给泡沫灭火器加注几则教学参考

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文章编号:1005-6629(2010)09-0074-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

泡沫灭火器是高中化学中常用来说明盐类水解知识与生活生产实际紧密相连的一段很重要的教学内容。为便于行文,将苏教版《化学反应原理(选修)》教材[1]第84―85页“拓展视野”栏目中对其原理与构造的介绍摘抄如下:

泡沫灭火器是常用的灭火器,其结构如图1所示。内桶为塑料桶,内盛硫酸铝溶液,外桶和内桶之间装有碳酸氢钠溶液。使用时将灭火器倒置,此时,硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液混合,两者发生剧烈的反应: Al3++3HCO3-Al(OH)3+3CO2 产生的大量二氧化碳和氢氧化铝等并以泡沫的形式喷出,覆盖在燃烧物表面,从而达到灭火的效果。

硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液的反应可理解为:

由于Al3+与HCO3-能分别与水电离产生的OH-和H+反应,导致溶液中H+和OH-浓度均大量减小,促使水解反应正向进行,直至水解完全。

在与同行讨论时,我们认为这段资料存在疑义。现以此为始选取其中几个问题进行探讨,希望对大家有一定的补益。

1教学探讨

1.1从灭火器的种类说起

灭火器是一种可由人力移动的轻便灭火器具。灭火器的种类繁多[2],按其移动方式可分为手提式灭火器和车推式灭火器;按驱动灭火剂的动力来源可分为储气瓶式、储压式、化学反应式三种;按充装的灭火剂也可分为干粉类灭火器(灭火剂主要有碳酸氢钠和磷酸铵盐两种)、 二氧化碳灭火器、泡沫型灭火器、水型灭火器和卤代烷型灭火器(我国主要是“1211”灭火器和“1301”灭火器)。

泡沫灭火器[3]有三种常见的分类方法:根据充入灭火剂的不同可划分为化学泡沫灭火器和空气泡沫灭火器;根据加压方式可划分为化学反应式泡沫灭火器、贮压式空气泡沫灭火器和贮气瓶式空气泡沫灭火器;根据移动的方式可划分为手提式和车推式泡沫灭火器。

可见,苏教版教材中以硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液作反应物的泡沫灭火器更准确地应称之为化学泡沫灭火器,所配插图展示的则仅仅是手提式化学泡沫灭火器。教材对于该拓展视野内容的处理在措辞与配图方面容易导致学生以偏概全产生认识上的偏差,我们教师在日常教学时可适当明确化!

1.2硫酸铝和碳酸氢钠反应的“驱动力”是什么?

硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液是如何迅速反应,产生大量二氧化碳气体的呢?鲁科版教材[4]处理该内容时认为,硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液中分别存在水解平衡Al3++3H2O Al(OH)3+3H+和HCO3-+ H2O

H2CO3+OH-,由于两者混合后水解生成的H+和OH-结合生成水促使两个水解平衡都右移动,导致水解反应进行彻底――按此说法凡弱酸弱碱盐都应该彻底水解,但例外者如(NH4)2CO3等甚多,并且该解释忽略了溶液中其他阴阳离子的影响[5]。苏教版教材[1]的解释是因为“Al3+与HCO3- 分别与水电离产生的OH-和H+反应”导致其浓度大量减小进而促进了水解反应正向进行直至水解完全;这种说法看似合理且简单明了,但是否正确呢?我们可通过一定的分析计算加以说明。

选用硫酸铝溶液我们曾做过这样的实验:直接观察硫酸铝溶液无浑浊现象,加热至沸腾仍不产生白色沉淀,冷却后在暗室中也无丁达尔现象。可见,单纯的Al3+并不能生成氢氧化铝胶体。文献[6]表明Al3+的水解包括三步:Al3++H2O Al(OH)2++H+、Al(OH)2++H2OAl(OH)2++H+、 Al(OH)2++H2OAl(OH)3+H+,并主要以第一步为主。同理依上计算,可得出 0.5 mol・L-1硫酸铝溶液中:c(Al3+) = 0.975 mol・L-1, c(H+)=2.47×10-4 mol・L-1。

当硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液混合后即可产生大量CO2,说明式1进行十分完全。而HCO3-遇Al3+彻底水解的决定性因素为溶液中c(OH-)迅速减小。 通过对上述1 mol・L-1碳酸氢钠溶液和0.5 mol・L-1硫酸铝溶液中离子浓度的计算分析,我们可知两者混合时:①c(OH-)・c(H+)=2.1×10-9≥Kw (很容易发生); ②c(Al3+)・c(OH-)3=5.8×10-16≥Ksp[Al(OH)3]=1.33×10-33(很容易发生)。

基于上面的计算分析,可以看出碳酸氢钠溶液和硫酸铝溶液能彻底反应的“动力”来源应当是H+与Al3+两方面共同大量消耗OH-致使溶液中c(OH-)迅速减小的必然结果,因此,教材中的归因无疑是值得我们商榷的。

3图示泡沫灭火器已淘汰

只要提到灭火器,相信执教中学化学的教师以及学习化学的学生肯定第一反应就是联想到手提式化学泡沫灭火器,因为大家都认为这是我们日常生活中常用的灭火器,且不同版本的中学化学教材在该问题立场上也是众口一词。

事实上,由于在结构和机理等方面的局限,手提式化学泡沫灭火器存在着诸多缺陷,如:必须倒置使用、瞬间受压危险性大、不能间歇喷射、灭火效率低、维修周期短、管理不方便等等。我国的消防科研、检测部门的权威人士指出上述缺陷难以改进也无法克服,在科学技术发达的今天, 已能制造更先进实用、性能更可靠的灭火器。为此,我们没有理由, 更没有必要,再抱着这些老产品不放。

2002年6月2日,国家经贸委在的第32号令中正式将手提式化学泡沫灭火器列入《淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录(第三批)》,规定限期于2002年7月1日前将其坚决淘汰并一律不得再进口、转移、生产、销售和使用[3]。

可见,普遍使用手提式化学泡沫灭火器的时代已经成为历史。尽管这(曾经)是盐类水解知识应用中一个极好的素材,但若缺乏了当今生活应用背景再经典的东西也会丧失生命力。在这化学知识相关产品开发与日新、日日新、又日新的今天,我们也没有必要死拽着它不放。建议教材的编写者选用其他更具时代气息的应用背景替换,或选以“化学史话”知识的呈现方式来处理。

2教学感想

①新课程背景下要求广大化学教师要积极培养学生的问题意识。要让学生具备问题意识,首先要求我们教师要能提得出问题。我们认为,教师教学中的问题意识是至关重要的,是革故鼎新的前提。疑问是思维的起点、进步的源泉,日常教学中问题只怕无,不怕有;只怕少,不怕多。

②如果承认上面指出的确实为教材之不足,那唯大纲、唯教材,视教材为金科玉律的教育思想就一定要不得。对此,我们更应以质疑的眼光审视教材,以探讨的姿态用好教材,以创新的方式发展教材。

③教科书是一种极其特殊的读物,具有不同于一般读物的教育性和科学性。教材中再经典的东西也需要与时俱进,不断汲取生活土壤中的营养加以补充更新才能保持持久旺盛的生命力。我们在编教材、用教材时,不但要学会继承,更应该懂得发展。在大纲、教材天天都酝酿着推陈出新的时代,需要教材编著者们和广大教师不断继承、创新与发展,为日臻完美的化学教科书作出努力。

参考文献:

[1]王祖浩.普通高中化学课程标准实验教科书.化学反应原理[M].南京:江苏教育出版社.2009.

[2]张世宏.灭火器的合理配置与维修报废[J].中国消防.2004(4):29～30.

[3]尤其.泡沫灭火器的分类及使用[J].安徽消防.1994(4):7.

[4]王磊.普通高中化学课程标准实验教科书. 化学反应原理[M].济南:山东科学技术出版社.2005.

[5]张德山,蒋盛邦.对碳酸钠和氯化铝在溶液中反应是“双水解”的商榷[J].化学教育.1989(2):46～60.

[6]严平,熊贺庭.对常用灭火器中CO2产生原因的分析[J].九江师专学报.2003(6):59～60.

[7]刘建明,刘晓新.上海淘汰化学泡沫和酸碱灭火器[J].消防技术与产品信息.1995(7):26～27.

[8]国家经贸委.淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录(第三批)[J].有色设备.2003(1):42～43.

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