实验活动5 不同价态含硫物质的转化 教学设计（表格式）

不同价态含硫物质的转化微项目教学设计
——课程思政视域下化学学科核心素养提升的实验教学
课程基本信息
学科 化学 年级 高一 学期 春季
课题 不同价态含硫物质的转化
微项目主题和学情分析
1.微项目主题分析 《不同价态含硫物质的转化》选自人教版高中化学必修第二册第五章《化工生产中的重要非金属元素》中的实验活动5[1]，也是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》要求的学生必做实验之一[2]。在第一节《硫及其化合物》基础上，引导学生运用氧化还原反应原理设计实验，分组实验探究，实现不同价态含硫物质的转化。实验过程中，观察、记录、分析实验现象，得出实验结论，总结实验存在问题，进行实验改进创新，设计一体化、连续性实验，即满足新课标要求，也符合绿色化学思想,培育化学学科核心素养，落实立德树人。本实验巩固前面所学，帮助学生构建不同价态含硫物质转化认知模型。 学情分析 本节课的核心是依据氧化还原反应理论设计实验实现不同价态含硫物质的转换，构建转化观认知模型。在本节课之前，学生已经能对物质进行分类，了解不同类别物质之间的转化，掌握氧化还原反应、氧化剂、还原剂、离子反应、元素周期律等基本概念，并能用于解释生产、生活中的化学问题。 学习方式上，学生能预设实验方案、设计实验、实施实验、分析、探索、收集证据、得出结论 。学生能进行简单实验方案的设计和实施，对连续性实验设计和实施存在困惑，实验操作技能和创新能力有待进一步提升。 通过本节课微项目教与学，学生加深理解不同价态含硫物质转化的实验设计原理和方法，通过小组合作实验，激发化学学习兴趣，发展变化观念、科学探究、证据推理、模型认知、创新意识、科学态度、社会责任素养，培养团队协作、敢于质疑、严谨认真、大胆创新等科学精神。
已有研究基础
课前通过知网查阅已有研究，对已有研究进行梳理（表1）。 表1 已有研究基础 作者题名来源核心内容或装置图宋金秀在实验室里研究不同价态硫元素间的转化[3] 化学教育在已学基础上，在实验室引导学生运用氧化还原理论探究实现不同价态（0、+4、+6）硫元素之间的转化。胡久华李琦 马洪武冯清华促进问题解决思路建构的学生必做实验课教学——以“不同价态含硫物质的转化”为例[4]基础教育课程构建研究不同价态含硫物质转化的思维模型：预设元素价态转化、实验验证、验证预测、得出实验结论。种飞飞促进化学学科核心素养的“硫的转化”实验教学研究[5]硕士论文以0、+4、+6价硫的转化为例，提出教学环节：提出问题、形成假设、制定方案、收集证据、得出结论。王 晶倪 刚陈 伟 不同价态含硫物质转化的一体化综合实验[6] 实验教学与 仪器陈 菲 刘晓玲 不同价态含硫物质的转化的一体化实验设计[7] 江西化工
教学目标及课程思政
1.通过工业硫酸制备过程、自然界中含硫物质的转化，根据化合价变化，从氧化还原角度认识不同价态含硫物质的转化，初步形成不同价态同种元素的转化观念，建立化学变化是有条件的观念，培养学生多角度、动态分析化学变化的能力，培育变化观念素养，培养学生辩证唯物主义观。 2.通过实验室中不同价态含硫物质的转化，依据化合价升降原则，将转化思路分解、细化，明确转化思路，建构转化思维模型，培育模型认知素养，培养学生严谨认真思维意识。 3.通过预设不同价态含硫物质性质，设计实验方案，进行实验验证，收集证据，得出结论，提升学生实验探究和基本操作能力，培育学生证据推理、科学探究、创新意识素养，培养学生团队合作能力、实事求是的科学精神、严谨认真的科学态度、勇于创新的精神、绿色化学意识、环境保护意识。
