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视频标签：全国高中化学,实验教学微课

所属栏目：模拟课、微型课及试讲

视频课题：第五届全国高中化学实验教学微课《实验室重金属废弃物的毒性探究及污染处理》-山东省青岛

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第五届全国高中化学实验教学微课《实验室重金属废弃物的毒性探究及污染处理》-山东省青岛第十七中学高中化学

实验室重金属废弃物的毒性探究及污染处理
山东省青岛第十七中学 刘娜
一、使用教材
鲁科版教材，高二，《化学反应原理》
二、实验背景
1.社会趋势
教育不仅要面对当下，也要面向未来。环境和经济之间的矛盾，是我们的学生未来走向社会需要思考和解决的问题。
2.实际问题
我们发现，实验室对Cu²⁺、Cr₂O₇^2-的废弃物一般是直接排放。我们想研究一下如何处理。Cu²⁺、Cr₂O₇^2-废弃物的处理是一个真实的问题，研究出的方法可用于解决实验室重金属污染，是学生未来绿色生产的微型模拟。此外，化工生产中，炼钢排放的废渣，皮革工业，电镀等会产生含铜或铬的废弃物。研究重金属的毒性和处理是有价值的。
3.实验不足
照方抓药的实验有禁锢学生思维的不足。实验创新包括新技术、新方法、新材料，也包括实验主题创新。
4.学情分析
中国学生缺少的不是解题，而是用所学化学解决实际问题的机会和能力。中国学生创新精神和实践能力不足是“中国制造”到“中国智造”转型的阻碍之一。需要教师有意识的引导创新和实践。
三、实验器材
学生自己制作的自动滴定仪（山东省创客大赛一等奖），凤尾鱼，花生，含Cu²⁺和Cr₂O₇^2-的废水，电解装置，铅笔芯，烧杯，容量瓶，移液管，氧气传感器，比色传感器等
四、实验创新点
1.学科融合：用鱼、花生做实验验证铜离子和重铬酸根的毒性，实现了化学和生物的学科融合
2.传统实验的改进：学生自己制作了自动滴定仪滴定，规避了人为的终点判断造成的误差
3.现代技术的应用：
（1）用原子吸收测定微量Cu²⁺
（2）用手持技术测定溶解氧
（3）用紫外分光光度和比色传感器测定Cr₂O₇^2-浓度
五、实验思路

图1 实验思路
在活动中，在实验中，使化学学科核心素养落地。
六、实验教学目标
根据这个主题和学情，制定目标如下：
1.知识与技能
（1）应用氧化还原、离子反应、沉淀溶解平衡解决Cu²⁺和Cr₂O₇^2-废弃物的污染
（2）了解现代仪器分析在化学检测中的作用
2.过程与方法
（1）知识整合零散，围绕真实问题，自主设计实验，体验科学探究的程序
（2）控制变量方法的具体应用
3.情感态度与价值观
（1）发展发现问题、分析问题、解决问题的能力
（2）在活动中发展学科核心素养，构建环境保护的意识和能力
（3）在活动中发展合作精神、劳动意识和严谨求实的科学态度
七、实验教学过程
采用项目学习的方式，学生分组，将4个研究任务抛给学生，学生自主、合作、探究完成，课堂展示汇报。重金属的处理在课堂开展分组实验。教师给学生提供资源支持和方法指导。寻求信息技术和化学学习的深度融合。课前借助百度、知网、QQ群学习，课堂借助iPAD录实验，阅读研究报告，分享实验感悟。
(一)探究重金属的毒性
设计实验，证明Cu²⁺和Cr₂O₇^2-的毒性
1.   Cu²⁺的毒性
实验1  采用控制变量的方法，设置一定浓度梯度的硫酸铜溶液，将形态接近的草鱼放入其中，观察记录鱼死亡时间。


图2 Cu²⁺对草鱼生长的影响
 
2.   Cr₂O₇^2-的毒性
实验2  设置一定浓度梯度的重铬酸钾溶液，将形态接近的凤尾鱼放入其中，观察记录鱼死亡时间。
实验材料优化：草鱼（易缺氧），改为凤尾鱼（需要氧气量少）


图3 Cr₂O₇^2-对凤尾鱼生长的影响
【设计意图】通过控制变量的实验，使学生感性的观察到重金属的毒性，实验结果有冲击力。实现了化学和生物的学科融合。实验材料易得。学生分析实验数据还发现，铜离子的毒性大于重铬酸根。在实验中，学生的思维从定性转向定量。
(二)测定重金属浓度
检测废水中铜离子、重复铬酸根浓度
1.利用滴定法测定铜离子浓度（碘量法）
2.用自动滴定仪测浓度(如图为自动滴定仪，获山东省创客大赛一等奖)
说明：自动滴定仪的某些部件为学生3D打印制作（先在电脑上设计模型尺寸）。
2Cu²⁺+ 4I^-=  2CuI  + I₂
用Na₂S₂O₃滴定生成的I₂，进而测定Cu²⁺浓度，淀粉作指示剂

图4 碘量法测定Cu²⁺浓度

图5 学生自己制作的自动滴定仪（山东省创客大赛一等奖）
【设计意图】巩固滴定的技能。推进创客，在模仿的基础上进行创新。创客有利于培养复合型人才，开拓了教师的思维和视野。
 (三)重金属的处理
处理含铜离子和重铬酸根的废水1.设计  2.实验  3.交流
铜离子：沉淀法：Cu(OH)₂ ，CuS(更好)  电解法：回收铜（>1g/L）重铬酸根：方案1 NaHSO₃还原  方案2 FeSO₄还原  方案3 Na₂S₂O₃还原  方案4 BaCrO₄沉淀法 
设计方案，动手实验，互相讨论，解决实验中遇到的问题
方案的优化：针对设计的方案，进行评价

