指向核心素養(yǎng)培育的微科技項(xiàng)目

凌一洲 楊建 任澤中 高文蓓

摘要： 在中考化學(xué)試題中，常涉及生成氣體（如氫氣、二氧化碳和氧氣）的質(zhì)量隨時(shí)間變化的曲線圖。研究發(fā)現(xiàn)，此類試題的一些相關(guān)曲線圖存在科學(xué)性問(wèn)題?；跀?shù)字化的實(shí)驗(yàn)研究表明，此類反應(yīng)生成氣體的速率在直角坐標(biāo)系內(nèi)并不是呈現(xiàn)上升型的一次函數(shù)圖像，而是整體呈上升趨勢(shì)且越來(lái)越平緩的曲線。在中考命題時(shí)，涉及的圖像素材應(yīng)該盡量真實(shí)合理，這樣才能充分發(fā)揮考試的評(píng)價(jià)功能，同時(shí)提高學(xué)生的數(shù)形轉(zhuǎn)化能力。

關(guān)鍵詞： 中考化學(xué)題; 圖像題; 科學(xué)性; 一次函數(shù)圖像

文章編號(hào)： 10056629（2019）4008104中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在化學(xué)教學(xué)中，圖像不僅是信息呈現(xiàn)的重要方式，也是研究和處理化學(xué)問(wèn)題的一種常用方法，因而圖像題備受中考化學(xué)命題者的青睞。

前不久，我們統(tǒng)計(jì)了近兩年全國(guó)各地的120份中考化學(xué)試卷，發(fā)現(xiàn)其中有50多道試題涉及反應(yīng)生成氣體（如氫氣、氧氣、二氧化碳）的質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖，如2017年甘肅省蘭州市、四川省南充市和山東省煙臺(tái)市的中考題，以及2018年湖北省咸寧市及隨州市的中考題等。我們借助于文獻(xiàn)[1～3]及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等研究手段發(fā)現(xiàn)，上述圖像存在一定的科學(xué)性問(wèn)題。

1 圖像題實(shí)例

下面我們選取2017年甘肅省蘭州市的有關(guān)中考化學(xué)圖像題[4]進(jìn)行分析、研究。

本題的A、 C選項(xiàng)，是直角坐標(biāo)系內(nèi)反應(yīng)生成氧氣、氫氣的質(zhì)量隨時(shí)間變化的函數(shù)圖像，即生成氣體的速率圖。在真實(shí)的反應(yīng)過(guò)程中，生成氣體的速率圖像是否呈一次函數(shù)方式上升呢？我們從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2 理論分析

針對(duì)某一特定的化學(xué)反應(yīng)（如雙氧水分解放出氧氣、活潑金屬與酸溶液反應(yīng)放出氫氣、碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)放出二氧化碳?xì)怏w等），影響反應(yīng)速率的因素有反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)體系所處的環(huán)境溫度、反應(yīng)物的形狀、生成物的溶解性、催化劑等。一般來(lái)講，如果反應(yīng)物的濃度大、反應(yīng)的溫度高、反應(yīng)物的比表面積大，那么微粒之間發(fā)生有效碰撞的機(jī)會(huì)就多，即反應(yīng)速率就很快。

不難想到，由于在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物的濃度越來(lái)越小，而且反應(yīng)的溫度、反應(yīng)物的比表面積也都處于變化之中，因此生成氣體的量與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系并不是單純的正比例關(guān)系，即直角坐標(biāo)系內(nèi)的反應(yīng)速率曲線圖并不是上升型的一次函數(shù)圖像。

3 實(shí)驗(yàn)探究

我們選用蘇威爾數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于氫氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器的最大量程有限（一般低于10%），不適合測(cè)定此類反應(yīng)生成的氣體體積，因此本實(shí)驗(yàn)都采用氣體壓強(qiáng)傳感器測(cè)定生成氣體的量（這樣也便于實(shí)驗(yàn)操作）。由于氣體的壓強(qiáng)受溫度的影響較大，為了減少溫度對(duì)氣體壓強(qiáng)的影響而引起的誤差，我們一方面注意選用低濃度的反應(yīng)物，另一方面將氣體發(fā)生裝置浸在冰水中。冰水的作用是使反應(yīng)的溫度控制在相對(duì)恒定的條件下，使得到的曲線更加清晰、誤差更小。

3.1 測(cè)定過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖綜合考慮反應(yīng)放熱、反應(yīng)速率等因素，我們選用3%的過(guò)氧化氫溶液與二氧化錳粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

3%的過(guò)氧化氫溶液、粉末狀二氧化錳和冰水等蘇威爾溫度傳感器（型號(hào)ZC0009），蘇威爾壓強(qiáng)傳感器（型號(hào)ZC0024），250mL的三口燒瓶（含配套的單孔橡皮塞），10mL的注射器等

3.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

3.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在三口燒瓶?jī)?nèi)放入適量的二氧化錳，在其左、右支管口上分別插入壓強(qiáng)傳感器和溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內(nèi)預(yù)先吸入10mL3%的過(guò)氧化氫溶液），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示，連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（2） 打開(kāi)蘇威爾軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，同時(shí)推動(dòng)注射器活塞將雙氧水緩慢注入到三口燒瓶?jī)?nèi)。此時(shí)，電腦屏幕上就開(kāi)始顯示反應(yīng)過(guò)程中裝置內(nèi)的氣體壓強(qiáng)、溫度隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線（見(jiàn)圖2、圖3）。

