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《尿不湿及其活性成分》的探究教学设计

《尿不湿及其活性成分》的探究教学设计

修水一中付小勤

1、设计思想

绿色高吸水树脂是人教版新教材《选修5(有机化学基础)》最后一节“功能高分子材料”的重要内容,由于本章教材的内容特点,前两节的教学结合化学史的科普特色较浓,本节内容再沿用此思路,课堂容易因单调而空洞,另一方面,作为绿色高吸水树脂的代表物——尿不湿,学生既熟悉又陌生,熟悉之处无需多言,陌生之处在于目前在校的学生小时候大多没用过尿不湿,现在虽然都知道,但对尿不湿的组成结构并不了解,一般都只知其基本功能,很少有学生关注过尿不湿中的高吸水材料,因而在一定情境下,学生对探究日常生活用品尿不湿及其活性成分很容易产生认知兴趣,而且,经过了较为完整的有机化学基础学习之后,学生已经具备了探究尿不湿中的活性成分的知识基础和能力基础,因而本节课宜定位为以学生实验为基础的探究教学:通过高吸水材料尿不湿的填充物与传统吸水材料棉花的外观和吸水能力的比较,产生对尿不湿活性成分中亲水基的探究热情;通过对尿不湿中亲水基探究的过程,体会已有知识对进一步探究学习的重要性;通过对尿不湿填充物和聚丙烯酸钠酸碱性的比较,体会产品设计时安全的重要性和产品设计者对婴儿的关爱之情;通过对尿不湿具有高吸水性的原理介绍,创设学生提出进一步提出探究问题的情境,在讨论解决尿不湿活性成分吸水机理问题的基础上,进一步提出设计实验进行证明并立即实践。这样,通过一个又一个问题的探究,层层递进,学生探究的热情和层次不断在提升,思维能力和实验能力得到了有效的培养。而对尿不湿产品结构和功能的分析,又再一次将探究的问题回归到生活实际,激发了课后继续探究的学习动机,成功的将学习从课堂引入到课外生活。

2、教学过程

[回顾与思考] 上节课我们学习了合成纤维的“六大纶”,其中有一种因具有较好的吸水性,被称为“人造棉花”,它是什么物质?

[学生] 维纶,聚乙烯醇。

[教师] 维纶具有吸水性的原因是什么?

[学生] 高分子中含有大量的亲水基团——羟基。

[设置问题情境] 聚乙烯醇因具有较好的吸水性,曾被用来制造“尿不湿”,那么现在婴儿广为使用的尿不湿的吸水材料还是不是聚乙烯醇呢?

(设计意图:从学生的已有知识引入,贴近学生的最近发展区,容易产生认知共鸣,进而创设问题情境,一气呵成。)

[实验探究] 尿不湿填充物和棉花的鉴别和吸水能力的比较

[分组实验1] 仔细观察分别盛有0.5克棉花、尿不湿填充物的烧杯,初步鉴别。

[观察交流] 外观相似,但体积相差甚远,仔细观察,体积小的其中有小颗粒,估计为尿不湿填充物。

[分组实验2] 在烧杯中分别加入25mL的水,用玻璃棒充分搅拌后静置,观察现象。

[观察交流] 棉花中明显看见水,尿不湿填充物“棉花”状逐渐消失,体系呈凝胶状。

[教师演示] 迅速将课前准备的盛有尿不湿填充物的加水烧杯倒置,无水流出。

[实验结论] 尿不湿填充物的吸水性比传统吸水剂棉花要强得多。

(设计意图:分组实验1,对比观察实验,相似性为后续小组讨论创设情境,细微差异性的发现,培养了学生细致观察的能力;分组实验2和演示实验,淋漓尽致地展现尿不湿填充物的高吸水性,尤其是教师演示实验现象的出乎意料,给同学留下了深刻的印象) (教学反思:上述教师演示实验的成功效果,需要在尿不湿填充物中加水几分钟之后进行,教师课前准备好,课堂演示,节省了教学时间。由于等一会儿自己也能做,因此学生对教师演示的实验结果,异常惊奇又深信不疑,这样的精心设计对其它的慢速实验具有借鉴性。)

[问题讨论] 尿不湿中的填充物是“人造棉花”吗?

