“探究除掉碳酸钡中硫酸钡杂质的实验方案”教学设计
2022-06-08
摘要：这是一个引导学生开展研究性学习的教案，该教案设置了一个中学教材上没有的逼真的探究情景，引导学生在复习相关知识的同时开展十分逼真的科学研究，在培养学生的科研能力方面具有参考作用。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：溶度积常数；平衡移动；教学设计
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0053?C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 教案设计思想
引导学生进行研究性学习是一种先进的教育理念，有许多老师都在这方面进行着有益的尝试，问题是有些研究性学习的教学常常存在着研究性不足、照本宣科有余的缺陷。如何克服探究性教学的这种缺陷呢？思起于疑，如果我们能在日常教学中有意识地引导学生去发现、分析、研究、解答一些没有现成答案、难以直接解答的疑难问题的话，则这种探究性教学的教学过程就与首创性的科学研究过程没有区别了。笔者设计本教案的目的，就是要努力使部分课堂的实际教学过程体现真实的科学研究过程。
2 教学目标
2.1 知识与技能
（1）加深对溶度积常数及沉淀转化的理解，用平衡移动理论研究解决沉淀转化的实际问题。
（2）加深对物质的量浓度及质量分数的理解，通过对二者的测定和换算解决探究中的实际问题。
（3）探究设计除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的实验方案，用实验研究解答学习中遇到的疑难问题。
2.2 过程与方法
（1）根据化学理论，探究实验原理，设计实验方案，探究解答一个常见习题中存在的疑难问题。
（2）在教师的引导下，逐步提出问题，分析问题，研究解答问题，设计实验方案验证解答，初步了解科学研究的基本过程。
2.3 情感、态度与价值观
引导学生用所学的知识研究解决一个常见习题中存在的没有现成答案的疑难问题，通过运用理论解决实际问题的研究性学习，让学生感受科学研究的艰辛过程、享受科学研究的成功乐趣，激发学生学习化学科学的浓厚兴趣。
3 教学重点和难点
重点：沉淀溶解平衡，c与ω的换算，实验方案设计
难点：实验方案设计
4 教学过程
4.1 引导学生发现问题，提出探究课题
[提出问题]同学们可能都做过如下一道练习题，请同学们再做一遍：
下列除去杂质（括号内为杂质）的方法正确的是（ ）
A. CO2气体（HCl）：用饱和碳酸钠溶液洗气
B. BaCO3固体（BaSO4）：加过量盐酸后，过滤、洗涤
C. FeCl2溶液（FeCl3）：加入过量铁粉，搅拌、过滤
D. Cu粉（CuO）：加适量稀硝酸后，过滤、洗涤
（投影习题、学生解答，正确答案是C。）
请同学们想一想，解完此题后，你还存在什么疑问？
（预设：若有学生提出如何除掉BaCO3固体中杂质BaSO4的疑问，则顺着学生的思路提出本节课课题；若没有学生提出该疑问，则教师进一步引导学生分析后提出本节课的课题。）
[板书]课题：探究除掉碳酸钡中硫酸钡杂质的实验方案
设计意图：引导学生深入思考，让学生在不经意处发掘出研究性学习的课题。
4.2 引导学生探究将BaSO4（s）直接转化为BaCO3（s）的可能性
[教师引导]就现有的知识来说，没有能够使BaSO4溶解而BaCO3不溶解的试剂，即不可能用溶解的办法除掉BaCO3中的BaSO4。能否使BaSO4转化为BaCO3而除掉杂质呢？我们已经知道难溶的物质可以转化为更难溶的物质，如难溶的AgCl可以转化为更难溶的AgI。BaSO4和BaCO3在常温下的溶度积常数分别为1.07×10-10、2.58×10-9，即BaSO4比BaCO3要难溶一些，固体BaSO4能否转化为溶解度略大的BaCO3呢？
[板书]常温下，Ksp（BaSO4）=1.07×10-10，Ksp（BaCO3）=2.58×10-9
[学生讨论]答案预设：多数学生可能会说BaSO4不能转化为BaCO3，少数学生可能会说BaSO4能转化为BaCO3，让双方展开争论。
设计意图：设置认知冲突，引发学生的探究兴趣。
