化学仿真软件在碱金属与水的反应教学中的应用:碱的化学

化学仿真软件在碱金属与水的反应教学中的应用

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2016）16-0038-03 1 前言 在高中探究性实验“碱金属与水的反应”的教学过程中， 由于碱金属化学性质活泼，因此进行实验时反应速度快，现 象不宜观察且具有一定的危险性[1]；
而且由于碱金属Li和K 非常活泼，因此在实际教学过程中无法用其进行实验教学。

在实际教学过程中，借助化学仿真软件“鳄鱼夹”展开探究 式教学活动，不仅能够有效地避免实验安全事故的发生，防 止学生被反应生成的强碱腐蚀或灼伤，而且能够有效地借助 软件中的宏观现象、微观示意图和数据图表的展示，帮助学 生对该反应的相似性与递变性进行认知与学习。

2 实验演示思路 根据《普通高中化学课程标准（实验）》，本部分的教 学要求学生能结合有关数据和实验事实认识元素周期律，了解原子结构与元素性质的关系[2]。因此，在教学过程中采 用探究式教学模式，运用“鳄鱼夹”化学仿真软件进行化学 虚拟实验“Li、Na、K与H2O反应”的演示，然后借助软件中 虚拟实验现象、数据、图表和曲线的展示，引导学生理解与 掌握三个反应的相似性与递变性。

实验演示一：碱金属与水反应的相似性 该实验的演示 采用分别演示Li与水反应、Na与水反应、K与水反应的方式 进行。

现以Li与水反应为例，将实验演示过程列举如下。

首先，按下软件中的按钮，控制反应处于未发生的状态， 向250 mL烧杯中加入100 mL水和单质Li，用pH计测量反应前 的液体pH值，反应前的相关信息如图1所示。通过微观示意 图，能够观察到烧杯中存在的微观粒子只有水分子，而且透 过信息栏可以得知反应前的液体温度为25 ℃， 并且组分只有水，空气的成分当中只有N2、O2、Ar和CO2。

通过pH计的测量可以得知，反应前的液体pH=7，液体呈现中 性。

其次，按下开始仿真按钮，开始虚拟实验演示，反应过 程中的变化如图2和图3所示。

如图2所示，单质Li在反应开始一段时间后，开始产生 气泡并浮在水面上，由此表明单质Li的密度小于水并且反应 产生气体。对比图2和图1中的信息栏得知，反应过程中产生 Li+和OH-，只是由于浓度过小，因而没有出现在微观示意图中，但说明该反应过程中有离子参加反应，根据“离子反应” 的定义，能够得知该反应属于离子反应；
对比“气体”一栏 得知，反应中产生的气体成分为H2；
对比“液体和固体”一 栏得知，反应前液体和固体的温度为25.00 ℃，反应一段时 间后液体的温度为28.322 ℃，固体的温度为29.056 ℃，由 此说明该反应过程中会放出热量，表明该反应属于放热反应。

如图3所示，单质Li在进一步与水反应的过程中发生爆 炸，由此说明Li与水的反应是非常剧烈的，间接表明金属单 质Li具有强还原性；
对比图1、图2和图3的原子示意图以及 信息栏得知，随着反应的进行，两种离子浓度在逐渐增大， 两种离子经历了从无到有的反应历程；
进一步对比图2和图3 的“液体”和“固体”一栏得知，温度随着反应的进行进一 步升高，而且由于发生爆炸，使得部分单质Li与氧气发生副 反应而产生Li2O固体；
对比图2和图3的“气体”一栏得知， 图2中H2的体积为46.575 cm3，图3中则为31.769 cm3，由于 H2属于可燃性气体，能够推测反应发生爆炸的根源可能与H2 有关。

反应结束后，按下软件中的按钮，使反应处于停止状态， 向反应后的烧杯中滴加酚酞试液，产生的实验现象如图4所 示，溶液呈现红色，说明反应后的溶液呈现碱性；
对比图1 和图4液体的酸碱性得知，该反应的发生使液体的酸碱性由 中性转变为碱性。

