摘要： 將浸泡過氯化鐵溶液的粉筆于酒精燈上灼燒，觀察實驗現(xiàn)象并解釋其原因，意外發(fā)現(xiàn)有黑色固體析出。引導學生通過實驗探究證實對黑色物質(zhì)形成的反應機理的猜想。學生在真實的問題情景中經(jīng)歷實驗探究全過程，提高了發(fā)現(xiàn)問題的意識和探究能力。

關鍵詞： 水解；實驗探究；氯化鐵； 教學設計

文章編號： 10056629（2018）2005004中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

化學是一門與實驗相關的自然科學，實驗探究是化學學科核心素養(yǎng)的內(nèi)在要素，也是綜合培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的一種有效方法[1]。教學中利用實驗出現(xiàn)的意外現(xiàn)象，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，確定探究課題，設計并優(yōu)化實驗方案，動手進行實驗，觀察記錄分析實驗現(xiàn)象，評價與反思并最終獲得正確結論。學生親歷實驗探究的過程，在探究的過程中引發(fā)學生的認知沖突和深度思考，激勵學生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學問題，并應用化學知識解決問題，培養(yǎng)學生的問題意識，提高學生分析解決問題的能力。

1教學目標

（1） 通過實驗，理解將揮發(fā)性酸對應的弱堿鹽溶液蒸干、灼燒的生成物，且能夠依據(jù)離子平衡原理加以解釋。

（2） 對比評價FeCl3溶液蒸干、灼燒實驗的兩套方案，掌握實驗方案評價的策略。

（3） 在解決問題過程中思考Fe2+和Fe3+檢驗、鐵的氧化物性質(zhì)知識的應用。

（4） 借助改進實驗意外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、猜想、設計方案、驗證、評價反思的過程建構科學探究的思路和方法。

2教學過程流程

教學過程流程簡圖見圖1。

3教學過程

FeCl3、 AlCl3等鹽溶液蒸干會促進水解，生成氫氧化物，灼燒得氧化物。教學中為了便于學生理解，對上述實驗進行取證。

[教師演示]用傳統(tǒng)方式演示FeCl3水解相關實驗： 將大約20mL飽和FeCl3溶液先在蒸發(fā)皿中蒸發(fā)，再在坩堝中灼燒，觀察實驗現(xiàn)象。加熱溶液，溶液顏色由黃色變?yōu)榧t褐色，溶液蒸發(fā)后轉入坩堝中灼燒，固體顏色由紅褐色變?yōu)殍F銹色。

[教師講解]針對實驗耗時長、藥品用量大、污染環(huán)境的問題，介紹對上述實驗的改進方法。

[學生實驗]將一只粉筆浸泡在FeCl3溶液中（濃稀均可），用坩堝鉗夾持粉筆于酒精燈上灼燒（圖2）[2]，隨著加熱時間的持續(xù)，可在1min內(nèi)觀察到粉筆表面顏色的變化： 黃色→紅褐色→鐵銹色→黑色。

