CO2与NaOH溶液反应的探究教学实践

洪 涛

(云南大学附属中学，云南 昆明 650031)

2022年4月21日，教育部发布了《义务教育课程方案和课程标准(2022年版)》。其中，《义务教育化学课程标准(2022年版)》明确了“化学观念”“科学思维”“科学探究与实践”“科学态度与责任”四个方面的核心素养发展要求。对应核心素养提出了初中化学课程目标为：形成化学观念，解决实际问题;发展科学思维，强化创新意识;经历科学探究，增强实践能力;养成科学态度，具有责任担当。

科学探究是指用科学的方法进行探索，究其原因，解决问题。在教学中，引导学生经历科学探究的一般过程，包括：提出问题、形成假设、设计并实施实验或调查方案、获取证据、分析解释数据、形成结论及建构模型、反思评价及表达交流等要素[1]。初中化学教学主要通过观察和实验等科学方法获取证据、基于证据进行分析推理及形成结论[2]，以增进学生对科学探究的理解，发展学生科学探究的能力。

发展科学思维要求引导学生，初步学会运用观察、实验、调查等手段获取化学事实，能初步运用比较、分类、分析、综合、归纳等方法认识物质及其变化，形成一定的证据推理能力;能从变化和联系的视角分析常见的化学现象，能以宏观、微观、符号相结合的方式认识和表征化学变化;初步建立物质及其变化的相关模型，能根据物质的类别和信息提示预测其性质，并能解释一些简单的化学问题等[3]。

1 问题的提出

CO2与NaOH的反应，是在学习常见的碱的化学性质时的一个重要反应，教材中没有要求进行演示实验，只是让学生与CO2和Ca(OH)2的反应进行类比，写出相应的化学方程式。这样，学生缺乏真实感知。教师正好以此为契机引导学生大胆质疑，探究CO2与NaOH溶液是否发生了化学反应，并进一步创设情境，探究实验室露置于空气中的NaOH溶液是否变质，变质程度如何，如何除去杂质。教师引导学生从真实的学习情境中发现问题，展开讨论，在解决化学问题的同时形成和发展认识化学知识的思路与方法，体现从学习具体知识到建构化学观念再到形成科学思维的过程。

2 教学过程

1)创设情境，引发质疑

[教师]PPT展示如图1，写出图中两个反应的化学方程式。

图1 CO2分别通入澄清石灰水和NaOH溶液

[学生]Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

[教师]两个反应的现象是什么？你判断的依据是什么？

[学生]因为生成的CaCO3难溶于水，CO2通入澄清石灰水会产生浑浊;因为生成的Na2CO3易溶于水，CO2通入NaOH溶液无明显现象。

[教师]现象是否如此？我们用事实来告诉大家。演示实验：分别把CO2通入澄清石灰水和NaOH溶液，澄清石灰水中产生白色浑浊，NaOH溶液中无明显现象。凭借产生白色浑浊判断CO2与澄清石灰水发生了化学反应，那凭借什么判断CO2与NaOH溶液发生了化学反应呢？

设计意图：通过看图写化学方程式，发展同类迁移能力，通过反应现象的预测，培养依据物质的性质推测反应现象的能力，通过演示实验培养实证意识，鼓励大胆质疑。

2)提出问题，展开探究

[教师]PPT展示如图2，请同学们以小组为单位讨论：如何验证CO2与NaOH发生了化学反应？简述你设计的实验方法，并说明设计的理由。

图2 探究CO2与NaOH溶液是否发生了化学反应

设计意图：引导学生经历科学探究各个环节，增进对科学探究的理解，发展科学探究的能力。引导学生自主思考、讨论交流、合作分享，发展学生评价、反思、改进实验方案的能力，培养核心素养。

①方案一

[学生]可以取CO2与NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入无色酚酞溶液，若酚酞溶液不变红，说明溶液不呈碱性，可以得出CO2与NaOH发生了化学反应的结论。

