基于学习进阶理论的高三化学复习课研究*
——以镁与氯化铵溶液反应为例

倪文峰 戈益超

(1.黄山第一中学 安徽黄山 245700)(2.中国科学技术大学附属中学 安徽合肥 230051)

一、问题提出

目前高三化学复习课多以重复讲解知识点、做习题、讲解习题为主，课堂教学中的演示实验、学生实验、探究实验几乎停止。笔者认为高三复习课不应该是高一、高二化学知识内容的重复讲解，更不应该以机械的重复训练为主，而是应该以高一、高二化学知识为基础，以提升学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题为主，而将数字化实验引进课堂，可以更好地提高学生的学习兴趣和实验能力。镁与氯化铵溶液反应一直是大家探究的热点，笔者将此实验引入课堂，课前在实验室完成探究过程，为探究过程中可能出现的问题做好预案，避免探究结果不理想，影响课堂教学效果。

二、实验探究

(一)镁与氯化铵溶液反应的再现

1.取10.0 mL0.1 mol/L NHCl于大试管内；

2.将pH传感器放入大试管中，再将pH传感器与数据采集器相连，数据采集器再与计算机相连，打开Logger Pro 3(软件)；

3.取10 cm长的镁条，打磨除去其表面的氧化镁，并分成4段；先点击软件中的“采集”，再将这4段镁条同时放入大试管，计算机自动记录数据。

(二)实验数据及处理

图1 镁与氯化铵溶液反应过程中pH变化图

(三)实验现象及解释

1.将镁条放入0.1 mol/L NHCl溶液中，在反应结束前一直有大量气泡产生。

2.将湿润的石蕊试纸放在试管口，试纸变蓝。

3.从图像中可以看出pH的值一直在增大，溶液从酸性变为碱性，在pH为9.4左右保持相对稳定。

问题1 在碱性条件下镁条能否与水反应生成氢气？

镁条在pH为 9.4左右的氯化铵与铵水的缓冲溶液中反应速率没有减弱，此条件下镁条能否被氢离子氧化，带着疑问笔者做了下面两个实验。

实验1 将打磨后的镁条放入pH为 9.4的碳酸钠与碳酸氢钠的缓冲溶液中有明显的气泡产生，向该缓冲溶液中加入氯化钠，有大量气泡产生。

实验2 将打磨后的镁条放入冷水中，刚开始无明显现象，一段时间后有极少量气泡，但放入氯化钠的溶液中有明显大量气泡。

结论：镁条与pH为 9.4的碳酸钠与碳酸氢钠的缓冲溶液反应，说明在碱性条件下，氢离子也可以氧化镁生成氢气，加入氯化钠气泡加速且在冷水中加入氯化钠也能产生大量气泡，说明氯离子能加速该反应，碱性环境下氢离子也能氧化镁。

问题2 镁条能否直接与铵根离子反应生成氢气?

多数老师利用醋酸铵溶液与镁条反应，有大量气泡来说明镁可以与铵根离子反应，但笔者认为镁与醋酸铵溶液反应并不能说明铵根离子直接与镁反应，还存在一种可能是镁与水反应生成氢氧化镁和氢气，生成的氢氧化镁附着在镁条的表面从而阻止了反应的进行，但加入醋酸铵后，氢氧化镁与铵根离子反应(氢氧化镁是中强碱，而铵水是弱碱)溶解了氢氧化镁，所以镁与醋酸铵溶液的反应不能说明铵根离子直接与镁反应。笔者利用如下实验来验证铵根可以直接与镁反应。

实验3 先将氯化铵溶解在乙醇中，再将打磨后的镁条分别放在乙醇、含氯化铵的乙醇溶液、含氯化钠的乙醇溶液中做对比实验，镁在乙醇、含氯化钠的乙醇溶液中均无明显现象，但镁在含氯化铵的乙醇溶液中有明显的气泡产生。

三、将实验探究转化为教学过程

(一)基于课程标准设定教学目标

1.通过探究镁与氯化铵溶液反应，提升综合运用盐的水解、弱电解质电离、镁的性质等知识解决实际问题的能力。

2.让学生真实经历探究未知知识的过程，经历科学家研究问题的过程，从而提高学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力。

