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1、省级课题基于高中化学核心素养的数字化实验案例研究案例：利用PH传感器、温度传感器探究乙醇与钠的反应石桥中学马省路各位老师:大家好！我的说课题目是利用PH传感器、温度传感器探究乙醇与钠的反应，我从以下九个方面对该实验进行分析。一、适用教材乙醇和钠的反应首次出现在人教版(2019)高中化学必修2第七章第三节“乙醇与乙酸”的知识点，本节介绍了乙醇的结构性质、提出了官能团、取代反应等概念。该实验再次应用是在人教版(2019)高中化学选择性必修三第三章第二节“醇酚”的学习中。在这一节里进一步探究周围环境与官能团的相互影响，介绍了醇类的其它反应类型。二、学生现状知识层面：学习了取代反应和消去反应等化学反应
2、原理；能力层面：具备了一定的分析观察能力和抽象思维能力，数据处理能力；心理层面：有较强的进一步探究物质性质的愿望，在学习上有一定的依赖心里和畏难情绪。三、设计思路和创新化学实验，是我们验证化学推理，掌握物质结构和性质的重要途径。为了帮助学生从宏观上感受乙醇和钠的反应，教材中设计了实验7-4如图1,该实验的宏观表征：钠沉在乙醇底部，表面缓慢产生气泡，在在导管口对生成的气体验纯后再引燃，产生淡蓝色火焰。学生容易获取新知：钠可以和乙醇反应，但是不那么剧烈，可以生成氢气。虽然钠是一种轻金属，但是乙醇的密度也不大。钠的密度是O.968gc)3(室温),乙醇的密度是O.789gcm3(20),由于钠的密度
3、大于乙醇的密度，所以当钠投入到乙醇中时，钠会沉到乙醇的底部，这与学生们在必修一中学习的钠与水的反应差别很大。另外钠与水的反应，本质上是水先微弱电离出氢离子，氢离子得到钠的电子后生成氢气从而脱离溶液体系，而水微弱电离出的氢氧根离子残留在溶液体系中并且浓度不断增大,PH值不断升高，所以加入酚敷试剂会变红。水是弱电解质，可以微弱电离，而乙醇是非电解质，无法直接电离出氢离子参加反应，所以钠和乙醇的反应就要缓慢一些。那么乙醇与钠反应之后溶液会不会也变成碱性，通过灵敏度很高的PH传感器来测定，就会方便很多，也能更直观的反应出整个反应过程中PH值的连续变化。另外，钠的熔点是9772C,当钠与水反应时放热，钠
4、周围的温度上升很快，可以使钠熔成小亮球。但是当钠与乙醇反应时，看不见钠熔成小亮球，是不是钠与乙醇的反应不放热呢？此时借助温度传感器来记录反应过程中温度的细微变化就会比较方便。通过宏观现象和曲线表征，帮助学生直观的理解反应机理和构建知识。四、实验设计原理2CH3CH2ONa+H2T钠与乙醇反应，引起溶液的PH值变化。为了能直观反应PH数据的连续变化，在实验中引入数字化实验，借助PH传感器导出钠与乙醇反应过程中PH值随时间变化的图像；借助温度传感器反应温度变化，体现出宏观不易观察的温度变化。通过曲线表征中的数据的变化,推断钠与乙醇的反应机理和能量变化，进而预测钠与乙醇的反应其实和钠与水的反应本质上
5、有相似之处。五、实验教学目标【宏观辨识与微观探究】学生通过观察钠与乙醇的反应现象，理解周围结构对羟基的影响。【实验探究与创新意识】学生通过实验探究钠与乙醇的反应、分析数字化实验数据，提高科学探究的能力。【科学精神与社会责任】通过学习醇类的结构和性质，了解醇类的用途，体验化学在生活中的应用，认识化学促进社会发展的重要作用。六、实验教学内容和实验教学过程简介1、测定并记录三颈烧瓶中乙醇的初始温度、PH值。在加入钠之前可以分析水中羟基和乙醇中羟基结构的相似性，结合钠与水的反应现象，鼓励学生提前对钠与乙醇反应温度和PH值的变化进行猜想。2、向乙醇中加入4粒黄豆大小的钠，并采集180秒内的温度、PH值变
6、化曲线。在采集数据的同时，还要带领学生即使观察钠与水反应的宏观现象，并将现象与钠与水的反应现象进行对比。3、数据处理让学生把实验获得的宏观现象和教师数字化实验所得变化曲线相结合。学生通过观察180秒内PH值和温度的变化曲线，发现钠与乙醇的反应和钠与水反应类似，也是放热反应，反应后溶液也会变成碱性。4、理论分析将钠与乙醇反应的现象和钠与水反应的现象进行对比，结合数字化实验得到的温度变化曲线、PH值变化曲线，让学生们发现和钠与水反应本质一样：钠与乙醇反应也是与羟基氢原子反应。但是也要让学生理解二者氢原子的活性有差异，所以现象有差异，在此基础之上引导学生书写该反应的化学反应方程式。七、实验用品和装置
7、L实验用品：PH传感器、温度传感器、数据采集器、三颈烧瓶、钠、无水乙醇、85%乙醇、75%乙醇等。2.实验装置：如图2图2八、实验步骤和现象分析（1）实验步骤：按图2装置组装仪器，向三颈烧瓶中加入IOOnlI无水乙醇，连接好数据采集器和PH传感器、温度传感器，打开应用软件，点击PH传感器、温度传感器进行数据采集，先测定反应前无水乙醇自身的PH等于7.31（大约是中性）,温度是22.6然后取出四粒绿豆大小的钠（0.05g）,用滤纸擦干表面的煤油后放入三颈烧瓶中，观察溶液的PH和温度变化。实验中数据和曲线变化如图3所JoSOTPro42,!,J!.?-文伍F)MI(E)ftttr)KS(D)外KA
