H2O2漂白实验设计及教学实践

李根薰 黄丽琴

福建省厦门实验中学(361116)

1 问题提出

高中阶段的教学对“漂白”这一概念只是简单介绍漂白作用、漂白剂种类(如氯水、二氧化硫、H2O2等),对漂白作用的机理、漂白实验的细节等未展开讨论。近几年的高考试卷如2022年海南、辽宁、广东卷,2021年湖南卷都有漂白问题考查题目,因此教学中有必要做一些补充。新的化学课程标准特别强调培养学生在真实复杂的情境中解决问题的能力。日常教学中被忽视的概念恰好可用作学生深度学习的素材,因为这有助于对学生已有浅层认知形成冲击,这也是笔者研究“漂白”问题深度学习的原因。

高中阶段“漂白”的教学通常以氯水为研究对象,但是氯水毒性较大,为此笔者选用毒性较小的H2O2作为教学素材,从漂白对象、碱源影响、漂白效果3个方面深度开发漂白原创型实验。课堂教学实践中一步步引导学生通过小组合作分析相关资料、完成新型探究实验、交流合作探讨实验结果,实现“漂白”问题的深度认知。通过这些活动帮助学生全面认识漂白问题,获得解决陌生情境问题的能力。

2 漂白问题深度学习三步策略:问题剖析、实验设计及教学实践

2.1 三个维度深度认识物质的漂白

首先漂白对象不同,漂白的含义略有差异。查阅汉语词典,漂白的定义为:用水加化学药品使东西退去颜色或者变白。笔者总结生产生活中常见的漂白对象如图1所示。在工业上漂白主要指织物、木材、食品等的漂白;在生活中漂白主要是衣服、厨具等漂白;在科学研究和医学中漂白通常指去除有色物质。有的漂白只是简单将有色物质吸附或者去除,漂白对象的本体结构几乎不发生变化;有的漂白过程中发生了化学变化,破坏了有色物质结构,这一类漂白有时候也会造成漂白对象(本体)一定程度上的结构破坏。高中化学教学中的漂白对象通常为有机色质。

其次不同物质有不同漂白机理,高中化学教学中常涉及氧化型漂白、吸附型漂白。例如臭氧、H2O2、氯水等漂白机理为氧化型漂白;活性炭、白土等为吸附型漂白;另外还有还原型漂白,如保险粉、二氧化硫脲等。SO2使品红溶液褪色就是典型的还原型漂白实验[1]。在一些高中试题中还会涉及电化学漂白、生物酶漂白等。具体如图2所示。

图1 生产生活中的漂白对象

图2 常见漂白剂种类及其漂白机理总结图

最后,漂白效果受到实验条件的影响,同一个漂白实验,在不同条件下漂白效果差异较大。漂白速率也与漂白实验条件密切相关。文丰玉等使用H2O2对红玫瑰进行漂白,发现在25 ℃条件下,30% H2O2约2 h就能漂白玫瑰,5%H2O2则需要32 h[4]。不同浓度条件下H2O2漂白红玫瑰所需时间存在显著差异,因此对于同一个漂白实验,条件优化是重要研究内容。

2.2 H2O2漂白实验设计

H2O2是一种环保型漂白剂,漂白产物为水,污染少且可漂白对象多,在工业上有广泛运用[2]。高中教材中对H2O2的漂白问题介绍极少,但是H2O2漂白问题在高中质量检测卷中却常出现,因此有必要进行补充。H2O2是相对安全的试剂,普通高中都有配备,取用较为方便,设计这类实验有利于推广。笔者设计了一系列漂白实验,作为高中化学实验教学补充。

2.2.1 实验设计思路

H2O2的漂白实验,主要解决如下几个问题。(1)H2O2漂白主要用于棉、麻、纸浆、油画等的漂白,针对不同漂白对象,漂白效果有差异,如何选择一种适合于高中课堂教学的漂白对象呢?(2)H2O2的漂白需要在碱性条件下进行,但是碱性过强,对漂白对象有破坏作用,因此工业上开发一个漂白工艺,需要对碱源进行优化,高中教学中是否也可以引入这一问题?(3)漂白实验中使用的添加剂常含有过渡金属离子,这些金属离子对H2O2有分解作用,因此会造成原材料H2O2损失(工业生产活动中影响较大),如何减少H2O2的损失?(4)高中课堂演示实验往往要求达到快速、安全且现象明显的效果。在工业生产中,漂白速率的加快有利于提高生产效率。如何增强H2O2的漂白性?笔者设计了3组实验分别探究漂白对象、碱源、活化剂(硅酸钠、TAED等)及反应温度对H2O2漂白效果的影响。实验研究内容及研究目的见表1。

表1 3组实验设计的主要研究内容及研究目的

2.2.2 实验1:不同漂白对象漂白实验

(1)在3支试管中分别加入1 mL 30%H2O2,并在每支试管中加入1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液,观察实验现象。接着在3支试管中依次加入新鲜花瓣、普通A4打印纸(含有文字)、无色酚酞溶液。记录不同漂白对象褪色时间。

(2)对比实验:使用新制氯水对3种物质进行漂白,对比漂白结果。

(3)使用1 mL 5%H2O2重复步骤(1)实验。

实验结果:30% H2O2中加入NaOH溶液后,溶液不断冒泡,发生分解反应。使用H2O2漂白花瓣、纸张需两天甚至几天时间才能褪色,最终可以观察到纸片被分解成纸浆,这说明H2O2破坏了纸张本体。碱性H2O2加入无色酚酞溶液呈先变红后快速褪色现象,漂白时间短,继续添加碱液溶液不变红,说明酚酞已经被破坏。使用氯水漂白花瓣、酚酞溶液可较快速褪色,说明氯水相比H2O2漂白速率更快。5% H2O2溶液依旧能够快速漂白酚酞。

