;Fleming，R. H.;Composition of sea water[J]. J.Mar. Res.1940，3：134-146.