利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究三價(jià)鐵離子與硫氰酸鉀顯色反應(yīng)教學(xué)案例*

趙 越 李亭亭 韓 禹 張 靜 馮靜東 孫艷濤

一、設(shè)計(jì)思路

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，回顧化學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)貫穿始終，并且發(fā)揮著重要的作用。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的地位也是至關(guān)重要的。新版化學(xué)教學(xué)大綱對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)做出了明確規(guī)定，教師在培養(yǎng)學(xué)生時(shí)，要把提高實(shí)驗(yàn)技能作為教學(xué)目標(biāo)之一[1]。通過實(shí)驗(yàn)，一方面可以提高理論課的教學(xué)效果；另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力和分析能力。為了加快實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，將數(shù)字化技術(shù)融入于中學(xué)化學(xué)教學(xué)已是必然趨勢[2]。

三價(jià)鐵離子和硫氰酸鉀的顯色反應(yīng)是高中化學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，顯色劑的用量、溶液的酸度、顯色時(shí)間和顯色溫度是影響顯色反應(yīng)的主要因素。在人教版高中教材選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》中，利用硫氰酸鉀鑒定三價(jià)鐵離子時(shí)，沒有嚴(yán)格指出顯色劑的用量、顯色反應(yīng)時(shí)間和最佳酸度等實(shí)驗(yàn)條件[3]。因此，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生探究三價(jià)鐵離子和硫氰酸鉀顯色反應(yīng)的本質(zhì)及其主要影響因素。

二、教材及學(xué)情分析

從人教版化學(xué)選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》的設(shè)置來看，此階段的學(xué)生已經(jīng)初步掌握了顯色反應(yīng)的基本原理。通過利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究氯化鐵和硫氰酸鉀的顯色反應(yīng)，一方面，學(xué)生可以建立更加完整的知識體系；另一方面，學(xué)生的綜合能力也會得到進(jìn)一步提高。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知識與能力

(1)掌握硫氰酸鉀檢驗(yàn)三價(jià)鐵離子的方法。

(2)了解鐵及鐵離子在日常生產(chǎn)和生活中的重要作用。

2.方法與過程

根據(jù)顯色反應(yīng)的主要影響因素，將學(xué)生分成3個(gè)小組。每個(gè)小組需要完成資料收集、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。

3.情感態(tài)度價(jià)值觀

一方面，通過資料收集和實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生動手能力及觀察能力，養(yǎng)成自主探究、小組合作等習(xí)慣；另一方面，通過數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析，培養(yǎng)學(xué)生們分析能力及歸納總結(jié)能力，養(yǎng)成細(xì)心、耐心等習(xí)慣。

四、教學(xué)過程

1.內(nèi)容導(dǎo)入

【師】上節(jié)課將大家分成3個(gè)小組，分別收集鐵的物理性質(zhì)、鐵的化學(xué)性質(zhì)、鐵的鑒別方法及其應(yīng)用。

【生】第一小組：鐵是一種金屬元素，純鐵是白色或者銀白色，有金屬光澤。鐵的熔點(diǎn)1538 ℃、沸點(diǎn)2750 ℃，能溶于強(qiáng)酸和中強(qiáng)酸，不溶于水。鐵有0價(jià)、+2價(jià)、+3價(jià)和+6價(jià)，其中+2價(jià)和+3價(jià)較常見，+6價(jià)少見。鐵在生活中分布較廣，占地殼含量的4.75%，僅次于氧、硅、鋁，位居地殼含量第四。純鐵的柔韌和延展性較好，用于制作發(fā)電動機(jī)的鐵芯；鐵及其化合物還用于制作磁鐵、藥物、墨水和磨料等，是工業(yè)上所說的“黑色金屬”之一[4]。另外，人體中也含有鐵元素，+2價(jià)的亞鐵離子是血紅蛋白的重要組成成分，用于氧氣的運(yùn)輸。

第二小組：生活中鐵主要是以鐵氧化物的形式存在的，其中既有二價(jià)鐵又有三價(jià)鐵，大多數(shù)鐵氧化物在土壤顆粒中以不同程度的微結(jié)晶形式存在。人體吸收過多的三價(jià)鐵會引起智力下降，體力不支，還可以引發(fā)一系列疾病。一般來說，鐵的吸收要靠維生素C的幫忙，動物肝臟中的鐵均為三價(jià)鐵，三價(jià)鐵是不能為人體吸收的，必須在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為二價(jià)鐵之后，人體才能夠吸收利用[5]。

第三小組：鑒別三價(jià)鐵離子的方法有很多，常見的方法有以下幾種。物理方法是觀察法，三價(jià)鐵溶液顯黃色。化學(xué)方法可以用顯色法，例如，可溶性硫氰化物法，生成紅色絡(luò)合物；加堿法，生成紅褐色沉淀；苯酚法，苯酚與三價(jià)鐵生成紫色的絡(luò)合離子。其中，可溶性硫氰化物法使用最為廣泛。

【師】通過小組匯報(bào)了解了鐵的基本知識，知道人體吸收離不了三價(jià)鐵，需要將其轉(zhuǎn)化成二價(jià)鐵。那么如何檢驗(yàn)三價(jià)鐵的存在就顯得至關(guān)重要。在中學(xué)階段幾乎所有的化學(xué)教科書都介紹到，F(xiàn)e3+與KSCN發(fā)生配合反應(yīng)生成絡(luò)合物Fe(SCN)3顯紅色，利用此原理檢驗(yàn)三價(jià)鐵的存在[6]。但是由于實(shí)驗(yàn)誤差以及個(gè)體視覺因素導(dǎo)致顯色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，可以通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器探究三價(jià)鐵離子和硫氰酸鉀的顯色反應(yīng)。通過比較不同的顯色劑濃度、酸度、顯色時(shí)間等條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，掌握顯色反應(yīng)的本質(zhì)及其主要影響因素[7]。