[教师]请大家以小组进行讨论，该同学设计的实验方案是否合理？

[学生]首先，通入的CO2不一定能把NaOH反应完，若NaOH有剩余，剩余的NaOH也能使酚酞溶液变红，这是不严谨;其次，即便NaOH反应完了，生成的Na2CO3属于盐，其溶液不一定是中性的，如果Na2CO3溶液呈碱性也会使酚酞溶液变红，这是不合理。

[教师]Na2CO3溶液是否呈碱性？我们用事实来告诉大家！演示实验：取Na2CO3溶液于试管中，滴入无色酚酞溶液，观察到溶液变为红色。根据实验事实可知，即便CO2与NaOH溶液发生了化学反应，生成了Na2CO3，溶液仍然呈碱性。所以，我们不能用无色酚酞溶液检验CO2是否与NaOH发生了化学反应。

设计意图：一部分学生通过物质名称，错误的认为Na2CO3溶液呈酸性，一部分学生通过物质类别，Na2CO3属于盐，错误的认为Na2CO3溶液呈中性，我们通过实验事实，改变学生惯势思维，让学生在认知冲突中加深印象，培养严谨思维的习惯;同时，通过反应物NaOH是否有剩余的质疑，引导学生认识化学反应既要考虑定性，还要考虑定量，养成全面、完整思考问题的习惯。

②方案二

[学生]可以取CO2与NaOH溶液作用后的溶液，向其中滴入足量的稀盐酸，产生气泡，说明溶液中有Na2CO3，可以得出CO2与NaOH发生了化学反应的结论。

[教师]请大家以小组进行讨论，该同学设计的实验方案是否合理？

[学生]合理的，若没有发生化学反应，溶液中的NaOH与稀盐酸反应是不会产生气泡的，若发生了化学反应，生成的Na2CO3与稀盐酸反应会生成CO2，CO2逸出，可以观察到产生气泡。

[教师]是否如我们同学所预测一样，我们用事实来告诉大家。演示实验：分别取NaOH溶液、CO2与NaOH溶液作用后的溶液于试管中，滴入足量的稀盐酸，观察到NaOH溶液中无明显现象，CO2与NaOH溶液作用后的溶液中产生气泡。根据实验事实可知，CO2与NaOH反应生成了Na2CO3，所以，我们可以用稀盐酸来检验CO2是否与NaOH发生了化学反应。

设计意图：引导学生学会通过检验生成物的存在验证反应发生，通过比较NaOH和Na2CO3性质的差异点，找到检验Na2CO3的方法，并通过实验验证，培养实证意识。

[教师]我们从微观角度来分析一下，为什么可以用稀盐酸来检验CO2是否与NaOH发生了化学反应？板书分析推理如图3。

图3 微观角度分析如何检验CO2与NaOH溶液是否发生了化学反应

[学生]CaCl2溶液、BaCl2溶液等含有Ca2+或Ba2+的溶液，若观察到产生白色沉淀，说明CO2与NaOH反应生成了Na2CO3。

③方案三

[教师]请同学们思考图4实验将产生什么现象？产生该现象的原因是什么？能否验证CO2与NaOH发生了化学反应？

图4 向集满CO2的软塑料瓶中倒入NaOH溶液

[学生]现象：塑料瓶会变瘪;原因：NaOH溶液消耗CO2，使瓶内气压小于外界大气压，所以塑料瓶变瘪;能验证CO2与NaOH发生了化学反应。

[教师]现象是否如我们同学所预测的一样，我们用事实来告诉大家。进行如图的演示实验……，观察到塑料瓶变瘪。仅凭塑料瓶变瘪就得出CO2与NaOH发生了化学反应的结论，是否严谨？是否有同学存在质疑？如何排除质疑？