教学内容
教学重点：不同价态含硫物质转化思维模型的构建。 教学难点：不同价态含硫物质的转化实验方案的设计和实施。
教学过程
任务一 回顾含硫物质的转化 [教师]前面已经学习了S、SO2、H2SO4的性质，知道工业硫酸生产（图1）需控制化学反应条件实现含硫物质的转化，自然界中含硫物质[8]（图2）在一定条件下能够相互转化，在实验室如何实现不同价态含硫物质的相互转化呢？首先弄清楚不同价态的含硫物质有哪些和它们的转化关系。 图1 工业硫酸生产流程图 图2 自然界含硫物质的转化 [学生活动1]根据硫元素的化合价进行分类，展示分类的结果。 -2 0 +4 +6 S S S S H2S S SO2 SO3 Na2S H2SO3 H2SO4 ZnS Na2SO3 Na2SO4 FeS BaSO3 BaSO4 CuS CuSO4 HgS [学生活动2]构建不同价态含硫物质价类二维认知模型(图3） 图3 不同价态含硫物质价-类二维图 [设计意图]依据硫的化合价对含硫物质分类；根据化工生产和自然界中不同价态含硫物质在一定条件下可以相互转化事实，引发学生思考在实验室如何实现不同价态含硫物质的转化。培养学生动态的角度分析问题能力，建构转化观，培育变换观念、模型认知素养，培养学生辩证唯物主义观。 任务二 设计不同价态含硫物质转化的实验方案 [教师]请根据不同价态含硫物质的转化关系和氧化还原反应原理寻找合适的氧化剂、还原剂，设计实验方案，在一定条件下，实现不同价态含硫物质的转化，预测实验现象。 [学生活动1]小组讨论预设不同价态含硫物质转化方案（表1） 表1 不同价态含硫物质的转化方案 实验序号价态 变化起始 物质选择 试剂目标 产物预期现象1-2 0H2S Na2SH2SO3 H2O2 KMnO4(H＋) S 产生淡黄色沉淀20 +4S空气SO2硫燃烧，发出淡蓝色火焰，产生刺激性气味的气体3+4+6SO2 H2SO3Na2SO3 H2O2 KMnO4(H＋) H2SO4 Na2SO4 向反应后的溶液中滴加稀盐酸，无现象，再滴加氯化钡溶液，产生白色沉淀；用pH试纸测定反应前后溶液pH4+6+4H2SO4Cu SSO2 产生刺激性气味的气体，该气体能使品红溶液褪色5+4 0SO2 H2SO3H2S S产生淡黄色沉淀60 -2SFeFeS 剧烈反应，产生黑色固体
[教师]根据以上分析，为了实现不同价态含硫物质的转化，基本思路是什么？ [学生活动2]物质转化的思路：分析硫的化合价和价态差异，根据价态规律和转化目标，选择氧化剂或还原剂。 [设计意图]引导学生从化合价角度设计实验方案，依据氧化还原反应原理，构建物质转化的思路：价态分析、转化目标、试剂选择，培育思维模型认知素养，培养学生严谨认真思维意识。 任务三 实施不同价态含硫物质的转化实验方案 [教师]考虑SO2和H2S有毒，亚硫酸不稳定，依据相同价态含硫物质具有相似化学性质，用Na2S代替H2S，Na2SO3代替H2SO3 ，我们选择实验1、3、4、6进行验证。 [实验1]在两支试管中分别加入约1 mL Na2S溶液，向其中一支边振荡边滴加Na2SO3溶液，并滴加几滴稀硫酸酸化；另一支边振荡边滴加酸性KMnO4溶液，观察并记录实验现象。 [学生实验结果1-1]（图4） 图4 学生实验结果1-1 [教师]Na2S溶液与Na2SO3溶液混合无现象，滴加稀硫酸后，产生乳白色沉淀，说明化学反应需要控制什么条件？