從定量角度促進(jìn)學(xué)生對(duì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的理解

王新文

摘要：“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科內(nèi)涵已被必修教學(xué)嚴(yán)重弱化，“化學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的學(xué)科內(nèi)涵已被必修教學(xué)膚淺化。在必修教學(xué)中能否將其有效整合，實(shí)踐表明“在實(shí)驗(yàn)題材背景下計(jì)算→實(shí)驗(yàn)→結(jié)構(gòu)”的教學(xué)既有利于學(xué)生將“微粒觀、變化觀和實(shí)驗(yàn)觀”相融合，也能促進(jìn)學(xué)生在學(xué)科視域內(nèi)全面而深刻地理解必修教材中化學(xué)計(jì)算的意義。

關(guān)鍵詞：必修教材定量計(jì)算；碳酸鹽化學(xué)性質(zhì)；實(shí)驗(yàn)；結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)：1005–6629（2013）9–0030–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在必修教材元素化合物性質(zhì)教學(xué)中，往往重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)的詮釋或驗(yàn)證作用，卻忽視了實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)間數(shù)量關(guān)系之于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的意義，能否選取重要教學(xué)主題從定量角度幫助學(xué)生建立“性質(zhì)-結(jié)構(gòu)”對(duì)應(yīng)關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生感悟這種“見著知微”的物質(zhì)研究方法呢？本文通過“碳酸鈉、碳酸氫鈉與稀鹽酸的實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行說明。

1 教學(xué)意圖

“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)”是人教版《化學(xué)1》第56頁[1]“科學(xué)探究”的內(nèi)容。教材重點(diǎn)就二者外觀、溶于水的熱量變化、熱穩(wěn)定性及溶液堿性進(jìn)行了探究，對(duì)于二者和稀鹽酸的反應(yīng)僅要求寫出它們反應(yīng)的離子方程式。

配套教師用書鼓勵(lì)教師“積極開展科學(xué)探究活動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程”，還指出“除作為科學(xué)探究的Na2CO3和NaHCO3分別溶于水和與酸的反應(yīng)外，這些實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性的……[2]”。然而，對(duì)于如何組織“二者與稀鹽酸的反應(yīng)探究”，并未提出任何建議或指導(dǎo)。

在教學(xué)過程中，一般采用教師演示的方式。將等質(zhì)量二者（約1 g）迅速加入等體積等濃度足量稀鹽酸（2.0 mol/L）中，對(duì)比二者和稀鹽酸反應(yīng)的快慢，然后從微觀角度大致解釋其本質(zhì)原因。學(xué)生基本上無法理解這種微觀解釋，僅能識(shí)記其現(xiàn)象差別。

∴ 碳酸鈉過量，故，V（CO2 ）=0.112 L。

[師]若按此計(jì)算，概括隨HCl用量的增加依次出現(xiàn)的現(xiàn)象。

[生] 00.01 mol，HCl和Na2CO3反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡。

[師]“量的節(jié)點(diǎn)揭示著質(zhì)的變化”，那么“質(zhì)變”確如我們的預(yù)設(shè)嗎？比如，“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應(yīng)順序”是我們?cè)O(shè)定的那樣嗎？有辦法考量嗎？

[生]向其混合溶液中滴加稀鹽酸，只要一開始無氣泡，就表明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)了。

[師]請(qǐng)各組實(shí)驗(yàn)后匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果及分析。

[生]取3 mL混合溶液于15×150潔凈試管中，用滴管逐滴滴加了5滴稀鹽酸，幾乎未看到氣泡，說明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)了；有小組反映滴加時(shí)看到了有少量氣泡。

[師]兩位學(xué)生登臺(tái)演示操作（對(duì)比“逐滴加入”的操作要領(lǐng)：要慢且邊加邊振蕩）。

[點(diǎn)撥]這個(gè)方案有沒有不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?，?qǐng)大家思考。

[生]唯一要驗(yàn)證的是“碳酸鈉是不是一遇到稀鹽酸就會(huì)生成氣體”。

[生]（提示：加液時(shí)，滴管舉高些）驚呼奇怪：“在3 mL碳酸鈉溶液中，用滴管逐滴滴加了3滴稀鹽酸，很少看到氣泡”，“難道Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+ H2O是錯(cuò)的”。

[師]看來又有新發(fā)現(xiàn)。有同學(xué)說看到了少量的氣泡，那么生成CO2是不是該過程的主要反應(yīng)呢，如何考量呢？

[點(diǎn)撥]能否用對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究呢，想一想，試一試，然后交流過程、結(jié)果及分析。

[生]（展臺(tái)投影）我們分別取了3 mL NaHCO3溶液和Na2CO3溶液于兩支15×150潔凈試管中，然后先分別向其中逐滴滴加0.1 mol/L稀鹽酸5滴，之后又向碳酸鈉中繼續(xù)滴加了稀鹽酸。

我們的分析是：如果生成CO2是主要反應(yīng)的話，那開始加（?。}酸也應(yīng)該和碳酸氫鈉的反應(yīng)類似，說明一加入稀鹽酸時(shí)生成CO2不是主要反應(yīng)。

