“溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響”實(shí)驗(yàn)的探究式學(xué)習(xí)

熊宇環(huán)

【摘 要】針對(duì)“溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響”實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進(jìn)行分析，認(rèn)真探究其原因，可以讓我們體會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出猜想、進(jìn)行驗(yàn)證并得出結(jié)論的探究過(guò)程，使我們探究、解決問(wèn)題的能力得以培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】溫度；化學(xué)反應(yīng)速率；實(shí)驗(yàn)；探究式教學(xué)

一、背景

新一輪課改倡導(dǎo)我們?cè)诶蠋熤笇?dǎo)下進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)，其目的在于引導(dǎo)我們積極、主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，從而促進(jìn)我們?cè)谥R(shí)和技能的形成過(guò)程中，發(fā)展其綜合能力?；瘜W(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，是我們進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)的重要載體。

關(guān)于“溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響”實(shí)驗(yàn)，是根據(jù)碘酸鉀與亞硫酸氫鈉在酸性條件下反應(yīng)生成單質(zhì)碘，碘遇淀粉變藍(lán)色的實(shí)驗(yàn)原理，在保持其他條件不變的情況下，改變反應(yīng)溫度，記錄在不同溫度下，溶液變?yōu)樗{(lán)色所需的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間的變化趨勢(shì)來(lái)說(shuō)明溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2KIO3 + 5NaHSO3 → K2SO4 + Na2SO4 + 3NaHSO4 +I2↓+ H2O

長(zhǎng)期以來(lái)，老師們對(duì)這部分內(nèi)容基本是采用驗(yàn)證式的教學(xué)方式來(lái)實(shí)施教學(xué)的，我們按照規(guī)定的步驟進(jìn)行操作最后都能得到“預(yù)期的結(jié)果”。在一次實(shí)驗(yàn)中，我和我組的同學(xué)并未按要求進(jìn)行操作（本實(shí)驗(yàn)要求在室溫、比室溫高10℃、比室溫高15℃的條件下進(jìn)行），而是將碘酸鉀與亞硫酸氫鈉溶液加熱至比室溫高50℃，然后再混合，使其反應(yīng)。結(jié)果，過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間溶液也沒(méi)變成預(yù)期的藍(lán)色，我們感到很困惑：根據(jù)范特霍夫規(guī)則，當(dāng)其他條件不變時(shí)，升高溫度，可以增大反應(yīng)速率，即溫度越高，溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間越短，怎么會(huì)不變藍(lán)色呢？。此時(shí)，老師若直接告訴我們答案，我們表面上的疑慮消除了，但只是被動(dòng)地接受了知識(shí)，缺少主動(dòng)性，缺失了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，顯然與新課改的要求不符。所以，針對(duì)這一意外情況下發(fā)生的異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，老師應(yīng)該引導(dǎo)我們帶著問(wèn)題去圖書(shū)館、閱覽室、網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)資料，旨在培養(yǎng)我們探究、解決問(wèn)題的能力。

二、探究過(guò)程

（一）提出問(wèn)題

在我們課前進(jìn)行充分準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，老師可針對(duì)上次實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)的異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溫度過(guò)高，溶液不變藍(lán)色，將我們分為若干個(gè)小組，引導(dǎo)我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試劑：0.02mol.L-1NaHSO3（每升溶液含可溶性淀粉2.5克）、0.02mol.L-1KIO3 （每升溶液中含6mol.L-1硫酸4ml）。

儀器：數(shù)顯恒溫水浴鍋、磁力攪拌器、秒表、試管、燒杯、玻璃棒等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

步驟及實(shí)驗(yàn)記錄：

（1）取10ml NaHSO3溶液加入試管中；

（2）取30ml KIO3溶液和10ml水加入燒杯中；

（3）將試管和燒杯同時(shí)放入恒溫水浴鍋中（水浴鍋中事先加好水），溫度設(shè)置在10℃；

（4）當(dāng)溫度顯示10℃時(shí)，將NaHSO3溶液迅速倒入KIO3溶液中，并不斷攪拌溶液，記下溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間。

按同樣方法，在15℃、20℃、25℃等條件下實(shí)驗(yàn)，記下溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間，列于下表：

由上表可知：當(dāng)反應(yīng)溫度T≤30℃時(shí)，溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間，隨溫度升高而逐漸縮短（完全符合范特霍夫規(guī)則）；當(dāng)反應(yīng)溫度T>30℃時(shí)，溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間，隨溫度升高反而逐漸增長(zhǎng)；當(dāng)反應(yīng)溫度T≥ 55℃時(shí)，溶液不再變藍(lán)色。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：當(dāng)反應(yīng)溫度T>30℃時(shí)，溶液變成藍(lán)色所需的時(shí)間為什么隨溫度升高反而逐漸增長(zhǎng)？升溫至55℃時(shí)，溶液為什么不變藍(lán)色呢？

（二）分析與猜想

根據(jù)已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們可積極思考、認(rèn)真討論、仔細(xì)分析碘酸鉀和亞硫酸氫鈉在酸性溶液中發(fā)生的一些反應(yīng)，離子反應(yīng)式如下：