3.提高学生设计实验和实验探究能力，建构宏观—微观—符号—曲线四重表征。

(二) 教学过程呈现

1.定性分析

教师：氯化铵溶液是酸性、碱性还是中性？为什么？

学生：氯化铵溶液呈酸性，因为氯离子不水解，而铵根离子水解(铵根离子结合水电离出来的氢氧根离子生成NH·HO，从而使氢离子浓度大于氢氧根离子浓度，使溶液呈酸性)。

教师：镁常温下很难与冷水反应，氯化铵溶液呈酸性，镁与氯化铵溶液反应吗？

学生：若溶液很稀则不反应，若溶液浓度大，酸性较强则反应生成氢气。

教师：我们以0.1 mol/L的氯化铵溶液为例，用pH传感器测溶液的pH=6.12，溶液呈弱酸性，它能与镁条反应吗？为什么？

学生：不可以，因为酸性太弱。

学生：可以，因为溶液是酸性pH=6.12，热水的pH值也接近6，所以可以反应，但反应速率不会太快。

教师：回答可以的同学，不仅说出原因，而且与热水的pH做对比来证明自己的观点，说明思路开阔，值得表扬和学习。能不能反应，我们来实验一下。

演示实验：先将大约10 cm长、用砂纸打磨好的镁条分成四段同时放入试管中，再取大约10.0 mL 0.1 mol/L的氯化铵溶液于试管中，请学生观察现象。

学生：有大量气泡产生，说明可以反应，且反应速率较快。

教师：对这个实验结果满意吗？对此大家还有什么疑问吗？

学生：反应可以理解，毕竟溶液呈酸性。我想知道反应后溶液的pH是多少。

教师：请同学们再来预测一下反应后溶液的酸碱性。

学生：溶液pH逐渐增大，接近7，反应变慢。

教师：为什么？

学生：因为镁与pH=7的水不反应，所以当溶液的pH接近7时反应变慢。

教师：镁与0.1 mol/L的氯化铵溶液反应过程中pH值的变化是怎样的，我们用pH传感器来测一下实验中pH的变化。

2.曲线图分析

实验：将pH传感器与数据采集器相连，数据采集器再与计算机相连，打开Logger Pro 3(软件)。将用砂纸打磨好的镁条(15 cm)分成四段同时放入小烧杯中，再取25 mL 0.1 mol/L的氯化铵溶液倒入小烧杯中， 采集数据如图1所示。

教师：同学们对此实验现象及其结果有疑问吗？

学生1：为什么刚开始pH变化较大，后来变化较慢？

学生2：镁条与pH=7的水都难反应，为什么溶液pH大于7，反应还没有停止？难道镁条在碱性条件下也能与水反应？

学生3：pH在9到10之间时，仍有大量气泡冒出，这是为什么？

学生4：溶液呈碱性，溶液中有铵根离子，是否有氨气逸出？

学生5：生成的气体是不是氢气？

……

教师：我们先来解决第4及第5个问题，用实验方法就可以，怎么做呢？

学生：把湿润的石蕊试纸放在烧杯口，观察其是否变蓝；收集一试管气体，点燃，看是否有爆鸣声。

实验：用湿润的石蕊试纸放在烧杯口，试纸变蓝，说明有氨气生成逸出；收集一试管气体，点燃，有爆鸣声，说明是氢气。

教师：请同学们思考第一个问题，为什么刚开始pH变化较大，后来变化较慢？

学生：铵根离子水解呈酸性，刚开始溶液氢离子浓度大，加入镁，消耗氢离子，使平衡右移，但根据“勒夏特列原理”，只能减弱不能抵消，所以溶液pH增大；后来溶液pH变化较慢，那是因为到pH大约是9时，此时应该是氯化铵与氨水的缓冲溶液，再者生成的氨水有一部分挥发了，使溶液pH变化变小，还有可能是溶液已经是碱性，pH变化就像是酸碱中和滴定一样，在中间这一段pH=7附近变化较快，后来即使是碱性增强其pH变化也小。

教师：你分析得很有道理，我也同意你的观点，那对于问题2、问题3，同学们有什么想法，请和大家一起分享一下。

学生：在碱性条件下，仍能有大量氢气生成，说明镁条与溶液反应与酸碱性无关，但与pH=7的水不反应，说明与铵根离子或与氯离子有关。

教师追问：你的推理很好，那该如何设计实验证明此观点呢？

学生：对于氯离子，我们可以在氯化钠溶液中加入镁条，观察现象，若有大量气泡产生，则说明氯离子对此反应有促进作用，若无明显现象，则说明无作用。

教师：那铵根离子起到的作用是什么，目前有三种观点，观点1：氢氧化镁为中强碱，而氨水是弱碱性，镁与水反应生成氢氧化镁与氢气，但氢氧化镁难溶于水，附着在镁条的表面，阻止了反应的进行，加入氯化铵溶液，镁与水生成的氢氧化镁与铵根离子反应生成氨水，从而使平衡右移；观点2：氨根离子与镁条反应生成氢气与氨气；观点3：二者都有。请同学们课下思考，怎么设计实验方案来证明是哪种观点。

学生：将氯化铵直接溶解在乙醇中，得到氯化铵的乙醇溶液，再加入金属镁，观察是否反应。

教师：这个方案很有创意，可以进行实验来证明铵根离子是否可以直接与镁条反应。

(三)教学反思

本节课用pH传感器实时检测镁与氯化铵溶液反应后pH的变化，用曲线表征打破学生固有认知，引导学生向化学变化的本质方向思考，引导学生尊重客观事实，带领学生发现问题、提出问题、设计实验方案、解决问题，体验真实探究过程，使学生乐于参与，充分调动了学生的积极性，给相对死板的高三复习课带来一丝激情。学生积极思考探究曲线变化的原因，使其知识得到综合运用，发展学生的宏观辨识与微观探析的素养，更是打破传统的宏观—微观—符号三重表征，上升到宏观—微观—符号—曲线表征。课下学生提供的方案，更能反映出本节课激发了学生的学习兴趣，学生乐于学习思考，从被动学习转化为主动学习。

笔者将探究实验引入高三课堂复习教学中是一种大胆尝试，特别是在新课标、新课程、新高考的“三新”的教学理念下进行有意义的课堂教学改革，有益于化学学科核心素养的落实，如宏观辨识与微观探析、科学探究与模型认知、科学态度与社会责任在本节课都得到很好的落实，课后学生的兴奋及对实验的追问，都体现了这是一次比较成功的高三课堂教学转型。