[教师引导] BaSO4与BaCO3属于组成类型相同的难溶物，二者具有相似的溶度积常数表达式，从溶度积常数来看，BaSO4的溶度积常数小于BaCO3的溶度积常数，BaSO4是难以转化为BaCO3的。但是，BaSO4与BaCO3的溶度积常数相差并不大，如果创造条件使得 Qc（BaCO3）>Ksp（BaCO3）、Qc（BaSO4） [提出问题]如何配制并测定20℃时饱和Na2CO3溶液的物质的量浓度？
请同学们设计一个测定饱和Na2CO3溶液密度的实验方案。
[学生讨论设计]
[投影]参考实验方案：称取4.30g无水Na2CO3加入到小烧杯内，再向小烧杯内加入20.0 mL水，搅拌（可适当加热促进溶解），待Na2CO3全部溶解后，用量筒量取10.0 mL Na2CO3溶液于小烧杯内，称量，计算密度。[笔者粗略（仪器不精密）测定的该Na2CO3溶液的密度为1.145 g/mL。]
[演示实验]用参考实验方案或学生设计的合理实验方案测定20℃时饱和Na2CO3溶液的密度。
[教师提问]室温高于20℃时，用此法测得的密度会对物质的量浓度的计算结果产生大的影响吗？室温低于20℃呢？ [学生讨论解答]参考答案：室温高于20℃时，没有大的影响。室温低于20℃时，会因为结晶导致计算结果高于实际浓度。
[板书]加入适量的饱和Na2CO3溶液，可以使BaCO3中的杂质BaSO4转化为BaCO3。
设计意图：根据有关的文献数据及实验测定计算的有关数据，从理论上分析探讨用饱和Na2CO3溶液将BaSO4转化为BaCO3的可行性，确定沉淀转化所用的试剂为饱和Na2CO3溶液。既让学生感受到化学是一门实验科学，又让学生感受到发展到现阶段的化学也是一门理论科学。
4.5 引导学生探究实际实验中的试剂用量比
[提出问题]我们已经在理论上分析说明了用饱和Na2CO3溶液除掉BaCO3中杂质BaSO4的可行性，若要用实验证明该问题，首先还需要解决什么问题？
[学生回答]参考答案：分析计算试剂的用量问题。
[投影题目]某样品BaCO3中所含杂质BaSO4的质量分数为10%，若要一次性地将10 g BaCO3中的杂质BaSO4除掉，至少需要加入20℃时的饱和Na2CO3溶液多少毫升？
[提出问题]该实验方案当然是可行的，问题是中学化学实验室一般没有BaCO3粉末与BaSO4粉末，实验该如何进行呢？
[学生讨论解答]答案预设：用BaCl2溶液分别与Na2CO3溶液与Na2SO4溶液反应制取BaCO3和BaSO4，将制得的BaCO3和BaSO4按一定比例混合后，加入适量的碳酸钠溶液浸泡。
[提出问题]一定要制取BaCO3和BaSO4两种沉淀吗？可不可以只制取BaSO4沉淀？为什么？
[学生讨论解答]参考答案：不必同时制取BaCO3和BaSO4两种沉淀，只要制取BaSO4即可。因为在转化的过程中，BaSO4部分转化为BaCO3之后，便成了BaCO3和BaSO4共存了。
[板书]只要证明BaSO4在饱和碳酸钠溶液中转化成了BaCO3，就说明可以用饱和碳酸钠溶液除掉BaCO3中的杂质BaSO4。
设计意图：理顺实验设计思路，以便学生设计出操作简便的实验。
[课堂作业]根据以上探讨及实验室的现有条件，请同学们设计一个可行的实验证明BaSO4可以转化为BaCO3。
[实验方案预设：用一支中号试管取2 mL 0.1 mol/L的BaCl2，向试管里加入2 mL 0.1 mol/L的Na2SO4溶液，振荡静置，用长滴管尽可能吸出上层清液。然后向试管里加入1.91 mol/L Na2CO3溶液（20℃时的饱和溶液）4 mL，充分振荡后静置至沉淀完全沉降到试管底部（约半分钟，BaSO4和BaCO3的沉降速率均较快），用长滴管尽可能吸尽上层清液，重复此操作一次。再向试管里加入约4 mL水，振荡静置，用长滴管吸出上层清液。最后向试管里加入1 mol/L的HCl 3 mL，观察实验现象。若沉淀溶解，逸出气体，说明BaSO4转化成了BaCO3。]
[预设方案解析]
（1）实验的可行性：实验已经证明，新制的BaSO4很容易转化成BaCO3。在溶液中新生成的沉淀，其颗粒一般都比较小、反应活性较强。新沉淀在溶液中存放一段时间后，就会逐步转化为晶型较为完善、反应活性较差的大颗粒晶体。因此，新沉淀一般比陈化了的沉淀更容易发生化学反应。
（2）用量问题：a.基本思路是符合绿色化学理念，用量设置应该能在试管中进行试验。b.按溶解比例计算，转化0.0002 mol BaSO4至少需要1.91 mol/L Na2CO3溶液2.6 mL，为抵消BaSO4沉淀所含水分对浓度的影响，并保证彻底快速地转化BaSO4，两次使用了过量的Na2CO3溶液。