[学生] 应该不是,“人造棉花”和棉花的吸水性应该较接近。

[教师] 为什么?

[学生] 因为聚乙烯醇和纤维素分子中都是平均每两个碳原子拥有一个羟基。

[投影] 棉花与“人造棉花”的吸水性分析

《尿不湿及其活性成分》的探究教学设计

[思考与交流] 是什么样的强亲水基团使得尿不湿填充物具有高吸水性?

[分解思考1] 常见亲水性基团有哪些? [学生] -OH 、-COOH 等

[分解思考2] 如何增加它们的亲水性? [学生] 将其变成钠盐。

[分解思考3] 有证据表明改良后的基团亲水性增加了吗? [学生] 苯酚钠、苯甲酸钠在水中的溶解度比苯酚、苯甲酸大。 [实验探究] 聚丙烯酸钠吸水性的研究

在盛有0.5克聚丙烯酸钠的烧杯中加入25mL 的水,用玻璃棒充分搅拌后静置,观察现象。

[实验现象] 静置后呈凝胶状,倒置后无液体流出。 [思考与交流] 如何理解聚丙烯酸钠的高吸水性?

[学生] 离子与水分子之间的静电作用比羧基与水分子之间的氢键要强得多。

O O H

H

HO

H H

OH

H

CH 2OH

O

O

H

H

HO

H H

OH

H

CH 2OH

O O H

H HO H H

OH

H

CH 2OH

O

H

H

HO CH 2OH

CH CH 2CH CH 2

CH OH

OH

OH

[投影] 带有正电荷的钠离子和带有负电荷的羧酸根离子的亲水性比氢键要强得多。

[实验探究] 尿不湿中的填充物是聚丙烯酸钠吗?

在两支试管中分别放入少量的聚丙烯酸钠和尿不湿填充物,加入5mL 蒸馏水,分别滴加酚酞试液,观察现象。

[实验现象] 聚丙烯酸钠溶液中加酚酞显红色,尿不湿填充物溶液中滴加酚酞不显色。

[实验结论] 尿不湿中的填充物不是聚丙烯酸钠。

[资料在线] 尿不湿填充物聚丙烯钠中通过保留一些羧基而使其接近中性。

[思考] 尿不湿填充物中为何要保留部分羧基,使其接近中性?

[学生] 接近中性刺激性小、安全、舒适,适于婴儿娇嫩皮肤。 (设计意图:本实验就教材提出的尿不湿填充物的活性成分——聚丙烯酸钠,展开探究,体现了用教材教的思想,探究的结论令同学和听课教师感到意外,但仔细想来,更加感激产品设计师对婴儿的一片关爱之情。)

[观察与思考] 用玻璃棒挤压棉花、聚丙烯酸钠和尿不湿填充物,观察比较它们的保水性。

[实验结论] 保水性:尿不湿填充物 > 聚丙烯酸钠 > 棉花 [分组讨论] 人们想了怎样的办法来增强高吸水材料的保水性的呢?

[小组交流] (1) 亲水基团含量越多、亲水性越强,保水性越好。 (2) 适度交联,形成网状结构。

[思考与交流] 1、下列绿色高吸水树脂的交联剂是什么?交联的原理是什么?

CH 2

CH

CH 2

COONa CH

CH 2

CH COONa

COOH

聚丙烯酸及其盐交联后的产物结构示意图

[学生] 丙三醇,CH 2

CH

CH 2OH

OH OH

,通过酯化反应进行交联。

[教师] 除了丙三醇通过酯化反应进行交联外,还有其它的交联原理,请看思考2。

[思考与交流] 2、下列绿色高吸水树脂的交联剂是什么?交联的原理又是什么?