【設(shè)計(jì)意圖】通過課前收集資料，養(yǎng)成學(xué)生自主學(xué)習(xí)的優(yōu)良習(xí)慣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過小組合作、整理歸納等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生人際交往能力，提高課堂教學(xué)效率。

2.實(shí)驗(yàn)操作

【師】(PPT投影)請大家仔細(xì)閱讀投影中的實(shí)驗(yàn)步驟，小組討論交流后開始實(shí)驗(yàn)。注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每個(gè)小組實(shí)驗(yàn)臺上配有0.05 g/L FeCl3，3 mol/L KSCN和6 mol/L HNO3試液；UV1750紫外分光光度計(jì)；容量瓶；吸量管；比色皿；洗耳球等。教師隨時(shí)指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的各種問題。

【生】仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)步驟，小組討論后開始實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尋找最佳實(shí)驗(yàn)條件。

【設(shè)計(jì)意圖】開展學(xué)生活動，活躍課堂氣氛，通過教師引導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)過討論交流能夠發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、最后解決問題。通過討論交流激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

表1 FeCl3與KSCN的顯色反應(yīng)

【生】第一小組：隨著KSCN體積的增加，吸光度A值也在逐漸增大。當(dāng)KSCN體積從3 mL增加至6 mL時(shí)，吸光度變化幾乎相同。

第二小組：隨著HNO3體積的增加，吸光度A值也在逐漸增大。當(dāng)體積從4 mL增加至5 mL時(shí)，吸光度變化最大。

第三小組：隨著顯色時(shí)間的增加，吸光度A值也在逐漸增大。當(dāng)顯色時(shí)間在15分鐘時(shí)，基本達(dá)到飽和，隨著時(shí)間增加吸光度變化不大。

【師】隨著顯色劑用量的增加，吸光度A值不斷增大，在用KSCN測定Fe3+含量的比色分析中，KSCN的量一定要準(zhǔn)確。溶液的酸度控制在pH＜2，選用6 mol/LHNO3，5 mL時(shí)A值最大。顯色時(shí)間超過15 分鐘后，A值幾乎不變，因此，顯色反應(yīng)時(shí)間在15分鐘后進(jìn)行測定。此時(shí)KSCN對Fe3+含量進(jìn)行測定，才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

【設(shè)計(jì)意圖】通過實(shí)驗(yàn)操作，激發(fā)學(xué)生對化學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣；通過小組討論，加深學(xué)生對理論知識的深入理解[8]。使學(xué)生在總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程中，深刻體會數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有直觀、準(zhǔn)確等優(yōu)勢。

3.拓展實(shí)驗(yàn)

【師】上述實(shí)驗(yàn)使用的藥品為氯化鐵溶液，如果換成硫酸鐵溶液是否還會有相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？請學(xué)生將實(shí)驗(yàn)中的氯化鐵換成硫酸鐵溶液再次進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論。

【生】小組討論：將氯化鐵換成硫酸鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否會發(fā)生改變。準(zhǔn)備藥品，實(shí)驗(yàn)探究。

【設(shè)計(jì)意圖】對三價(jià)鐵離子與硫氰酸鉀顯色反應(yīng)進(jìn)行深入探究，拓展學(xué)生的發(fā)散性思維，掌握顯色反應(yīng)的本質(zhì)及其主要影響因素。

表2 FeSO4與KSCN的顯色反應(yīng)

【生】小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出將氯化鐵換成硫酸鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果不會發(fā)生改變。

【師】通過以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在KSCN與Fe3+的顯色反應(yīng)中Cl-與SO42-對實(shí)驗(yàn)影響不大，并不會改變實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【設(shè)計(jì)意圖】通過拓展實(shí)驗(yàn)為學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)探究環(huán)境，直觀、清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生明白KSCN與Fe3+的顯色反應(yīng)與其組成的陰離子影響不大。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對顯色反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識與理解[9]，從而激發(fā)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

五、教學(xué)反思

由于儀器設(shè)備數(shù)量有限，將學(xué)生分成3個(gè)小組，每個(gè)小組人數(shù)較多，有些學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中走馬觀花，沒有到達(dá)預(yù)期的教學(xué)目的及效果。在課程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到儀器數(shù)量及學(xué)生人數(shù)的問題，盡可能讓每位學(xué)生都能動手操作，提高教學(xué)效率。實(shí)驗(yàn)課課時(shí)較少，學(xué)生在溶液配制、儀器操作等環(huán)節(jié)操作不規(guī)范、不熟練，導(dǎo)致溶液濃度配制不準(zhǔn)確，不能得到正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。應(yīng)盡可能開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，增加基本操作練習(xí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能。

六、結(jié)語

本文利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究了鐵離子與硫氰酸鉀的顯色反應(yīng)，討論顯色反應(yīng)的本質(zhì)及其影響因素。課程設(shè)置既發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用也體現(xiàn)了學(xué)生的主體作用。一方面通過實(shí)驗(yàn)操作提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力；另一方面，采取小組合作方式提高了教師的課堂教學(xué)效率、培養(yǎng)了學(xué)生的人際交往能力。