（3）操作问题：a.基本思路是用简单的实验说明深刻的道理，努力使实验操作过程做到最简化。b.预设方案没有使用过滤操作，是因为实验试剂用量少，要尽量避免一些不便的操作及滤纸沾附等造成的沉淀损失。
（4）洗涤问题：没有洗涤BaSO4，是因为其中所含的其他杂质离子对后续实验没有不良影响。沉淀转化后的沉淀进行了洗涤，这是为了防止溶液中的SO4 2-对BaCO3的溶解造成干扰。
[演示实验]按照“实验方案预设”或者学生设计的合理方案演示实验。
设计意图：让学生根据理论分析，以操作简便、现象明显为原则设计一个创新实验，培养学生的自主创新能力。
4.7 课堂小结、课外作业及板书设计
[课堂小结]根据沉淀溶解平衡理论、运用相关的知识，研究解决了一道选择题中存在的疑难问题――如何除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡。除掉碳酸钡中杂质硫酸钡的方法是用饱和碳酸钠溶液浸泡，我们设计实验证明了该方法的可行性。事实上，在工业生产上常用饱和碳酸钠溶液浸泡硫酸钡的方法来制取碳酸钡，只不过工业生产所用的硫酸钡粉末是用矿物重晶石粉碎制得的，这使得工业制取碳酸钡所需的浸泡时间比较长[1]。
[课外作业]（投影）通过本节课的学习，请同学们各自谈谈自己的主要收获或存在的疑问。可以自拟题目写一篇体会式或感想式的科技短文，也可以无题目地自由谈收获。参考题目：简述除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的研究过程；质疑除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的研究；质疑除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的方法；谈谈科学研究的基本过程；提出一个你在学习中遇到的尚未解决的疑难问题，自拟题目设计一个比较可行的研究方案。
设计意图：这是一道创新型作业，目的是通过改变作业方式，将实践创新活动与理论归纳相结合，初步培养学生写作科技论文的能力。
参考文献：
[1]北京师范大学等校编.无机化学?上册（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：346～347.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：溶度积常数；平衡移动；教学设计
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0053?C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 教案设计思想
引导学生进行研究性学习是一种先进的教育理念，有许多老师都在这方面进行着有益的尝试，问题是有些研究性学习的教学常常存在着研究性不足、照本宣科有余的缺陷。如何克服探究性教学的这种缺陷呢？思起于疑，如果我们能在日常教学中有意识地引导学生去发现、分析、研究、解答一些没有现成答案、难以直接解答的疑难问题的话，则这种探究性教学的教学过程就与首创性的科学研究过程没有区别了。笔者设计本教案的目的，就是要努力使部分课堂的实际教学过程体现真实的科学研究过程。
2 教学目标
2.1 知识与技能
（1）加深对溶度积常数及沉淀转化的理解，用平衡移动理论研究解决沉淀转化的实际问题。
（2）加深对物质的量浓度及质量分数的理解，通过对二者的测定和换算解决探究中的实际问题。
（3）探究设计除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的实验方案，用实验研究解答学习中遇到的疑难问题。
2.2 过程与方法
（1）根据化学理论，探究实验原理，设计实验方案，探究解答一个常见习题中存在的疑难问题。
（2）在教师的引导下，逐步提出问题，分析问题，研究解答问题，设计实验方案验证解答，初步了解科学研究的基本过程。
2.3 情感、态度与价值观
引导学生用所学的知识研究解决一个常见习题中存在的没有现成答案的疑难问题，通过运用理论解决实际问题的研究性学习，让学生感受科学研究的艰辛过程、享受科学研究的成功乐趣，激发学生学习化学科学的浓厚兴趣。