聚丙烯酸及其盐交联后的产物结构示意图

[学生]CH 2

CH C

O

NH

CH 2

NH

C

O

CH

CH 2,通过加聚反

应进行交联。

(教学反思:交联剂的寻找是教学难点,教师要充分了解学生的

CH 2

CH CH 2CH

CH 2

CH CH 2

CH CH 2CH C NH CH 2NH C CH

C NH CH 2NH C CH

CH 2

CH 2

CH

CH 2

CH

CH 2

CH 2

CH COONa

COOH

COOH COONa COONa

COOH O O

O

O CH 2

CH CH 2CH

CH 2

CH CH 2

CH CH 2CH C O CH 2CHOH CH 2O C

CH

C O CH 2CHOH CH 2O

C CH

CH 2

CH 2

CH

CH 2

CH

CH 2

CH 2

CH

COONa

COOH

COOH COONa COONa

COOH O O

O

O

已有知识,实际教学中思考题的顺序与本设计相反,结果表明学生对酯化反应进行交联很容易解答,而通过加聚反应进行交联,只有极个别学生有思路,因而本设计将其对调。)

[思考与交流] 上述交联剂为何不用更简单的交联剂如:乙二醇、1,3-丁二烯?

[学生] 上述交联剂中还含有亲水性的基团如:-NH-、-OH。

[思考与交流] 请解释高吸水树脂的吸水机理。

[分解讨论1] 吸水前,高吸水树脂呈什么状态?

[学生] 高分子网络是固态网束,未电离

[分解讨论2] 吸水中,高吸水树脂有何变化?

[学生] 首先水分子通过氢键与树脂分子链上的大量亲水基团发生水合作用,亲水基团离解。

[分解讨论3] 电离产生的阳离子和阴离子都能自由移动吗?

[学生] 阳离子钠离子能自由移动,阴离子羧酸根离子固定在高分子链上不能自由移动。

[投影、讲解] 电离产生的阴离子固定在高分子链上,阴离子之间的排斥作用使高分子网束张展,形成孔穴。

《尿不湿及其活性成分》的探究教学设计

《尿不湿及其活性成分》的探究教学设计

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[分解讨论4] 阳离子能在整个体系中自由运动吗?

[学生] 应该不会,因为阴离子不能自由移动,如果阳离子在整个体系中自由运动,从烧杯中取一些溶液出来,溶液中将只有钠离子,这样就带电了。

[讲解] 为了维持电中性,阳离子并不能向外部溶剂扩散,导致可移动阳离子在树脂网络内的浓度增大,从而造成网络结构内外产生渗透压。水分子通过渗透压作用不断向网内渗透,随着水的渗透,网

内离子浓度逐渐减小,渗透压逐渐减小。同时三维交联结构扩张也产生相应的弹性收缩力,逐渐抵消阴离子的静电斥力,最终达到吸水平衡。

(设计思想:将高吸水树脂的较复杂的吸水机理按吸水过程分解成几个相对简单的问题,结合学生讨论和教师讲解共同完成,是对传统讲授式教学的一种改进。)

(教学反思:高吸水树脂的吸水机理,教材不作要求,但能预见教学时学生很可能提出这样的问题,实际教学时学生也确实提出了高吸水树脂是如何吸水、保水的问题,因而花些时间深入浅出的作些讨论是值得的。)

[实验探究] 请设计一个简单实验说明高吸水树脂的吸水主要原因之一是聚电解质的离子渗透压。

[设计方案1] 通过对比实验比较高吸水树脂分别在蒸馏水中、生理盐水中的吸水能力。

[设计方案2] 在已吸水的高吸水树脂中加入少量食盐固体,观察该树脂是否失水。

[分组实验] 请按小组讨论的实验方案进行实验探究。

[方案1现象] 高吸水树脂分别在蒸馏水中的吸水能力显著大于生理盐水中的吸水能力。

[方案2现象] 树脂明显失水,烧杯中出现大量的盐水。

[过渡设置情境] 除了具有高吸水性、安全、舒适的尿不湿填充物之外,尿不湿产品还有哪些辅助材料,它们又应具有怎样的功能?

[小组讨论] 至少还应有内外两层,相当于构成一个容器,内层紧靠婴儿皮肤应当很舒适,最好具有单向透水性,外层要求相对较低,但也应舒适、不透水。

[学生演示] 打开一个尿不湿,同学仔细观察尿不湿的结构。并就尿不湿的内层和外层进行相关简单验证实验。

[教师] 绿色高吸水树脂作为一种新型功能高分子材料因其高吸水能力、高保水能力、重复吸水能力以及高度的安全无毒性,近年来在国民经济及人们生活中发挥了越来越重要的作用,尿不湿只是一个典型的实例,请同学们课后通过相互讨论、网络搜索等方法进一步了解它的应用。