石头纸中碳酸钙的定性检测和定量测定

李小静

摘要：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。

关键词：石头纸;成分检测;含量测定

文章编号：1008-0546（2022）06x-0047-03   中图分类号：G632.41   文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.012

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較常见的纸张，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。E1C459A2-3620-4245-BECB-23DFAC1BD60D

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，調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。

参考文献

[1]上海市教育委员会.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004：61.

[2]洪清娟.指向深度学习的初三化学复习教学设计[J].化学教与学，2020（1）：65-67.

[3]刘国豪.乙醇中碳、氢元素的检测探究实验[J].化学教学，2020（8）：70-73.—49—E1C459A2-3620-4245-BECB-23DFAC1BD60D