[学生]NaOH溶液中有水，CO2溶解于水也会使瓶内气压减小，要排除水的干扰，可用等体积的水进行同样的实验，对比塑料瓶变瘪的程度。

[教师]我们用事实来告诉大家！进行如图5的演示实验……。观察到塑料微微变瘪，远没有图4实验变瘪程度大，说明水溶解CO2不能使塑料瓶变得那么瘪，由此可以得出CO2与NaOH溶液发生了化学反应。

图5 向集满CO2的软塑料瓶中倒入水

设计意图：引导学生认识化学反应生成新物质的同时反应物也在被消耗，通过验证反应物被消耗也可以验证化学反应的发生，体会化学与物理(压强)学科间的交叉，学会通过对比实验排除干扰因素的方法。

④迁移拓展，学以致用

[教师]迁移拓展如下，请同学们讨论后完成以下问题：

问题1.预测如图6所示的两个实验可能产生什么现象。

图6 两个实验

问题2.对于无明显现象的化学反应，可以从哪几个角度验证反应的发生。

问题3.实验室中的NaOH溶液应该如何保存。

针对问题1，在学生预测现象后，教师进行演示实验，验证学生的预测;针对问题2，教师引导学生从检验生成物的存在和验证反应物被消耗两个角度进行思考;针对问题3，学生可以回答出，需要密封保存，以防止NaOH和空气中的CO2反应而变质。

设计意图：学以致用，通过趣味实验激发了兴趣，巩固了对化学反应消耗气体造成气压变化的认识;通过总结，建立验证无明显现象的化学反应的思路和方法，建立解决此类问题的思维模型;通过NaOH的化学性质的学习，联想它的保存方法，为NaOH的变质探究做好铺垫。

3)进一步探究 发展高阶思维

[教师]PPT展示如图7。提出问题：该瓶溶液是否变质？请同学们充分讨论，作出猜想，思考各种猜想的溶质成分是什么物质？如何利用所给试剂设计实验验证自己的猜想？(提供试剂：稀盐酸、澄清石灰水、CaCl2溶液、酚酞溶液，提供资料信息：CaCl2溶液、BaCl2溶液呈中性)

图7 实验室中一瓶未盖瓶塞的NaOH溶液

设计意图：引导学生经历因素更多、思维更复杂的探究，发展学生的猜想能力和实证意识，培养学生对实验方案的设计、讨论与评价能力。

[学生]在教师的引导下，学生讨论分析后，猜想如表1。

表1 对NaOH溶液变质情况的猜想

[教师]探究是否变质的关键是检验哪种物质的存在？

[学生]关键检验是否存在 Na2CO3，可以考虑加入足量酸或含有Ca2+(Ba2+)的溶液，若产生气泡(白色沉淀)，则说明已变质。

[教师]若确定已经变质，探究变质程度的关键是检验哪种物质的存在？

[学生]关键检验是否还存在NaOH，可以滴加无色酚酞溶液，若溶液变为红色，则说明还有NaOH，为部分变质，若溶液仍为无色，则说明没有NaOH，为完全变质。

[教师]该设计是否合理？

[学生]不合理，Na2CO3溶液呈碱性，也会使无色酚酞溶液变红。

[教师]Na2CO3的存在将对NaOH的检验产生干扰，要检验是否存在NaOH需要先除去Na2CO3，请同学们思考，除去Na2CO3的试剂选择哪种物质？稀盐酸？澄清石灰水？CaCl2溶液？请大家充分讨论，分别予以评价。

[学生]要除去Na2CO3，若选择使用稀盐酸，加入的稀盐酸会先与NaOH反应，将造成后面检验不到NaOH的“假象”;若选择使用澄清石灰水，加入的Ca(OH)2与Na2CO3反应生成CaCO3沉淀和NaOH，生成的NaOH将干扰NaOH的检验;若选择使用CaCl2溶液，首先CaCl2能与Na2CO3反应生成CaCO3沉淀，生成的NaCl溶液为中性不会干扰NaOH的检验，其次，CaCl2不与NaOH反应且CaCl2溶液为中性，不会影响NaOH的检验。所以，应该选择加入足量的CaCl2溶液。