[學生討論]實驗現(xiàn)象中前三種顏色出現(xiàn)的原因： FeCl3溶液水解生成Fe（OH）3， Fe（OH）3受熱分解為Fe2O3。

[教師提問]與傳統(tǒng)實驗相比較，改進后實驗的優(yōu)點是什么？

[學生討論]操作簡單、耗時短、藥品用量少、節(jié)約、環(huán)保。

設計意圖： 學生親歷對實驗方案的評價過程，在實踐中學習化學實驗評價的要點即科學、簡約、安全、經(jīng)濟、環(huán)保。

[學生提問]為什么粉筆表面顏色最終變?yōu)楹谏?？黑色物質(zhì)是怎么生成的，成分是什么？

[教師指導]依據(jù)反應物、反應條件合理猜想可能發(fā)生的反應，對黑色物質(zhì)是怎么生成的進行猜想。

[學生討論]提出猜想： ①酒精不完全燃燒的碳；②酒精與粉筆灼燒的產(chǎn)物；③酒精還原Fe2O3得到的物質(zhì)。

[教師提問]如何設計實驗證實是猜想①、②？

[學生討論]實驗方案。

[學生實驗]把潔凈的粉筆置于酒精燈上灼燒，不會呈現(xiàn)黑色。實驗直接排除了猜想①和②。

[教師提問]如何設計實驗證實是猜想③酒精還原了Fe2O3可得到黑色物質(zhì)？

[學生討論]實驗方案。

[教師演示]酒精還原Fe2O3的實驗[3]： 如圖3，在密閉裝置中，將酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質(zhì)玻璃管中。先在粉筆處加熱，用酒精蒸汽排盡裝置中的空氣后，再在Fe2O3處加熱，約5min左右可以在硬質(zhì)玻璃管中觀察到紅色Fe2O3變成黑色。取下裝置中新制的Cu（OH）2加熱，觀察到新制的Cu（OH）2由藍色沉淀變成磚紅色沉淀。

[學生討論]酒精被氧化為乙醛并有黑色物質(zhì)生成，猜想③正確。

[學生提問]黑色物質(zhì)是什么？

[教師指導]類比酒精還原CuO實驗，圍繞反應物（乙醇、Fe2O3），根據(jù)氧化還原反應原理，進行推理判斷。

[學生討論]提出猜想： 黑色物質(zhì)可能是單質(zhì)Fe、 FeO或Fe3O4。

[教師提問]如何設計實驗，探究黑色物質(zhì)是三種中的哪一種？（限選實驗儀器與試劑： 燒杯、試管、玻璃棒、藥匙、滴管、酒精燈、試管夾、吸鐵石、黑色粉末樣品、3mol·L-1 H2SO4溶液、 6mol·L-1 HNO3溶液、 3mol·L-1 HCl溶液、 0.01mol·L-1 KMnO4溶液、 20% KSCN溶液、蒸餾水）

[學生討論]實驗方案。

[學生實驗]實驗①： 取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引；實驗②： 在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后，固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生；實驗③： 取上述實驗②清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取實驗②清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學生討論]實驗①證明黑色物質(zhì)不是FeO，實驗②證明黑色物質(zhì)不是單質(zhì)Fe，實驗③證明既有Fe2+又有Fe3+，由此得出結論，黑色物質(zhì)是Fe3O4。

[學生提問]是否因反應時間太短，導致了酒精只能將Fe2O3還原成Fe3O4？

[教師演示]如圖3，在密閉裝置中，用酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質(zhì)玻璃管中加熱，觀察到將紅色Fe2O3變成黑色后再持續(xù)加熱5分鐘使其充分反應。取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引。在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生，取上述清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取上述清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學生討論]得出結論： 酒精將Fe2O3還原為Fe3O4，與反應時間無關。

至此學生完成了探究歷程（圖4）：

[教師出示]信息資料： 鐵的氧化物有FeO、 Fe2O3和Fe3O4等。FeO是鐵的氧化物之一，其外觀呈黑色粉末，由氧化態(tài)為+2價的鐵與氧共價結合。FeO屬于非整比化合物，其中鐵和氧元素的比例會發(fā)生變化，范圍從Fe0.84O到Fe0.95O。FeO是一種黑色粉末，不穩(wěn)定，在空氣中加熱，可被氧化成Fe3O4，隔絕空氣加熱會歧化為Fe和Fe3O4。

[教師提問]根據(jù)信息酒精還原Fe2O3得到的產(chǎn)物Fe3O4會不會是由于FeO的不穩(wěn)定性而生成的？

[學生討論]酒精還原Fe2O3時先用酒精蒸汽排盡了空氣，是無氧氣環(huán)境加熱，故不會是由于FeO在空氣里加熱而被氧化成Fe3O4，又因為在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產(chǎn)生，證明無單質(zhì)Fe，故不會是由于隔絕空氣加熱歧化為Fe和Fe3O4，由此得出結論酒精將Fe2O3還原產(chǎn)物只能是Fe3O4。