3 教学重点和难点
重点：沉淀溶解平衡，c与ω的换算，实验方案设计
难点：实验方案设计
4 教学过程
4.1 引导学生发现问题，提出探究课题
[提出问题]同学们可能都做过如下一道练习题，请同学们再做一遍：
下列除去杂质（括号内为杂质）的方法正确的是（ ）
A. CO2气体（HCl）：用饱和碳酸钠溶液洗气
B. BaCO3固体（BaSO4）：加过量盐酸后，过滤、洗涤
C. FeCl2溶液（FeCl3）：加入过量铁粉，搅拌、过滤
D. Cu粉（CuO）：加适量稀硝酸后，过滤、洗涤
（投影习题、学生解答，正确答案是C。）
请同学们想一想，解完此题后，你还存在什么疑问？
（预设：若有学生提出如何除掉BaCO3固体中杂质BaSO4的疑问，则顺着学生的思路提出本节课课题；若没有学生提出该疑问，则教师进一步引导学生分析后提出本节课的课题。）
[板书]课题：探究除掉碳酸钡中硫酸钡杂质的实验方案
设计意图：引导学生深入思考，让学生在不经意处发掘出研究性学习的课题。
4.2 引导学生探究将BaSO4（s）直接转化为BaCO3（s）的可能性
[教师引导]就现有的知识来说，没有能够使BaSO4溶解而BaCO3不溶解的试剂，即不可能用溶解的办法除掉BaCO3中的BaSO4。能否使BaSO4转化为BaCO3而除掉杂质呢？我们已经知道难溶的物质可以转化为更难溶的物质，如难溶的AgCl可以转化为更难溶的AgI。BaSO4和BaCO3在常温下的溶度积常数分别为1.07×10-10、2.58×10-9，即BaSO4比BaCO3要难溶一些，固体BaSO4能否转化为溶解度略大的BaCO3呢？
[板书]常温下，Ksp（BaSO4）=1.07×10-10，Ksp（BaCO3）=2.58×10-9
[学生讨论]答案预设：多数学生可能会说BaSO4不能转化为BaCO3，少数学生可能会说BaSO4能转化为BaCO3，让双方展开争论。
设计意图：设置认知冲突，引发学生的探究兴趣。
[教师引导] BaSO4与BaCO3属于组成类型相同的难溶物，二者具有相似的溶度积常数表达式，从溶度积常数来看，BaSO4的溶度积常数小于BaCO3的溶度积常数，BaSO4是难以转化为BaCO3的。但是，BaSO4与BaCO3的溶度积常数相差并不大，如果创造条件使得 Qc（BaCO3）>Ksp（BaCO3）、Qc（BaSO4）
请同学们设计一个测定饱和Na2CO3溶液密度的实验方案。
[学生讨论设计]
[投影]参考实验方案：称取4.30g无水Na2CO3加入到小烧杯内，再向小烧杯内加入20.0 mL水，搅拌（可适当加热促进溶解），待Na2CO3全部溶解后，用量筒量取10.0 mL Na2CO3溶液于小烧杯内，称量，计算密度。[笔者粗略（仪器不精密）测定的该Na2CO3溶液的密度为1.145 g/mL。]
[演示实验]用参考实验方案或学生设计的合理实验方案测定20℃时饱和Na2CO3溶液的密度。
[教师提问]室温高于20℃时，用此法测得的密度会对物质的量浓度的计算结果产生大的影响吗？室温低于20℃呢？ [学生讨论解答]参考答案：室温高于20℃时，没有大的影响。室温低于20℃时，会因为结晶导致计算结果高于实际浓度。
[板书]加入适量的饱和Na2CO3溶液，可以使BaCO3中的杂质BaSO4转化为BaCO3。
设计意图：根据有关的文献数据及实验测定计算的有关数据，从理论上分析探讨用饱和Na2CO3溶液将BaSO4转化为BaCO3的可行性，确定沉淀转化所用的试剂为饱和Na2CO3溶液。既让学生感受到化学是一门实验科学，又让学生感受到发展到现阶段的化学也是一门理论科学。
4.5 引导学生探究实际实验中的试剂用量比
[提出问题]我们已经在理论上分析说明了用饱和Na2CO3溶液除掉BaCO3中杂质BaSO4的可行性，若要用实验证明该问题，首先还需要解决什么问题？
[学生回答]参考答案：分析计算试剂的用量问题。
[投影题目]某样品BaCO3中所含杂质BaSO4的质量分数为10%，若要一次性地将10 g BaCO3中的杂质BaSO4除掉，至少需要加入20℃时的饱和Na2CO3溶液多少毫升？
[提出问题]该实验方案当然是可行的，问题是中学化学实验室一般没有BaCO3粉末与BaSO4粉末，实验该如何进行呢？
[学生讨论解答]答案预设：用BaCl2溶液分别与Na2CO3溶液与Na2SO4溶液反应制取BaCO3和BaSO4，将制得的BaCO3和BaSO4按一定比例混合后，加入适量的碳酸钠溶液浸泡。