在教师的引导下，同学们设计了实验的步骤，预测了对应的现象及结论。如表2所示。

表2 探究NaOH溶液的变质情况

[教师]是否如我们同学所预测的一样，我们用事实来告诉大家！进行演示实验，观察到产生白色沉淀，溶液变为红色。我们可以得出什么结论？

[学生]猜想2成立，该瓶NaOH溶液部分变质。

设计意图：引导学生以探究目的为导向，对不同层次的问题进行分析推理，找到关键问题和解决问题的关键点，讨论评价，实验验证，去伪存真，培养利用化学知识解决问题的能力，发展核心素养。

[教师]迁移拓展如下，请同学们讨论后完成以下问题：

问题1.上述实验中能代替CaCl2溶液的是( )

A.稀硫酸 B.Ba(OH)2溶液 C.BaCl2溶液

问题2.要除去部分变质的NaOH溶液中的Na2CO3，可采用的方法是？

问题3.举例说明在空气中会与空气成分发生反应而变质的物质？

设计意图：举一反三，迁移拓展，学以致用，用以促学，学用相长。

4)课堂小结

[教师]请同学们谈一谈自己的收获和存在的疑惑。

设计意图：从知识、方法、能力、素养四个角度引导学生进行总结，以“输出”巩固“输入”;同时，保留疑惑，为后续学习进行铺垫，让学生对化学学习保持兴趣和好奇心，鼓励学生大胆质疑，勇于探索。

3 教学反思

“四先四后”给学生的思维发展留出了时间和空间。一是先思考、后回答。当教师提出问题后，首先要求学生自主思考，对一些有挑战性的问题，学生一时没有思路时，教师进行了适当鼓励、启发、引导，一部分思维敏捷的同学可能已经知道了答案，教师则要求他们不要提前“剧透”，“稳住”他们，给全体学生思考的机会。二是先讨论后结论。对于设计的任务，教师要求小组内进行讨论后再发言，对于学生回答的问题，教师先不做评判，也不下结论，而是让其他学生进行讨论、评价，是否合理？能否改进？理由或依据是什么？……三是先学生后教师。放手让学生评价学生，让学生发展学生，只要学生能解决的问题，教师都做一个忠实倾的听者、学习者、仰慕者，很多时候学生的思考不局限于教师的设想，会出现有创见性的回答，对我们的教学有很好的启发，是很好的课堂生成。四是先预测后实验。在教师进行演示实验前，先让学生对可能出现的情况进行预测，这样可以充分调动学生主动思考，让学生养成用化学的视角看物质看变化的习惯，课上经常听到教师说“是否如此？我们用事实来告诉大家”，这样能很好地利用学生预测与实验事实的矛盾，引发认知冲突，引起学生的探究意愿和学习兴趣，培养了学生的求真精神和实证意识，让学生体会到“实验是化学的最高法庭”。

教学活动设计基于真实情景，知识结构层层递进，逻辑层次清晰。塑料瓶变瘪、气球膨胀、喷泉等实验设计新颖，现象明显，较好地体现了趣味性和学科融合。课上教师利用探究式教学、启发式教学、讲授式教学、实验演示教学充分发挥了教师的主导作用，充分体现了教师是学生学习的陪伴者、学生活动的参与者、学生发展的促进者。

教学过程充分体现以学为主的教学理念。教师紧扣CO2与NaOH反应，进行了两个探究，学生利用实验探究法、小组交流讨论法、分析归纳法，充分发挥了学生主体作用。通过教师创设的真实情景，提出问题，学生自主猜想假设、设计实验方案、交流讨论、评价改进、反思拓展，教师实验演示，让学生感受真实情景、培养实证意识。教师鼓励学生质疑，鼓励学生讨论，鼓励学生评价，充分尊重学生的认知，让学生对问题的思考，由浅至深，从感性到理性，从片面到全面，从局部到整体，由低阶到高阶，让学生的思维从广度和深度得到了发展。