《化学反应条件的控制》教材分析及教学意见

(共46张PPT)
化学反应条件的控制
实验化学
一、课程标准的要求
认识反应条件控制在化学研究中的意义和作用，初步掌握控制反应条件的一些方法。
二、本专题设置的目的
“化学反应条件控制”的设置不仅是为了帮助学生获取知识，训练其实验技能，更重要的是为了帮助学生学习一些重要的科学方法，形成严谨的科学态度，并能通过对反应条件的选择及控制来体验探究问题、解决问题的过程，从而培养学生的综合能力。
三、本专题的教学目标
1、初步探究浓度、温度、压强、催化剂等因素对化学反应速率和化学平衡的影响。
2、初步认识实验方法的选择对于提高实验效率的重要性，体会反应条件的控制在化学实验中的重要性。
3、尝试用实验比较法来寻找实验的最佳条件，认识实验比较法的价值。
4、通过实验，提高处理实验数据和分析实验结果的能力。
课题1 硫代硫酸钠与酸反应速率的影响因素
一、学科指导意见的相关教学要求
基本要求 1、认识硫代硫酸钠和强酸反应的离子方程式和实验过程中产生的现象
2、学会用对比的实验方法探究硫代硫酸钠与酸反应速率的诸因素
3、体验观察和分析实验现象在化学实验研究中的重要作用
发展要求 能分析影响一个具体的化学反应的因素，并能设计简单的实验加以证实
说明 “蓝瓶子”实验是一个趣味性很强的实验，可在了解“蓝瓶子”实验原理的基础上，初步探究影响“蓝瓶子”实验变色快慢的因素。“蓝瓶子”实验中的亚甲基蓝分子结构及化学方程式不作要求
课时分配 2课时
二、本实验基本原理及其在实验化学中的地位
实验的依据及基本原理在知识预备中予以体现，向硫代硫酸钠溶液中加入稀硫酸，生成不溶于水的硫，溶液变浑浊
S2O32- +2H+=SO2↑+S↓+H2O
溶液混合后出现浑浊的快慢，实际上反映了反应速率的大小。通过实验可以发现，同一温度下，不同浓度的硫代硫酸钠溶液与硫酸溶液反应，出现浑浊的快慢不同；反应温度不同时，相同浓度的硫代硫酸钠溶液与硫酸反应，溶液出现浑浊的快慢也不同。因此，可以通过控制硫代硫酸钠溶液和硫酸溶液的浓度，反应的温度来研究反应速率和这些因素的关系。
在当前的中学化学实验研究中，有关实验装置的选择或改进比较受人关注，而对于反应条件的探索则往往不受重视，而某些反应条件的选择，往往是决定实验成败的决定因素。本课题中硫代硫酸钠与酸反应的反应速率的快慢主要受反应物的浓度、溶液的温度以及PH等因素的影响。通过探究这些问题，使学生能够对这些反应条件的重要性有切身的体会和认识，并且能够通过对实验条件的探究掌握科学的实验研究方法。
三、实验方案、实验操作要点及主要实验现象
（一）探究浓度对反应速率的影响
具体操作：
1、取两张白纸，用黑色记号笔在合适的位置画上粗细、深浅一致的“＋”字。
2、取两个50 ml的锥形瓶，编号为1、2号，向1号锥形瓶中加入10ml 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液，向2号锥形瓶中加入5ml 0.1mol·L-1的Na2S2O3溶液和5 ml蒸馏水，然后把两个锥形瓶放在划有“＋”字的白纸上。
3、另取两支试管，各加入10ml 0.1mol·L-1 H2SO4溶液，然后同时将该溶液分别倒入1、2号锥形瓶，开始计时，到溶液出现的浑浊将锥形瓶底部的“＋”完全遮盖时，记录所需的时间，并及时填至表格中。
表1
锥形瓶编号 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液（ml） 蒸馏水（ml） 0.1mol·L-1 H2SO4溶液（ml） 反应时间 结论
1 10 0 10 4分20秒 温度相同时，反应物浓度越大，反应速率越大
2 5 5 10 12分58秒
说明：1、本组实验在室内温度为10℃时进行。
2、把硫酸全部倒入锥形瓶之后开始计时。
3、从锥形瓶的上方向下观察“＋”字被遮盖。
4、最后锥形瓶内液体呈乳白色。
表2
锥形瓶编号 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液（ml） 蒸馏水（ml） 0.1mol·L-1 H2SO4溶液（ml） 反应时间 结论