[教師講解]教師介紹X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD），并給出由河北大學化學實驗室對黑色產(chǎn)物測樣得出的產(chǎn)物表征圖及結果（圖5），圖5顯示了Fe3O4（曲線a）、Fe2O3（曲線c）及單質(zhì)Fe（曲線d）的XRD譜圖。從Fe3O4的XRD譜圖上可以看出35.3°、 43.0°、 56.9°和62.5°分別對應于Fe3O4的（311）、 （400）、 （511）和（440）晶面（JCPDS NO. 190629）。Fe2O3 XRD曲線上的33.1°、 35.7°、 54.2°、 62.6°和64.5°分別對應于Fe2O3的（104）、 （110）、 （116）、 （214）

圖5Fe3O4（曲線a）、酒精還原Fe2O3的產(chǎn)物（曲線b）、Fe2O3（曲線c）及單質(zhì)Fe（曲線d）的X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD）

和（300）晶面（JCPDS NO. 898103）。曲線d上44.9°的XRD衍射峰對應于單質(zhì)Fe的（110）晶面（JCPDS NO. 870721）。由圖可知，酒精還原Fe2O3所得到的產(chǎn)物（曲線b），其XRD譜圖與Fe3O4一致，而與Fe2O3和單質(zhì)Fe的XRD譜圖明顯不同，進一步證明了通過酒精還原Fe2O3得到的產(chǎn)物是Fe3O4。

設計意圖： 學生初步了解目前化學研究中常用的儀器分析，開闊了眼界。先進科研手段對學生探究結論的進一步證實，使得學生的成就感倍增。教學過程中引導學生嘗試科學研究，將科研的種子植于學生心中，培養(yǎng)學生學科學、愛科學、不斷創(chuàng)新、勇于質(zhì)疑、堅持不懈的品質(zhì)。

4教學反思

FeCl3、AlCl3等鹽溶液在蒸干時，會完全水解，生成的氫氧化物在灼燒后轉化為氧化物。對FeCl3溶液灼燒實驗進行改進發(fā)現(xiàn)得到黑色粉末的意外現(xiàn)象。由此，設計了本節(jié)的實驗探究課，希望讓學生通過實驗探究，認識所發(fā)生變化的本質(zhì)，提高問題意識、探究意識和探究能力。事實證明，化學實驗的意外現(xiàn)象，能使學生學習興趣高漲、引發(fā)探究欲望，活躍思維。課堂上，教師要抓住契機，充分利用意外現(xiàn)象生成的教學資源，不搪塞敷衍，不主觀臆斷，啟發(fā)學生進行探究。

本節(jié)的教學設計也說明，在教學實踐中，教師要注意將課本中現(xiàn)象不明顯、成功率較低、污染大、耗時長的實驗加以改進，提高實驗的效果。教師示范演示實驗創(chuàng)新，對于培養(yǎng)學生問題意識、批判精神，提高學生的創(chuàng)新意識也是一個很好的示范。本節(jié)教學采用問題驅(qū)動式的教學方法，學生按以下程序開展學習活動： 提出問題—確定任務—實驗探究—解決問題。課堂上80%以上的時間是學生講實驗、做實驗、交流討論，教師只起引導的作用，把課堂真正地還給學生。在討論評價環(huán)節(jié)，全體學生參加了每個問題的討論，學生在遇到實際問題時，通過討論、探究去尋找答案，充分體現(xiàn)學生的學習主體地位，學會交流討論，增強團隊精神。

參考文獻：

[1]徐濱.化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)策略[J].中學化學教與學， 2017，（4）： 17.

[2]薛桂鳳.創(chuàng)新氯化鐵水解實驗及由該實驗引發(fā)的實驗探究[J].中學化學教學參考， 2012，（5）： 53.

[3]薛桂鳳.3個高中化學演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器， 2010，（7/8）： 61.