写出相关离子方程式。 [学生]说明化学反应需要控制酸碱性，该反应需在酸性下才能进行。 2S2－＋SO32－＋6H＋=3S↓＋3H2O [学生实验结果1-2-1]（图5） 图5 学生实验成果1-2-1 [教师]Na2S溶液中逐滴滴加酸性KMnO4溶液，为什么没有产生浅黄色沉淀呢？ [资料卡]已知：Na2S白色固体，易溶于水和稀酸中，硫化钠溶液能溶解单质硫生成多硫化物，Na2S＋(x－1)S=NaSx，多硫化物的溶液一般显黄色，随着x值的增加由黄色、棕色至红色。FeS黑色固体，难溶于水，易溶于稀酸中；MnS肉红色固体，难溶于水，易溶于稀酸中。 [学生]开始时滴加酸性KMnO4溶液少，产生的Mn2＋与剩余的S2－结合为肉红色沉淀MnS。 [教师]改变滴加方向，现象相同吗？为什么？ [学生成果1-2-2]（图6） 图6 学生实验成果1-2-2 [学生]现象不同，溶液紫红色褪去，产生浅黄色沉淀。因为开始时硫化钠溶液少，产生的硫单质，硫单质与锰离子不反应。 [教师]Na2S溶液和酸性KMnO4溶液滴加顺序不同，现象不同，你认为哪种滴加方式更合适呢？说明化学反应与什么有关？ [学生]向酸性KMnO4溶液滴加Na2S溶液更利于观察到浅黄色沉淀，否则产生肉红色沉淀会干扰浅黄色沉淀的观察。化学反应的进行与滴加顺序有关。 [实验2]在一支试管中加入约1 mL Na2SO3溶液，边振荡边逐滴滴加酸性KMnO4溶液，在另一支试管中加入约1 mL 酸性KMnO4溶液，边振荡边逐滴滴加Na2SO3溶液，观察并记录实验现象，得出实验结论。（图7） 图7 Na2SO3溶液与酸性KMnO4溶液滴加顺序不同变化图 [学生] 实验现象：第一支试管中先无现象，多滴加酸性KMnO4溶液，溶液呈浅红色；第二支试管中紫红色颜色变浅，甚至消失。 实验结论：5SO32－＋2MnO4－＋6H＋=5SO42－＋2Mn2＋＋3H2O [教师]滴加顺序不同，实验现象不同。哪种更利于观察？有什么收获？ [学生]当无色溶液中滴加有色溶液还是无色时，通过无现象的变化，不能确定反应是否进行；当向有色溶液中滴加无色溶液，溶液颜色变化，说明反应已经进行；第二种更利于观察。无色溶液和有色溶液进行反应时，溶液滴加顺序的方法是向有色溶液中滴加无色溶液利于观察。 [教师]实验1和实验2均是溶液和溶液之间的反应，实验注意事项是取少量溶液时，大约取1mL，即1滴管；取多量溶液时，可以采用倾倒法，但不能超过试管的三分之一。向试管中滴加溶液时，胶头滴管要垂直悬空滴加，仔细观察试管中溶液颜色的变化，根据颜色的变化判断反应的原理。 [实验3]如图8所示连接仪器装置，向试管中加入1 mL浓硫酸和一小块铜片，大试管口内壁依次贴有湿紫色石蕊试纸、品红溶液的滤纸、酸性KMnO4溶液的滤纸、碘水的滤纸，塞上带导管的单孔橡胶塞，连接T型管，T型管通过乳胶管与玻璃管相连，止水夹为K1，通入含双氧水溶液的小试管中，T型管右侧连接直角导管，直接导管通入含溴百里香酚蓝的NaOH溶液的烧杯中，加热大试管，实验结束后，将大试管溶液到入有水的烧杯中，观察记录实验现象，得出实验结论；检验与双氧水溶液反应的产物；写出相应的化学方程式或离子方程式。 图8 铜与浓硫酸反应装置 [学生]实验现象：铜片逐渐溶解，有气泡生成，溶液变绿，紫色石蕊试纸变红，含品红滤纸红色褪去，含酸性KMnO4溶液的滤纸紫红色褪去，含碘水的滤纸棕色褪去。 