1.IO3-+3HSO3-→3SO42-+3H++I-（慢）

2.IO3-+5I-+6H+3→I2 ↓+3H2O（慢）

3.I2+HSO3-+H2O→2I-+SO42—+3H+（快）

以上反應(yīng)速率是（3）>（2）>（1），反應(yīng)速率由（1）（2）決定，I-被IO3-氧化生成單質(zhì)的I2，而同時(shí)單質(zhì)的I2又被還原成I-，只有當(dāng)HSO3-被全部反應(yīng)，溶液中才會(huì)有單質(zhì)的I2存在，遇到淀粉溶液才變藍(lán)色。上述實(shí)驗(yàn)中加入的碘酸鉀和亞硫酸氫鈉的摩爾比為3：1，碘酸鉀過(guò)量，亞硫酸氫鈉被完全反應(yīng)，溶液中應(yīng)該有I2存在，溶液應(yīng)該出現(xiàn)藍(lán)色。為什么會(huì)出現(xiàn)上述異?，F(xiàn)象呢？我們最先想到的原因是：I2在逐漸減少，而I2減少的原因可能是：I2易升華，隨著溫度升高，反應(yīng)生成的I2從溶液中慢慢逸出。

通過(guò)思考和探究，我們最終明白了I2遇到淀粉溶液之所以變成藍(lán)色的原因：淀粉為白色無(wú)定形粉末，由10%～30%的直鏈淀粉和70%～90%的支鏈淀粉組成，其中的直鏈淀粉具有遇I2變藍(lán)色的特性。溶于水中的直鏈淀粉借助分子內(nèi)的氫鍵卷曲成螺旋狀，螺旋狀結(jié)構(gòu)中有一定的空腔，I2分子很小，能鉆入空隙中，于是I2分子借助范德華力與直鏈淀粉聯(lián)系在一起，形成藍(lán)色的管道形包合物。根據(jù)之前所學(xué)知識(shí)，我們清楚知道范德華力是存在于分子間的一種作用力，它比化學(xué)鍵弱得多。所以由此猜想：I2與淀粉結(jié)合生成的藍(lán)色管道形包合物的熱穩(wěn)定性較差。

（三）驗(yàn)證猜想

1.為驗(yàn)證I2是否隨著反應(yīng)溫度升高而從溶液中慢慢逸出，經(jīng)思考和討論設(shè)計(jì)了以下裝置，見(jiàn)圖1：

三角漏斗內(nèi)側(cè)放置一張被淀粉溶液濕潤(rùn)過(guò)的圓形濾紙，濾紙大小基本與漏斗體積相吻合。當(dāng)?shù)馑徕浥c亞硫酸氫鈉溶液分別加熱至55℃時(shí)，將亞硫酸氫鈉溶液立即倒入碘酸鉀溶液中，開(kāi)動(dòng)磁力攪拌器的同時(shí)，將漏斗迅速倒扣在燒杯上方。過(guò)幾分鐘后觀(guān)察漏斗內(nèi)側(cè)的濾紙，如果有I2逸出，濾紙應(yīng)該會(huì)變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：濾紙不變藍(lán)。

2.為驗(yàn)證碘與淀粉結(jié)合生成的藍(lán)色包合物的熱穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生設(shè)計(jì)了如下裝置，見(jiàn)圖2：

取3～5ml碘與淀粉形成的藍(lán)色溶液加入試管中，再將試管放入盛有水的燒杯中進(jìn)行水浴加熱，并在試管旁放一溫度計(jì)，使溫度計(jì)球形部分與試管溶液的中部保持在同一高度。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：藍(lán)色溶液加熱至35℃時(shí)，顏色開(kāi)始變淺；加熱至40℃～45℃時(shí)，溶液呈淺藍(lán)色；加熱至53℃時(shí)，藍(lán)色完全消失。取出試管，放在盛有冷水的燒杯中冷卻，藍(lán)色很快恢復(fù)。

（四）結(jié)論

通過(guò)分析、猜想、實(shí)驗(yàn)后證明：當(dāng)反應(yīng)溫度T>30℃時(shí)，溶液出現(xiàn)藍(lán)色所需的時(shí)間隨溫度升高而逐漸增長(zhǎng)；當(dāng)反應(yīng)溫度T≥ 55℃時(shí)，溶液不再變藍(lán)色的原因是I2與淀粉形成的藍(lán)色管道形包合物熱穩(wěn)定性較差。

三、結(jié) 語(yǔ)

這種探究性實(shí)驗(yàn)，我們積極思考、熱烈討論、大膽發(fā)表自己的見(jiàn)解，真正成為了解決問(wèn)題的一份子，在這樣的學(xué)習(xí)氛圍中，我們真正感受到自己是學(xué)習(xí)的主人，是課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，這樣不斷提高了我們的學(xué)習(xí)效率，而且培養(yǎng)和提升了我們解決問(wèn)題的能力。