图6 Cu²⁺处理方案

 Cu(OH)₂沉淀法  CuS沉淀法   电解法除Cu²⁺并回收铜 （>1g/L有经济效益）
图7 Cu²⁺处理实验照片
 
图8  Cr₂O₇^2-的处理方案（还原法，沉淀法）

方案1  NaHSO₃还原法 

方案2  Fe²⁺还原法 
 

方案3 Na₂S₂O₃还原法 
 

方案4  BaCrO₄沉淀法


图9 Cr₂O₇^2-的处理学生实验照片

图10 Cr₂O₇^2-的处理方案评价
选自：化学沉淀法处理含铬废水的成本比较 邱明亮 《环境保护与循环经济》2012.3
 
实验方案的优化：从知网下载的文献认为：
处理六价铬的经济成本：硫代硫酸钠法<亚硫酸氢钠法<钡盐法法<硫酸亚铁法
实验经验：由于Cr(OH)₃为两性，生成时对pH要求较高，为8-9，不容易控制。实验室中转化为BaCrO₄容易控制，但最好氢氧化钠溶液是浓的，氯化钡为饱和溶液，并要用硫酸钠除去过量的氯化钡。
【设计意图】围绕一个实际问题的解决盘活了很多核心的化学知识，包括氧化还原、离子反应、沉淀溶解平衡，学生将零散的知识内化、整合、迁移应用。学生学到了实验设计和方案评价。
 (四)测定重金属是否超标

图11 到青岛科技大学学习原子吸收  测铜离子浓度

图12 到青岛水务集团学习分光光度  测重铬酸根浓度
【设计意图】使学生认识到，常量和微量的检测方法不同。现代技术能解决传统实验无法解决的问题。初步了解原子吸收光谱、分光光度法的原理。外出考察使我们意识到：传统实验和现代技术并不是排斥而是互补的关系。这个环节很重要的价值是学生的思维提升了一个层次。
昨天我们把教室当作世界，今天我们把世界当作教室。网络资源、社会资源是一个巨大的资源库，引领学生在更加广阔的空间学习化学。
(五)实验拓展
   实验中发生了许多意外，通过讨论、查资料、实验，我们完全或者部分解决了意外。
发现问题：文献认为六价铬的毒性大于三价铬，学生实验发现三价铬毒性更大。到底是实验错了还是文献错了？学生的质疑精神非常可贵。并用溶解氧传感器解决了实验设计不严谨的问题。

图13 加Na₂SO₃  自来水中的溶解氧下降
实验经验：学校手持技术溶解氧传感器测定溶解氧数据不稳定，同一传感器测定同一份水样数据也会不同。但可以测定相对值。外借美国哈希溶解氧传感器数据较为稳定。
【实验顿悟】我们体会到了化学教育家傅鹰提出的：提出一种机理解释一种现象是容易的，困难的是用实验证明这种机理是正确的，而且是唯一正确的。盘活校内手持技术，为学生发展服务，降低教育投资的沉没成本。
（六）汇报展示   汇报实验中的收获与感悟
（七）实验延伸
1.重金属对生物的影响：重金属使生物死亡只是一个表面现象，微观本质是什么？
会影响DNA吗？重金属对植物有什么影响？会通过食物链转移到人体中吗？
学生设计实验：花生放在一定浓度梯度的CuSO₄溶液，后期利用学校的电镜做实验。
学生思维发展：宏观到微观（分子水平）
2.能否用学校的显微镜观察重金属对草履虫运动、分裂有什么影响？
3.实验室还有其他有毒废弃物吗？如何处理？
 
图14 Cu²⁺对发芽花生生长的影响
八、实验效果评价
1.学习方式：采用“项目学习”的方式，用一个实际问题的解决，串起一系列的化学知识。应用了氧化还原、沉淀溶解平衡、配溶液、滴定等高中重要的基础知识与技能，是化学知识和实验能力的综合锤炼。
2．实验方式：传统的实验不能抛弃，也要勇于尝试新技术，但技术的使用是在必要的时候。课外探究向校外拓展，在更广阔的空间学化学。充分挖掘网络资源、学校现有资源和社会资源。
3.实验价值: 用鱼和花生为载体证明重金属的毒性，体现了学科融合，能帮助学生构建立体的知识体系。实验中，不仅学生，老师也被学生逼着知识、能力、价值观获得综合提升。研究出的重金属处理方法可以用于实验室降低重金属污染。
4.实验伦理：老师和同学都对用鱼做实验提出质疑。小型模拟实验引起警示，减少无意识或只追求经济利益造成的生物死亡。少数小鱼的死亡是为了赢得更多小鱼的存活。
5.实验问题：本主题涉及到十几个实验，实验周期长，内容多。我们将实验任务分配给不同的学生，降低实验难度，让更多学生获得在实验中成长的机会。
6.互连网+ ：寻求信息技术和化学学习的深度融合，我们用手机、电脑、QQ、微信资源共享，我们在百度和知网挖掘到很多的化学信息，推动了实验研究。课堂中用iPAD拍摄实验，阅读研究报告，分享实验感悟。
7.核心素养：核心素养不能悬空，要有具体的落地的附着点——在实验、活动、对话中落实化学学科核心素养—实验探究、宏微结合、证据推理、科学态度、社会责任等。
 
山东省青岛第十七中学   刘娜    手机：15898878515  邮箱：841390490@qq.com

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