[師]你為什么要向碳酸鈉溶液中繼續(xù)滴加稀鹽酸呢？

[生]我們組有同學(xué)認(rèn)為，碳酸鈉和稀鹽酸應(yīng)該是生成了碳酸氫鈉，就想試試。

[師]你的意思是：如果猜測(cè)正確，那么后來的現(xiàn)象應(yīng)該和碳酸氫鈉開始的現(xiàn)象相似，對(duì)嗎？你認(rèn)為現(xiàn)象相似嗎？

[師]（針對(duì)為什么不相似）隨溶液體積增大，過程中溶質(zhì)的濃度是減小的，還有，難以確定碳酸鈉何時(shí)恰好變成了碳酸氫鈉呀。所以，現(xiàn)象很難達(dá)到預(yù)期。（實(shí)驗(yàn)過程方程式書寫略）

[師]你能解釋一下，為什么會(huì)有氣泡嗎（學(xué)生基礎(chǔ)較好，故進(jìn)行追問）？

[生]我認(rèn)為是鹽酸一下子電離出了較多氫離子，把碳酸根生成的碳酸氫根一下子又轉(zhuǎn)變成了二氧化碳所致。

[師]很好。如果換個(gè)順序，把碳酸鈉溶液滴加到稀鹽酸中，則碳酸根會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。實(shí)驗(yàn)中把滴管舉高些就是想阻止氫離子局部過多，當(dāng)然用管口較細(xì)的滴管（查看實(shí)驗(yàn)臺(tái)）滴加，還可以將稀鹽酸的濃度再配制小一些等，都是控制滴加量的常用手段?？梢?，碳酸鈉溶液和稀鹽酸的反應(yīng)現(xiàn)象是有條件的。

2.3 探究氫氧化鈉和碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)的先后

[師]下面我們繼續(xù)設(shè)法考量“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應(yīng)順序”。大家為什么認(rèn)定氫氧化鈉會(huì)和稀鹽酸先反應(yīng)呢？

[生]因?yàn)闅溲趸c是強(qiáng)堿，而碳酸鈉是鹽，自然稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)。

[師]大家的意思是，碳酸鈉溶液是中性的嘍，是這樣嗎？能驗(yàn)證自己的猜想嗎？

[生] ……（實(shí)驗(yàn)），發(fā)現(xiàn)碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液均呈堿性，且前者堿性較強(qiáng)。

[師]為什么它們會(huì)呈堿性？課本第57頁告訴大家，“它們呈堿性的原因需要到選修模塊找答案，實(shí)際生活中還常用碳酸鈉的堿性去油污”，這些今天暫不討論。

[生]我們小組有個(gè)考量方案，在3 mL混合溶液中逐滴滴加等體積的稀鹽酸，然后再加入氯化鈣溶液，如果出現(xiàn)白色沉淀，就說明稀鹽酸先和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。

[師]能說說原理嗎？

3 教學(xué)反思

物質(zhì)在變化中呈現(xiàn)出的現(xiàn)象，既是其結(jié)構(gòu)的顯性表達(dá)，又是對(duì)其性質(zhì)的解釋。如果說，現(xiàn)象是對(duì)微粒存在或變化的揭示，數(shù)量則隱含著對(duì)微粒存在及數(shù)量的確認(rèn)，體現(xiàn)了自然科學(xué)對(duì)量變與質(zhì)變關(guān)系的解讀。本教學(xué)有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)間的依存關(guān)系的理解，如氫氧化鈉和碳酸鈉混合溶液中滴加稀鹽酸反應(yīng)順序的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，充分反映出學(xué)生真切地感受到了“微觀粒子”的性質(zhì)，從實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了其理性的思維。這為選修4將探究視角轉(zhuǎn)向溶液pH打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，“一次性加入、逐滴滴加”，“細(xì)滴管”、“正滴、反滴”等實(shí)驗(yàn)手段（隱含）體現(xiàn)了對(duì)控制實(shí)驗(yàn)變量的操作意義。

宋心琦先生在“化學(xué)學(xué)科的現(xiàn)狀及基礎(chǔ)化學(xué)教育改革問題”[3]一文中明確提出：“要警惕化學(xué)教學(xué)和化學(xué)教材中的‘?dāng)?shù)學(xué)化傾向”，主張“結(jié)合化學(xué)運(yùn)動(dòng)自身的更為基本的規(guī)律進(jìn)行研究”，反對(duì)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)只停留在對(duì)表面現(xiàn)象做一般性的觀察”。上述實(shí)踐就是在演示實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上（凸顯學(xué)科特色），通過計(jì)算的工具理性聚焦物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（學(xué)科研究領(lǐng)域），讓計(jì)算過程融入了化學(xué)的學(xué)科意義，則有效回避了“泛數(shù)學(xué)化”現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)學(xué)生“微粒觀、變化觀和實(shí)驗(yàn)觀”等基本化學(xué)觀念的融合起到積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）（第 3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56，57.

[2][3]化學(xué)課程教材研究中心編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）教師用書（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：39，44，120～128.