1 10 0 10 4分20秒 硫酸浓度对反应速率影响程度大
2 5 5 10 12分58秒
3 10 5 5 7分42秒
（二）探究温度对反应速率的影响
具体操作：
1、取一个50 ml锥形瓶，编号为4号，向其中加入10ml 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液，向一支试管中加入10ml 0.1mol·L-1 H2SO4溶液，同时放入盛有热水的烧杯中。
2、一段时间后取出锥形瓶放在划有“＋”的白纸上，将H2SO4溶液加到Na2S2O3溶液中，计时，等“＋”字完全被遮盖时，记录所需时间，并记录于表格中。
表3
锥形瓶编号 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液（ml） 0.1mol·L-1 H2SO4溶液（ml） 反应温度 反应时间 结论
1 10 10 10℃ 4分20秒 浓度相同时，温度越高，反应速率越大
4 10 10 40℃ 1分13秒
实验说明：同表一
由于2号锥形瓶计时为12秒58分，实验时间太长，而1号与4号相比较，时间相差也比较多，因此，又做如下几个对比实验。
增加的几个对比实验。
表4
锥形瓶编号 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液（ml） 蒸馏水（ml） 0.1mol·L-1 H2SO4溶液（ml） 反应温度 反应时间
5 10 0 10 25℃ 2分24秒
6 5 5 10 25℃ 6分30秒
7 10 5 5 25℃ 3分30秒
表5
锥形瓶编号 0.2mol·L-1 Na2S2O3溶液（ml） 蒸馏水（ml） 0.2mol·L-1 H2SO4溶液（ml） 反应温度 反应时间
8 10 0 10 10℃ 1分37秒
9 5 5 10 10℃ 3分32秒
10 10 0 10 25℃ 52秒
四、实验注意事项及教学建议
1、如果室内温度过低，建议采用0.2mol·L-1 Na2S2O3溶液和0.2mol·L-1 H2SO4溶液，除室温外另选温度最好不要超过25℃；如室内温度偏高，可以采用0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液和0.1mol·L-1 H2SO4溶液，除室温外，另选温度不用超过40℃。
2、“＋”字不必划得太深，太粗，否则实验时间太长， 0.1mol·L-1 Na2S2O3溶液和0.1mol·L-1 H2SO4溶液反应后的液体呈乳白色， 0.2mol·L-1 Na2S2O3溶液和0.2mol·L-1 H2SO4溶液反应后的液体呈浅黄色。
3、本课题涉及的化学理论知识已在“化学反应原理”模块中学习，所以在学习中要突出研究影响化学反应速率条件的实验方法。因此实验活动显得尤其重要，重在过程与方法。
4、考虑到“实验化学”教学具体落实有许多困难，课题可以与“化学反应原理”模块中的相关内容进行整合教学，这样既有利于理论知识的具体应用，又减轻了任课教师、实验员的工作压力。
5、教材主编说实验化学不应成为一本“照方配药”的实验册，在每一个的课题研究中，希望学生积极思考，精心设计，大胆实践，以提高自身的科学探究能力，所以教材中虽然已提供了实验的方案设计内容，但教师还可提出与实验相关的问题，促使学生自行考虑和设计实验方案、实验步骤、绘制表格，以及数据记录及处理、课题反思等。
拓展课题：蓝瓶子实验
1、增大葡萄糖的加入量，则溶液褪色快，但加入量太多，褪色太快，看不到溶液颜色慢慢变浅的过程。
2、增大氢氧化钠的加入量，溶液褪色快，但从安全性考虑，氢氧化钠浓度不应过大。
3、增大亚甲基蓝的滴加量，则溶液颜色变化周期短。
4、升温可使溶液变蓝色的时间短，若室温过低，可把葡萄糖溶液先微热至25℃左右。