[提出问题]一定要制取BaCO3和BaSO4两种沉淀吗？可不可以只制取BaSO4沉淀？为什么？
[学生讨论解答]参考答案：不必同时制取BaCO3和BaSO4两种沉淀，只要制取BaSO4即可。因为在转化的过程中，BaSO4部分转化为BaCO3之后，便成了BaCO3和BaSO4共存了。
[板书]只要证明BaSO4在饱和碳酸钠溶液中转化成了BaCO3，就说明可以用饱和碳酸钠溶液除掉BaCO3中的杂质BaSO4。
设计意图：理顺实验设计思路，以便学生设计出操作简便的实验。
[课堂作业]根据以上探讨及实验室的现有条件，请同学们设计一个可行的实验证明BaSO4可以转化为BaCO3。
[实验方案预设：用一支中号试管取2 mL 0.1 mol/L的BaCl2，向试管里加入2 mL 0.1 mol/L的Na2SO4溶液，振荡静置，用长滴管尽可能吸出上层清液。然后向试管里加入1.91 mol/L Na2CO3溶液（20℃时的饱和溶液）4 mL，充分振荡后静置至沉淀完全沉降到试管底部（约半分钟，BaSO4和BaCO3的沉降速率均较快），用长滴管尽可能吸尽上层清液，重复此操作一次。再向试管里加入约4 mL水，振荡静置，用长滴管吸出上层清液。最后向试管里加入1 mol/L的HCl 3 mL，观察实验现象。若沉淀溶解，逸出气体，说明BaSO4转化成了BaCO3。]
[预设方案解析]
（1）实验的可行性：实验已经证明，新制的BaSO4很容易转化成BaCO3。在溶液中新生成的沉淀，其颗粒一般都比较小、反应活性较强。新沉淀在溶液中存放一段时间后，就会逐步转化为晶型较为完善、反应活性较差的大颗粒晶体。因此，新沉淀一般比陈化了的沉淀更容易发生化学反应。
（2）用量问题：a.基本思路是符合绿色化学理念，用量设置应该能在试管中进行试验。b.按溶解比例计算，转化0.0002 mol BaSO4至少需要1.91 mol/L Na2CO3溶液2.6 mL，为抵消BaSO4沉淀所含水分对浓度的影响，并保证彻底快速地转化BaSO4，两次使用了过量的Na2CO3溶液。
（3）操作问题：a.基本思路是用简单的实验说明深刻的道理，努力使实验操作过程做到最简化。b.预设方案没有使用过滤操作，是因为实验试剂用量少，要尽量避免一些不便的操作及滤纸沾附等造成的沉淀损失。
（4）洗涤问题：没有洗涤BaSO4，是因为其中所含的其他杂质离子对后续实验没有不良影响。沉淀转化后的沉淀进行了洗涤，这是为了防止溶液中的SO4 2-对BaCO3的溶解造成干扰。
[演示实验]按照“实验方案预设”或者学生设计的合理方案演示实验。
设计意图：让学生根据理论分析，以操作简便、现象明显为原则设计一个创新实验，培养学生的自主创新能力。
4.7 课堂小结、课外作业及板书设计
[课堂小结]根据沉淀溶解平衡理论、运用相关的知识，研究解决了一道选择题中存在的疑难问题――如何除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡。除掉碳酸钡中杂质硫酸钡的方法是用饱和碳酸钠溶液浸泡，我们设计实验证明了该方法的可行性。事实上，在工业生产上常用饱和碳酸钠溶液浸泡硫酸钡的方法来制取碳酸钡，只不过工业生产所用的硫酸钡粉末是用矿物重晶石粉碎制得的，这使得工业制取碳酸钡所需的浸泡时间比较长[1]。
[课外作业]（投影）通过本节课的学习，请同学们各自谈谈自己的主要收获或存在的疑问。可以自拟题目写一篇体会式或感想式的科技短文，也可以无题目地自由谈收获。参考题目：简述除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的研究过程；质疑除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的研究；质疑除掉碳酸钡中的杂质硫酸钡的方法；谈谈科学研究的基本过程；提出一个你在学习中遇到的尚未解决的疑难问题，自拟题目设计一个比较可行的研究方案。
设计意图：这是一道创新型作业，目的是通过改变作业方式，将实践创新活动与理论归纳相结合，初步培养学生写作科技论文的能力。
参考文献：
[1]北京师范大学等校编.无机化学?上册（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：346～347.