2.2.3 实验2:不同种类碱对H2O2漂白效果影响

(1)部分溶液配制:①0.1 mol/L(pH=11)NaOH溶液:0.400 g NaOH配成100 mL溶液;②Mg(OH)2溶液配制:向40 mL pH=11的NaOH中加入稍过量MgCl2固体得到Mg(OH)2悬浊液;③0.1 mol/L Na2CO3溶液:1.060 g Na2CO3溶液配成100 mL溶液。

(2)取2支试管,分别加入紫色石蕊溶液1 mL,其中1支加入10滴0.1 mol/L NaOH溶液,另1支加入少量水。在2支试管中各加入30%H2O2溶液1 mL,观察溶液变化,完成试管1、试管2实验(见表2)。

(3)在不同试管中依次加入对应量试剂,完成试管3、试管4实验,观察实验现象(见表2)。

表2 石蕊漂白实验中不同试剂添加量

实验2结果:如图3所示,由于H2O2可以在几秒内漂白酚酞溶液而需要较长时间才能漂白紫色石蕊溶液,但是实验2选用石蕊为研究对象。如果不加入碱,30%H2O2需要5天才能漂白石蕊。实验表明加入不同碱源都能加速H2O2对石蕊的漂白。但是在同等条件下应选用碱性较弱的碱,以防止碱性过强造成漂白对象本体的破坏。同时实验发现,加入碱液后H2O2中产生大量气泡,这有可能是碱源中少量过渡金属离子对H2O2催化分解作用造成的。

图3 H2O2对紫色石蕊漂白实验研究

2.2.4 实验3:H2O2漂白加速实验

(1)常规加速方式对H2O2漂白实验影响:取4支试管,编号1、2、3、4。分别加入紫色石蕊溶液1 mL,接着各加入10滴0.01 mol/L NaOH溶液及30% H2O2溶液1 mL,最后在试管2、试管3中各加入约0.1 g EDTA二钠盐(乙二胺四乙酸二钠),在试管4中加入约1 g硅酸钠固体。摇匀后加热试管3,其他组室温反应,观察溶液颜色变化(见表3),对比这些物质对漂白是否有活化作用。

(2)TAED(四乙酰乙二胺)作活化剂对漂白实验影响:在试管5中加入1 mL 30% H2O2及少量碳酸钠固体,调节pH至6～8。维持该pH。5 min后加入对应量TAED(见表3)。振荡反应2 min后得到漂白母液。向漂白母液中加入0.5 mL紫色石蕊溶液,置于室温环境观察溶液变化。

表3 石蕊漂白实验中不同试剂添加量对漂白速率影响

实验3结果:笔者参考文献实验结果选定了有可能加速H2O2分解速率的活化剂:EDTA、硅酸钠、四乙酰乙二胺(TAED)。实验发现加入EDTA二钠盐后,H2O2的分解减少,可能的机理为EDTA对过渡金属离子具有螯合作用,减小了过渡金属离子的浓度,从而减少H2O2自分解,提高H2O2利用率。硅酸钠的活化作用不明显,而TAED确实有一定活化作用,但是漂白时间仍旧较长。实验证明加热可以显著加快漂白速率。因此高中课堂教学中可以引入EDTA并加热这组实验。

2.3 教学实践

图4为H2O2漂白效果教学实践设计思路。基于核心问题:如何深度认识H2O2的漂白作用,依次讨论5个漂白问题:漂白的基本定义、漂白对象的差异、H2O2漂白原理、实验条件对漂白效果影响、H2O2用于牙齿漂白的分析。5个问题对应5个小组活动。这些活动的设计不仅服务于知识教学,更重要在于发展学生获取信息、辩证思考问题、科学探究化学问题、合理归纳实验结果等能力。

教学中5个小组活动如设计意图见表4。学生通过资料阅读、信息提取、分析综合、实验研究等活动解决相关问题。

在课堂讨论基础上,可以进一步引导学生在课后开展实验研究。如H2O2活化剂开发、过氧化钠的漂白机理分析、牙齿漂白中使用过氧化氢脲的主要原因等。

图4 H2O2漂白问题教学设计思路

表4 课堂教学活动具体内容

3 总结与讨论

3.1 通过系列探究实验,总结如下结论

(1)H2O2对指示剂漂白作用显著,其中H2O2可以快速漂白酚酞溶液,可以作为高中课堂演示实验使用材料,H2O2对紫色石蕊溶液的漂白需要5 h,可用作课外探究实验。

(2)H2O2在不同碱源条件下都能加速对紫色石蕊溶液的漂白速率,但是碱溶液中过氧化氢溶液冒出大量气泡,造成损失,需要补充添加剂以减少H2O2分解。

(3)EDTA能够与过渡金属离子螯合,对减少H2O2自分解有显著作用;TAED对H2O2有一定活化作用,能够缩短漂白时间;加热后可以大大加快漂白速率,但是工业上加热需要额外成本。

3.2 教学实践总结

(1)本次教学从基本概念原理出发,接着优化实验条件,最后探讨运用价值。教学过程引导学生从多维度探讨漂白问题,逐步建立较为全面的认识,改变了学生固有的单一认知,大大拓宽学生视野。

(2)课堂教学过程中,学生自主提出问题并开展实验探究,极大提高了学生学习兴趣,同时培养学生思考问题、分析问题、解决问题的能力。

(3)本次教学是一个将工业生产问题向高中课堂转化的典型案例。H2O2在工业使用中面临自分解、碱源影响等问题。在高中课堂可以引导学生开展实验探究分析解决这些真实问题,有利于强化学生对化学学科价值的认可。