5、通过对比实验得出，在25℃左右，100毫升的水中，加入2克葡萄糖，1克氢氧化钠，再滴入几滴2％的亚甲基蓝试液，溶液褪色及振荡后显色时间合理，适合做演示实验之用。
课题2 催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响
一、学科指导意见的相关教学要求
基本要求 1、初步探究不同催化剂对同一反应的催化效果。
2、认识实验方法的选择及反应条件的控制在实验研究中重要作用3、尝试用比较法来寻找实验的最佳方案。
4、通过实验提高处理实验数据和分析实验结果的能力。
发展要求 1、初步了解酶催化剂的特性。
2、初步认识过氧化氢酶的催化作用。
3、设计探究溶液的酸度、温度对过氧化氢酶催化作用的影响。
说明 1、“过氧化氢酶的催化作用”实验虽是一个拓展课题，但该实验的内容在生物学中学生已有涉及，可利用学生已掌握的生物学知识，让学生自主地开展该实验的探究活动。
2、“蔗糖的燃烧”为学生研究如何控制反应条件，实验化学变化提供了一个很好的探究的素材，该反应的基本原理及催化剂的种类等不做教学要求。
课时分配 2课时
二、本实验基本原理及其在实验化学中的地位
催化剂能使反应的活化能降低，使活化分子所占的百分比增大，从而使化学反应速率增大。本课题主要是通过比较不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响的差异，找到过氧化氢分解的最佳催化剂。判断双氧水分解速率的大小，可以通过测定单位时间内双氧水分解放出氧气的体积或者生成一定量氧气所需的时间进行比较,从中认识到催化剂的种类、用量及其性状的选择对实验效果的影响。同时通过对实验现象的观察、对比和分析，加深学生对化学反应条件控制的重要性的认识，完善反应条件对化学反应速率的影响的知识体系，从而引起学生的探究意识，提高学生的观察、思维等能力。
三、实验方案、实验操作要点及主要实验现象
实际操作中遇到的问题：
①收集到的气体不多
②导气管中导出的气泡不连续、不稳定
③读数困难
1、不同用量的同种催化剂对双氧水分解反应速率的影响
具体操作：
在250 ml锥形瓶中加入0.1g（0.2g） MnO2 ，用滴定管加入5 ml 10％的双氧水溶液，计时，反应进行中保持量气管两端液面相平，记录不同时刻气体的体积，并填入相应的表格中。
催化剂(MnO2) 0.1g 0.2g 结论
前15s产生的O2的量（ml） 6.1 7.5 增大催化剂的用量，反应速率增大
前30s产生的O2的量（ml） 6.6 8.4
前45s产生的O2的量（ml） 7.0 9.2
前60s产生的O2的量（ml） 7.3 10
前75s产生的O2的量（ml） 7.6 10.7
前90s产生的O2的量（ml） 7.9 11.3
表一
2、不同的催化剂种类对双氧水分解反应速率的影响
实验操作步骤：
在250 ml锥形瓶中加入0.2g催化剂，用滴定管加入5 ml 10％的双氧水溶液，计时，反应进行中保持量气管两端液面相平，记录不同时刻气体的体积，并填入相应的表格中
催化剂（0.2g） MnO2 CuO 活性炭 FeCl3 CuCl2
前15s产生的O2的量（ml） 7.5 7.4 6.6 5.8 8.2
前30s产生的O2的量（ml） 8.4 8.8 7.1 6.7 10.2
前45s产生的O2的量（ml） 9.2 9.7 7.6 7.5 12.2
前60s产生的O2的量（ml） 10.0 10.4 8.1 8.5 13.2
前75s产生的O2的量（ml） 10.7 11.1 8.7 9.6 14.0
前90s产生的O2的量（ml） 11.3 11.9 9.4 10.9 14.7
表二
实验说明：
①本实验是在室内温度5℃时进行，从双氧水浸没催化剂开始计时。
②每组数据都应减去5 ml，才是这段时间内得到的O2体积。
③MnO2为粉末状（颗粒状MnO2缺），CuO为自制（碱式碳酸铜分解）。实验室提供的CuO和Fe2O3经实验无明显催化作用。
④MnO2、CuO催化速率比较均匀，活性炭、FeCl3的催化效果是先慢后快，而CuCl2是先快后慢。用MnO2作催化剂性状无明显变化，活性炭要漂浮，FeCl3溶液颜色会有点变化。