实验结论：铜与浓硫酸在加热下发生反应，产生的气体是SO2 Cu＋2H2SO4 CuSO4＋SO2↑＋2H2O；SO2使品红溶液褪色，SO2具有漂白性；SO2使酸性KMnO4溶液、碘水褪色，SO2具有还原性 5SO2＋2MnO4－＋2H2O=2Mn2＋＋5SO42－＋4H＋ SO2＋I2＋2H2O=2HI＋H2SO4或SO2＋I2＋2H2O=4H＋＋2I－＋SO42－ 检验SO2与双氧水溶液反应的产物（图9），写出相关化学方程式。 图9 检验SO2双氧水溶液中的产物的过程图 SO2＋H2O2 = H2SO4 SO42－＋Ba2＋ = BaSO4↓ [教师]铜与稀硫酸是否反应？在什么条件下与浓硫酸反应？说明浓硫酸具有什么性质？稀硫酸与浓硫酸的微观构成的区别是什么呢？ [学生]在金属活动性顺序表中，铜排在氢之后，不能置换出稀硫酸中的氢；铜与浓硫酸在常温下难反应，在加热下反应，说明该反应与温度、浓度有关；硫酸是强电解质，在水中完全电离出H＋、SO42－，主要体现酸性，而浓硫酸主要以分子形式存在，+6价的硫具有强氧化性，又与金属反应，说明浓硫酸具有酸性，该反应体现浓硫酸的强氧化性和酸性。 [教师]若把铜换成换成C、S，反应能否发生？若能，写出化学方程式，体现浓硫酸什么性质？ [学生]能，C＋2H2SO4 CO2↑＋2SO2↑＋2H2O S＋2H2SO4 3SO2↑＋2H2O，浓硫酸具有强氧化性。 [教师]实验3是固体和溶液的反应。搭实验装置后要检查装置的气密性，再进行实验。取少量固体时，以铺满试管底部为准，先加固体，再加液体。试管口向上倾斜，与桌面呈45度。加热时，先均匀加热试管，再固定加热，产生的气体通入溶液，反应结束时，一般是先停止通入气体，再停止加热，防止引起倒吸现象。 [实验4]将1.60g硫粉和2.0 g铁粉均匀混合，放在石棉网(或陶土网)上堆成条状，用灼热的玻璃棒触及混合粉末的一端，当混合物成红热状态时，移开玻璃棒，观察并记录实验现象，得出实验结论（图10）。 图10 铁与硫粉混合加热过程 [学生]实验现象：反应剧烈，全部混合物呈红热状态，冷却后得到黑色的固体。 实验结论：Fe＋S FeS [教师]该实验过程中可能会发生哪些反应？写出可能的化学方程式。 [学生]Fe＋S FeS S＋O2 SO2 3Fe＋2O2 Fe3O4 [教师]实验4是固体和固体的反应。称量一定质量固体时，先确定砝码和游码的读数，当固体质量小于5.0克时，直接移动游码到一定读数，左物右码原则，向左盘中加固体时，即将平衡时，左手轻轻敲打右手手腕，让固体慢慢滑落，直至平衡。 以上4个实验实现不同价态含硫物质转化的条件是：溶液的酸碱性、滴加顺序、温度、浓度、气体通入的速度。化学反应条件还有压强、光照、接触面等。 [设计意图]通过学生分组实验、教师演示实验，培养学生实验规范操作、认真观察记录、分析、解释现象、得出结论的能力；组内、组间、生生、师生互评，培养培养学生发现、领悟、思考问题的能力；在做实验过程中学习不同价态含硫物质的性质，培养学生实验感知能力；实验过程中培育学生科学探究、创新意识、科学态度、社会责任等化学学科核心素养。 任务四 组建和实施不同价态含硫物质连续性转化的一体化实验 [教师]为了节约药品，可以进行连续性的转化，将硫粉和铁粉制备的硫化亚铁和稀硫酸制备硫化氢气体；用硫粉和浓硫酸制备二氧化硫气体；最后将两种气体同时通入水中。对以上的实验进行调整、组合。 [资料卡]硫化亚铁难溶于水，能溶于稀酸，与稀酸反应产生具有臭鸡蛋气味的气体H2S 。 [师生合作]组装装置（图11） 图11 不同价态含硫物质连续性转化的装置图 左侧是S与浓硫酸加热下反应和检验SO2 性质装置，大试管右侧是硫化亚铁与稀硫酸反应并检测H2S性质的装置。 [教师]先将注射器中稀硫酸加入含硫化亚铁的具支试管中，将产生的气体一次通入双氧水溶液、酸性高锰酸钾溶液、水中；当硫化氢气体通入水中的同时，加热大试管，将产生的二氧化硫依次通入双氧水溶液、水中；观察记录实验现象，得出实验结论。 [学生]实验现象：稀硫酸与硫化亚铁快速反应，产生气泡，双氧水溶液中产生乳白色沉淀，酸性高锰酸钾溶液颜色褪去，产生乳白色沉淀；硫粉与浓硫酸在加热下缓慢反应，产生的气体使紫色石蕊试纸变红，品红滤纸红色褪去，酸性KMnO4溶液的滤纸紫红色褪去，含碘水的滤纸棕色褪去，中间的中号试管中产生浅黄色沉淀。 实验结论：FeS＋H2SO4=FeSO4＋H2S↑ H2S＋H2O2=S↓＋2H2O S＋2H2SO4（浓）3SO2↑＋2H2O SO2＋2H2S=3S↓＋2H2O H2S具有还原性， SO2具有还原性和氧化性，浓硫酸具有强氧化性。 [教师]综合以上实验能得出什么结论？ [学生]含-2价硫的硫化氢和硫化钠具有相似的化学性质，含+4价SO2和Na2SO3溶液具有相似化学性质。 [设计意图]在教材、文献基础上创新，师生组合实验，培养学生大胆探究、创新能力；基于课程思政理念，如严谨认真科学态度，实事求是、勇于创新科学精神，环保意识等，落实立德树人根本任务。
板书设计
实验活动5 不同价态含硫物质的转化 实验流程：
教学反思
本节课是一堂必做实验课，采用微项目教学方式，课前学生完成任务一和任务二，回顾含硫物质的性质、硫元素化合价，建构不同价态含硫物质转化价类二维思维模型，阅读相关书籍和文献，了解已有研究成果，为课堂通过实验学习做准备。在实验过程中，不能进行所有氧化剂或还原剂选用实验，选择具有代表性、常见的氧化剂或还原剂进行实验。在教材、文献基础上，对实验进行整合，减少药品的使用、安全隐患，梳理环保意识，提升学生化学学科核心素养，基于课程思政，落实立德树人根本任务。
参考文献
[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心编著.普通高中教科书 化学 必修 第二册[M].北京：人民教育出版社，2019：30 [2] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：15 [3] 宋金秀.在实验室里研究不同价态硫元素间的转化[J].化学教育，2010，31（S2）：265-26 [4] 胡久华,李琦,马洪武,冯清华.促进问题解决思路建构的学生必做实验课教学——以“不同价态含硫物质的转化”为例[J].基础教育课程，2019（254）：63-68 [5] 种飞飞.促进化学学科核心素养的“硫的转化”实验教学研究[D].济南：山东师范大学，2019：15-32 [6] 王晶,倪刚,陈伟.不同价态含硫物质转化的一体化综合实验[J].实验教学与仪器,2021(1):42-43 [7] 陈菲,刘晓玲.不同价态含硫物质的转化的一体化实验设计[J].江西化工，2021（2）：113-115 [8] 王磊，陈光巨主编.普通高中教科书 化学 必修 第一册[M].济南：山东科学技术出版社，2019：100，94 [9] 《高中化学实验操作指导》编写组编著.高中化学实验操作指导[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2020.5:32-36