8、)AeftS(O)J5(P)b(H)50100150时同（秒）Iooml无水乙醇（299.7%）与005g（4粒）钠反应图3加入钠之前加入钠180秒后温度22.623.2PH7.3113.18表1（2）现象分析：由图像可知：随着反应的进行，钠越来越小，溶液的PH值不断增大，由最初的7.31逐渐变为13.18（180秒后）温度上升到23.2。可以说明钠与乙醇的反应和钠与水的反应有一些不同点，也有一些相似点。不同点如：钠沉在乙醇底部反应而钠浮在水面上反应；钠与乙醇反应缓慢而钠与水反应剧烈。相似点：都生成氢气，溶液PH值都会不断增大，都是放热反应。宏观现象对比钠与醇反应钠与水反应实验现象钠块开始沉在
9、试管底，随后逐渐上浮。缓慢产生气泡反应。不熔、加酚醐变红。.浮、熔、游、响、红，剧烈反应。实验结论乙醇分子中羟基上的氢原子不如水分子中的氢原子活泼。表2（3）对比实验：将等量（0.05g）的钠分别与等体积75%乙醇、85%乙醇、无水乙醇（99.7%）的反应loggerPro - 4,2S_ 户达卢-豆XW MI(B) MftPO BS(P)分侨S) SiMD &WO) K(P) WttKH)DSQ等 页1， 用i：隹H5 乏旬怯.100温度23.2OC222 9- q321212122222242422222222IOOml无水乙醇（299.7%）与O.05g （4粒）钠反应pH13.1822
10、7-附间（眇）图4IOOml85%的乙醇与0.05g （4粒）钠反应IOOml75%的乙醇与0.05g （4粒）钠反应三组实验PH值最终都能达到13.86（PH传感器可测定的最大值）,但是乙醇浓度越低耗时越短。钠与三种浓度的乙醇反应时温度都会上升，但是溶液最终温度差异不大，均远低于钠的熔点。低浓度的乙醇与钠反应时，现象剧烈，钠周围的温度很高,但是此时钠浮在液面上，大量热量快速进入空气，导致最终溶液温度上升不明显。钠与不同浓度的乙醇反应的温度变化、PH值变化差异主要还是体现在所耗时间不同。乙醇的浓度越低耗时越短，乙醇的浓度越高耗时越长，最终溶液的整体温度都会稍微上升，溶液PH值上升很大，碱性很强
11、。九、实验创新效果评价1 .利用数字化实验将缓慢反应过程直观化，有效突破教学重难点。由于乙醇与钠的反应比较缓慢，如果借助于酸碱指示剂来反应溶液PH值变化会等较长时间，会耽误宝贵的课堂教学时间，另外通过观察钠的状态变化来分析钠与乙醇反应的能量变化也不容易，上面这些情况会破坏课堂的完整性。利用PH传感器、温度传感器进行数字化实验，把现象不明显的化学反应或者耗时比较长的化学反应以数字曲线的形式显示出来，不仅有利于学生直观地观察实验现象，还有利于学生分析处理实验结果。本实验中学生通过观察溶液的PH值不断变大很快得出钠与乙醇反应也有碱性物质生成的结论，进而预测：钠与乙醇的反应本质上也是和乙醇中的氢原子反
12、应，与钠与水的反应在本质上有相似之处。实验过程中虽然不能看到钠熔成小亮球，但是通过温度传感器还是能够反应出该反应放热。2 .通过温度传感器、PH传感器可以测定整个反应过程的连续变化曲线，有利于捕捉中间突变过程，连续的数据曲线也有利于学生掌握反应机理。学生通过将宏观实验现象和PH值数据曲线结合，初步得出钠和乙醇反应和钠与水反应，本质上都是和氢反应的结论。我们再进一步分析：水是弱电解质可以微弱电离出氢离子参加反应；乙醇是非电解质，不能电离出氢离子，只是羟基氢原子的活性较强从而参加反应。学生通过微观模型结合宏观现象和曲线表征,对新旧知识进行对比、迁移,最终理解掌握新的知识点：乙醇中的羟基氢原子与结构
13、中其它氢原子不同，虽然都不能电离出去，但是羟基氢原子活性强任然可以与钠反应，产生氢气，其它的氢原子则不能反应，另外该反应比钠直接与氢离子反应会缓慢一些。3 .在日常教学中，适时加入数字化实验。借助多种数字传感器，将很多经典的定性实验转化为定量实验,形成连续的数据从而得出曲线表征，这样将数字化实验和传统实验进行融合和创新，可以使一些课堂上不易观察的传统实验现象放大化,甚至某些无法观察到的现象通过数字曲线反应出来。利用图像中的连续变化的曲线，引导学生对数据进行分析，将证据推理与模型认知结合起来，不仅可以帮助学生理解和掌握化学原理，而且能调动学生们学习化学的积极性，激发学生对实验探究活动兴趣，提高学生的实验操作能力，培养学生的科学探究能力与创新意识，真正落实在课堂教学中发展学生的化学学科核心素养。