⑤经实验，沙子也有催化双氧水分解的作用。
四、实验注意事项及教学建议
1、当O2产生量较少时，可用量程小的仪器计量。按照教材提供的装置，5 ml双氧水体积应在测量结果中扣除，或者比较催化剂催化效果时，可从15秒以后得到的气体体积进行比较。
2、双氧水分解的催化剂种类很多，不应局限在教材中提供的范围之内，应让学生自主寻找可能催化双氧水分解的催化剂，教师要引导学生去寻找可能的催化剂（如过渡元素化合物），不要轻易下结论确定哪种催化剂对双氧水分解的催化效果最好，以学生实验结果分析，自行得出结论为准。
3、实验开始前，应明确告知学生本实验应注意的事项和细节，保证实验顺利进行，预先拟定具体的研究方法，操作步骤及绘制好相关表格，在实验中及时把有关的实验现象和数据填在表格中，实验之后进行结果分析，并书写实验报告。
4、本实验至少需两位同学合作进行，可利用此课题培养学生的合作精神，事先应指导学生明确分工，合作完成。
5、本课题可以与化学反应原理模块中的相关内容进行整合教学。
拓展课题：蔗糖的燃烧
1、用活性炭做催化剂实验效果不是非常理想，如提高混合物的量，则仍可以生成“黑蛇”。
2、用香烟灰、砻糠灰做催化剂，实验效果非常好。
3、蔗糖与碳酸氢钠的混合物堆成锥状，则游出的是细长的“黑蛇”。若把混合物平摊，也能引起蔗糖的燃烧，得到的“黑蛇”粗而短。
4、蔗糖需干燥，与碳酸氢钠8：1混合，在研钵中研磨一下，不需太细。若蔗糖比例大（如16：1），仍有“黑蛇”生成，只是蛇身细短了些。若碳酸氢钠比例太高（如1：1），则生不成“黑蛇”。
5、在实验中，若得到的“黑蛇”比较短，则可适当增大蔗糖与碳酸氢钠混合物的量。
课题3 反应条件对化学平衡的影响
一、学科指导意见的相关教学要求
基本要求 1、通过实验加深对可逆反应的了解和认识。。
2、通过实验加深对化学平衡移动的理解。
3、学习乙酸乙酯水解反应条件的控制。
4、用实验的方法了解和初步探究温度、浓度、压强等因素对化学平衡的影响。
发展要求 知道淀粉与碘的显色反应会在不同条件下呈现不同的色彩。
说明 淀粉与碘的显色反应是学生已熟知的一种检验方法，在实验活动中，常由于条件控制不一，出现不同的现象，这是激发学生探究欲望的很好素材，可在条件允许的情况下开展该实验活动。淀粉与碘反应原理和显色原理不宜深究。
课时 2课时
二、本课题基本原理及其在实验化学中的地位
1、在氯化钴溶液中，存在着如下平衡：
将溶液稀释时，平衡向正方向移动，溶液的颜色由蓝色逐渐变为粉红色，增大Cl-的浓度，会使平衡向逆方向移动，溶液逐渐变为蓝色。
2、二氯化钴的水合物在加热时会逐渐失水，呈现不同的颜色，因为存在下列平衡，温度改变，平衡发生移动。
3、乙酸乙酯的水解：
中性时，即使加热，水解速率也很慢，而酸或碱对它有催化作用。酸可加速此反应达到平衡，而碱不仅起到催化作用，还可中和产物中的酸，使平衡向正方向移动。因此，用碱作催化剂水解效果更好。
本课题主要研究浓度、温度、压强、酸度等因素对化学平衡移动的影响。“氯化钴溶液颜色的变化”和“乙酸乙酯水解条件的比较”这两个基础课题涉及的原理都比较简单，完全在学生的认知范围内，且实验用品简单易得，实验现象也非常明显，便于学生操作和进行实验探究，而且这两个实验在有关化学平衡移动的实验中较为典型。
三、实验方案、实验操作要点及主要实验现象
1、氯化钴溶液颜色的变化
⑴观察稀释酸性CoCl2溶液时颜色的变化
具体操作：
在一支试管中加入约3ml 0.5mol·L-1 CoCl2的溶液，再慢慢滴加约6ml浓盐酸，观察现象。将上述试管中的溶液一分为二，置于两支试管中，向其中一支试管中加入约3ml蒸馏水，与另一支试管对照，观察现象。
实验现象：
向红色的CoCl2溶液中滴加浓盐酸，溶液先变紫色，最后变蓝色。向其中一支试管中加入3ml水之后，溶液先变紫色最后变成粉红色。
实验说明：
①若加入6ml浓盐酸之后，溶液仍显紫色，可再加入适量浓盐酸，直至溶液变蓝色。