（3） 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3～4次，我們發(fā)現(xiàn)每一次測(cè)得的結(jié)果都極為相似。

3.2 測(cè)定碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳的量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖大理石、石灰石、碳酸鈣等都能與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，但綜合考慮反應(yīng)放熱、反應(yīng)速率等因素，我們選用碳酸鈣粉末和0.73%的稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

0.73%的稀鹽酸、碳酸鈣粉末、冰水等。儀器同實(shí)驗(yàn)3.1

3.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在三口燒瓶?jī)?nèi)加入0.51g碳酸鈣粉末，在其左、右支管口上分別插入壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內(nèi)預(yù)先吸入10mL0.73%的稀鹽酸），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（2） 打開(kāi)蘇威爾軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，同時(shí)推動(dòng)注射器活塞將稀鹽酸緩慢注入三口燒瓶?jī)?nèi)。此時(shí)，電腦屏幕上就開(kāi)始顯示反應(yīng)過(guò)程中裝置內(nèi)的氣體壓強(qiáng)及溫度隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線（見(jiàn)圖4、圖5）。

（3） 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3～4次，我們發(fā)現(xiàn)每一次測(cè)得的結(jié)果都極為相似。

3.3 測(cè)定鎂與鹽酸反應(yīng)生成氫氣的量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖活潑金屬都能與鹽酸反應(yīng)放出氫氣，但綜合考慮反應(yīng)速率、反應(yīng)放熱等因素，我們采用潔凈的鎂條與2%的稀鹽酸反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

2%的稀鹽酸、潔凈的鎂條、冰水等，儀器同實(shí)驗(yàn)3.1。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在三口燒瓶?jī)?nèi)放入0.05g潔凈的鎂條，在其左、右支管口上分別插入壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器，在其中間支管口上插入注射器針頭（注射器內(nèi)預(yù)先吸入10mL2%的稀鹽酸），然后把三口燒瓶放入冰水中，再按圖1所示連好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

（2） 打開(kāi)蘇威爾軟件，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，同時(shí)推動(dòng)注射器活塞將稀鹽酸緩慢注入三口燒瓶?jī)?nèi)。此時(shí)，電腦屏幕上就開(kāi)始顯示反應(yīng)過(guò)程中裝置內(nèi)的氣體壓強(qiáng)及溫度隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線（見(jiàn)圖6、圖7）。

（3） 重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)3～4次，我們發(fā)現(xiàn)每一次測(cè)得的結(jié)果都極為相似。

4 實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)

（1） 在裝入藥品之前要檢查裝置的氣密性，即輕輕用力向下推動(dòng)注射器活塞一小段距離，然后松開(kāi)手，若活塞能很快恢復(fù)到原來(lái)的位置，則裝置的氣密性良好。為了確保實(shí)驗(yàn)裝置具有良好的氣密性，三口燒瓶上的單孔橡皮塞一定要塞緊。

（2） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制三口燒瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)（以不超過(guò)150kPa為宜），以防氣體較多引起容器沖塞，造成實(shí)驗(yàn)失敗甚至釀成實(shí)驗(yàn)事故。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，立刻拔掉三口燒瓶上的橡皮塞（防止瓶?jī)?nèi)氣壓過(guò)大引起沖塞），然后整理實(shí)驗(yàn)用品，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

從上述溫度變化曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過(guò)程中溫度的變化并不明顯，說(shuō)明利用冰水控制實(shí)驗(yàn)體系的溫度是有效的，因此借助于氣體壓強(qiáng)傳感器測(cè)量反應(yīng)生成氣體的量是可行的，相關(guān)的誤差也是合理的。

從上述生成氣體的量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖可知，反應(yīng)生成氣體（氧氣、二氧化碳、氫氣）的?量隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線并非是以一次函數(shù)的形式直線上升，而是先快速上升再緩慢上升直至水平。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)物濃度不斷減小，引起了反應(yīng)速率的逐漸減緩。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，上述系列實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)科學(xué)、操作可行、結(jié)論可靠，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，還可以作為學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)范例。

另外，我們?cè)诿七@類中考圖像題時(shí)，涉及的化學(xué)反應(yīng)生成氣體的速率圖，既要符合事實(shí)（曲線總體呈上升趨勢(shì)且逐漸平緩），又要簡(jiǎn)單實(shí)用好看（曲線的線條盡量平滑，如圖8所示），從而在確保試題科學(xué)性的前提下有利于學(xué)生答題。

參考文獻(xiàn)：

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[3]夏建華， 楊靜. 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的初中化學(xué)科學(xué)探究——以“探究鋁和稀鹽酸、 稀硫酸反應(yīng)”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （5）： 46～50.

[4]2017年蘭州市初中學(xué)業(yè)水平考試·化學(xué)（A）[EB/OL]. http：//www.zxxk.com/soft/6444463.html， 2018-7-26.