综上所述，Li与水反应的实验现象是Li浮在水面上并且不断熔化，而且反应过程中产生大量气泡并发生爆炸，向反 应后的溶液滴加酚酞试液之后，溶液变为红色；
通过信息栏 与微观示意图的对比能够得知，产生的气体为H2，并且该反 应过程中会放出热量，属于放热反应；
而且由于该反应过程 中有离子参加，故该反应也属于离子反应，反应过程中产生 Li+和OH-；
随着OH-浓度的增加，使得液体的酸碱性由中性 逐渐转变为碱性。

总之，单质Li因为其强还原性而与水反应非常剧烈，反 应过程中产生强碱LiOH和H2。对于单质Na与水反应、单质K 与水反应，也可采用上述的虚拟实验演示与分析过程进行模 拟仿真。

实验演示二：碱金属与水反应的递变性 首先，按下软 件中的按钮，控制反应处于未发生的状态，分别向三个250 mL 烧杯中加入100 mL水和金属单质Li、金属单质Na和金属单质 K，反应体系状态如图5所示，图中绘制的是3个反应体系温 度随时间的变化曲线，其中红色线条代表Li与水反应的温度 曲线，蓝色线条代表Na与水反应的温度曲线，绿色线条代表 K与水反应的温度曲线。

然后按下开始仿真按钮，开始虚拟对比实验演示，反应 过程中的变化如图6、图7、图8和图9所示。

如图6所示，K与水的烧杯中最先出现爆炸现象，温度曲 线最先呈现出急剧上升的趋势，标志着该反应的化学反应速 率最快；
而Li与水和Na与水的烧杯中仍然处于产生大量气泡的阶段，Na与水反应的温度曲线仅仅是缓慢上升，Li与水反 应的温度曲线并未发生明显变化。由此可以说明K的金属性 强于Li和Na。

如图7所示，继K与水的烧杯中发生爆炸现象之后，Na与 水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线也呈现出急剧上升 的趋势；
但此时K与水的反应因单质K的完全反应而停止，其 温度曲线处于平衡不变的状态；
Li与水的烧杯中仍然处于产 生大量气泡的阶段，其温度曲线处于缓慢上升的阶段。由此 可以说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。

如图8所示，继K、Na与水的烧杯中发生爆炸现象之后， Li与水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线呈现出急剧上 升的趋势；
而此时K、Na与水的反应因单质K、Na的完全反应 而停止，它们的温度曲线表现出平衡不变的状态。由此能够 进一步说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。

如图9所示，在反应停止后，由温度曲线观察得知3种金 属与水的反应均已达到平衡状态。仔细观察3条曲线不难发 现，三者达到平衡的时间不同，K与水反应的温度曲线最先 达到平衡，Na与水反应的次之，Li与水反应的温度曲线最后 才达到平衡状态。由此生动直观地说明3种金属与水的反应 呈现出递变性，也进一步证明了“3种金属的金属性由强到 弱为K>Na>Li”的实验结论。

综上所述，Li、Na、K三种金属的金属性由强到弱为 K>Na>Li，其与水反应的剧烈程度与化学反应速率随着3种金属的金属性的增强而增大，呈现出递变性。

3 对教学的启示 通过化学仿真软件对以上实验的演示，学生能够直观地 对Li、Na和K分别与水反应的实验现象，各自反应体系当中 微观粒子的变化、温度的变化、各成分量的变化等进行感性 认识，随后在教师的分析与总结中实现感性认识向理性认识 的飞跃。

化学虚拟仿真实验的使用，一方面能够有效地帮助学生 建构起反应体系的微观世界和对反应体系进行感性认识，达 到化学学科要求学生能够想象与建构微观世界的要求；
另一 方面也有效地避免了实验安全事故的发生，防止学生因操作 不当而被强碱腐蚀或者灼伤。因而将虚拟实验系统引入中学 课程教学，已经成为中学实验教学的一个发展趋势，从而更 好地实现中学教学中探究性实验的教学[3]。

参考文献 [1]唐久磊，张学军，魏江明.自主探究性虚拟化学实验 设计：以碱金属化学性质探究为例[J].化学教育，2014，35 （17）：41-44. [2]普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教 育出版社，2001：12. [3]杨涛.虚拟实验在中学化学实验教学中的应用[J]. 中国教育技术装备，2015（13）：166-167.中国教育技术装备