②教材中，0.5mol·L-1 CoCl2溶液及浓盐酸的使用符合实验的实际情况，若氯化钴溶液太稀，或盐酸浓度较小，则颜色变化有困难。
⑵观察受热时CoCl2溶液颜色的变化
具体操作：
取一支试管，加入3ml 95％乙醇溶液和少量（2－3小粒）的氯化钴晶体（CoCl2·6H2O），振荡使其溶解，再逐滴滴加蒸馏水，至溶液恰好呈粉红色，然后用酒精灯加热该试管片刻。观察上述实验中溶液颜色的变化。
实验现象：加热时溶液由粉红色变蓝色。
粉红色
紫色
蓝紫色
蓝紫色
蓝色
实验说明：
①加2－3小粒氯化钴晶体溶液颜色太浅，可适当提高加入量。
②若95％乙醇溶液中加入适量氯化钴晶体已显粉红色，则不必再滴加蒸馏水，若加入水太多，则加热后看不到明显的颜色变化。
③可采取在3ml无水酒精中加入少量氯化钴晶体（呈蓝色），然后再逐滴滴加蒸馏水，使溶液恰好呈粉红色（蓝色→紫色→粉红色）。
④若直接加热，颜色变化太快，紫色和蓝紫色可能难以观察到，如采取水浴加热，则能明显观察到溶液由粉红色→紫色→蓝紫色→蓝色的过程。（如果加入氯化钴晶体量多，则发生颜色变化的温度会低些）
2、乙酸乙酯水解条件的比较
具体操作：
⑴取三支试管，编为1、2、3号，分别注入4ml蒸馏水、4ml 2mol·L-1的H2SO4溶液、4ml 4mol·L-1的NaOH溶液。在试管1、2中，各注入2滴甲基橙指示剂，试管3中滴加2滴石蕊试液，使三支试管中溶液的颜色分别为橙色、红色和蓝色。
⑵在三支试管中，各加入2ml乙酸乙酯，用直尺量出三支试管中乙酸乙酯层的高度，振荡后，再一次量乙酸乙酯层的高度，把两次结果填入表格中。
⑶将三支试管同时放入热水浴中（65℃左右），加热约五、六分钟后（加热过程中不振荡），观察现象，用直尺量出三支试管中乙酸乙酯层的高度，振荡后，第二次量取乙酸乙酯层的高度，最后等溶液冷却后再量乙酸乙酯层的高度，把结果填入表格中。
实验结果：
试管编号 1（H2O） 2（H2SO4） 3（NaOH） 结论
2ml乙酸乙酯高度（mm） 16 16 16 酸或碱对乙酸乙酯水解有催化作用，且用碱作催化剂水解效果更好。
振荡后乙酸乙酯高度（mm） 14 15 16
水浴加热后, 不振荡（mm） 15 16 16
水浴加热后, 振荡（mm） 14 12 9
冷却后（mm） 13 11 7
实验说明：
⑴按照教材进行实验，且最后不振荡，乙酸乙酯的体积无明显变化。
⑵本实验需在60℃以上进行，否则效果不明显，但一般不超过70℃。本实验温度控制在65℃左右。
⑶加热后，由于液体受热，体积增大，所以下层液体高度都有所上升，难以比较实验结果。因此本实验采用直尺量乙酸乙酯的高度变化进行比较，即使试管的规格有差异，也可以通过高度差换算出乙酸乙酯体积的减小量。（如本实验高度为1毫米的液体相当于0.125ml）
⑷加有氢氧化钠溶液的试管在加热后，下层液体颜色褪去。
⑸经过对比实验可知，适当增大H2SO4和NaOH浓度，则实验效果会更明显。为增大液体间的接触面,试管的口径可以适当大一些。
四、教学建议
1、教学中要善于引导学生自主设计实验方案，认真观察实验现象，并组织开展问题的讨论。如在“氯化钴溶液的颜色变化”教学中，可以提出如下问题，引导学生进行讨论、思考：能否利用氯化钴试剂的含水量、改变温度等因素都会导致其颜色发生变化，设计一个变色温度计？在“乙酸乙酯水解条件的比较”的教学中，可提出如下问题，引导学生讨论思考：是否可以试着将乙酸乙酯层进行染色，使水解现象更明显？
2、预先拟定具体的研究方法、操作步骤，在实验中及时把有关的实验现象和数据填在表格中，实验之后进行结果分析，并书写实验报告。
3、本课题可以与化学反应原理模块中的相关内容进行整合教学。
1、在淀粉溶液中，加入一定量的稀硫酸酸化，滴加碘水之后加热至60℃左右，溶液褪色慢。
2、温度越高，蓝色褪去越快，恢复原溶液的蓝色所需时间越长。
3、在淀粉溶液中加入一定量的氢氧化钠溶液，加碘水，不显蓝色。
4、本实验的淀粉浓度不宜太小，一般要求2％以上。做对比实验时的水温最好在60℃以上。
拓展课题：淀粉与碘显色现象的探究
不当之处，请多多指正！
谢谢！