基于“物質(zhì)微粒觀”的氣體實(shí)驗(yàn)室制法教學(xué)

【摘要】以氯化氫的實(shí)驗(yàn)室制法為例，在物質(zhì)微粒觀的基礎(chǔ)上緊緊圍繞氣體實(shí)驗(yàn)室制法這一任務(wù)設(shè)計(jì)教學(xué)，有利于學(xué)生掌握原理及各裝置之間的聯(lián)系，以達(dá)到構(gòu)建完整知識(shí)體系、提升思維力、逐步形成基本化學(xué)觀。

【關(guān)鍵詞】物質(zhì)微粒觀 ?氯化氫 ?氣體實(shí)驗(yàn)室制法

【中圖分類號(hào)】G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）16-0160-02

如何培養(yǎng)學(xué)生的“物質(zhì)微粒觀”？教師應(yīng)該多從學(xué)生的視角出發(fā)，借助實(shí)驗(yàn)來(lái)體會(huì)微粒觀實(shí)質(zhì)是建立一種宏觀與微觀的聯(lián)系，通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈進(jìn)行師生和生生互動(dòng)來(lái)加深這種認(rèn)識(shí)，在討論過(guò)程中恰當(dāng)利用圖片、模型、動(dòng)畫(huà)模擬等多種資源，使微觀變化形象化幫助學(xué)生形成正確的微粒觀。筆者以上科版的高一第一學(xué)期化學(xué)教材“氯化氫的實(shí)驗(yàn)室制法”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，呈現(xiàn)這方面的一些做法。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

“以食鹽為原料的化工產(chǎn)品”是上科版高一化學(xué)“開(kāi)發(fā)海水中的鹵素資源”中的一節(jié)，其中“氯化氫的制取”這一教學(xué)內(nèi)容一直是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)該內(nèi)容的教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)理解氯化氫的微粒性和特性。氯化氫的實(shí)驗(yàn)室制法是高中氣體制備的重要組成部分，是高一學(xué)生接觸的第一種新氣體，該制取方法有別于氧氣、氫氣、二氧化碳?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)室制法，是對(duì)常見(jiàn)氣體制備方法的一個(gè)提升，有助于在探究過(guò)程中螺旋式提升和完善學(xué)生氣體制備的知識(shí)體系。

本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生掌握氯化氫制備的原理和方法，裝置的設(shè)計(jì)中發(fā)生裝置和尾氣吸收裝置的設(shè)計(jì)都是教學(xué)的重點(diǎn)也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。按照以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，往往是采用先分析閱讀教材獲得反應(yīng)方程式，比較實(shí)驗(yàn)室制取氧氣和二氧化碳的方法設(shè)計(jì)裝置圖，最后考慮環(huán)保所以進(jìn)行尾氣吸收。由于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程從宏觀上泛泛而談，主要采用接受式學(xué)習(xí)，最后的結(jié)果是學(xué)生對(duì)于氯化氫實(shí)驗(yàn)室制法的一般思路容易遺忘，造成知識(shí)掌握不扎實(shí)。

由微觀粒子的特征推出氯化氫的收集方法，從氯化氫的微觀組成入手分析選擇合成氯化氫氣體的原理，由原理設(shè)計(jì)制取氯化氫氣體的裝置，借助氯化氫的結(jié)構(gòu)性質(zhì)優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生真正掌握氣體實(shí)驗(yàn)室制法的一般思路，為以后氣體實(shí)驗(yàn)室制法的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.學(xué)生實(shí)際情況分析

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室氣體制備的認(rèn)識(shí)來(lái)源于九年級(jí)氧氣和二氧化碳的制備，彼時(shí)面向的學(xué)生群體是義務(wù)教育的最后階段，其課標(biāo)的要求是制取和收集氣體，了解科學(xué)探究的一般過(guò)程，學(xué)生僅靠死記完全可以達(dá)到課標(biāo)要求，并未建立起物質(zhì)微粒觀的概念?，F(xiàn)在的學(xué)生群體是經(jīng)歷了中考篩選的高一學(xué)生，其課標(biāo)要求是實(shí)驗(yàn)室制備氣體的一般方法，了解和體驗(yàn)科學(xué)研究的一般過(guò)程。其對(duì)學(xué)生的分析、綜合、歸納、應(yīng)用等科學(xué)思維方法的要求更高，只有建立微觀和宏觀之間的聯(lián)系，自覺(jué)從微觀角度思考宏觀現(xiàn)象，才能形成對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識(shí)，才能從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)物質(zhì)制備的一般過(guò)程。

3.基于微粒觀的氯化氫實(shí)驗(yàn)室制法的教學(xué)設(shè)計(jì)

從微觀角度分析合成氯化氫的原理和方法，依據(jù)原理選擇優(yōu)化裝置，有助于學(xué)生微粒觀的建構(gòu)。下圖為教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)圖：

3.1分析氯化氫的收集方法體會(huì)微粒觀

【引入】教師拿出一瓶碳酸鈉固體表示固體可以放在廣口瓶中帶著，又拿出一瓶鹽酸溶液說(shuō)明液體可以放在細(xì)口滴瓶中帶走，如何帶著一瓶氯化氫氣體呢？

生：用蓋著毛玻璃片的集氣瓶裝氯化氫氣體，防止氣體外溢。

師：氣體為什么會(huì)外溢呢？

生1：因?yàn)闅怏w會(huì)擴(kuò)散。

生2：因?yàn)槁然瘹錃怏w是由許許多多的氯化氫分子構(gòu)成的，分子會(huì)做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。

師：氯化氫分子之間間距比較大，而且在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有密閉容器的束縛，它就會(huì)淘氣的亂跑。那么有誰(shuí)能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏屛覀兛匆?jiàn)氯化氫氣體外溢了呢？

此時(shí)學(xué)生陷入沉思。教師向?qū)W生展示裝有氯化氫氣體的瓶子，讓學(xué)生觀察打開(kāi)橡皮塞之后的現(xiàn)象。

生：看到瓶口上方有白霧，聞到一股刺激性氣味。

師：聞到刺激性氣味是因?yàn)槁然瘹浞肿釉跓o(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中有部分進(jìn)入了我們的嗅覺(jué)器官。白霧是因?yàn)橥庖绲穆然瘹浞肿哟罅窟M(jìn)入空氣中的水分子，形成了許多小液滴，這些小液滴就是鹽酸。

【思考】氯化氫和鹽酸有無(wú)不同？其微觀視角存在什么差異？ 【結(jié)論】氯化氫和鹽酸的微觀比較

師：那我們應(yīng)該采用哪種方法收集氯化氫氣體呢？

生：不能用排水法，因?yàn)橛兴褪躯}酸了，只能用向上排空氣法，因?yàn)槁然瘹浔瓤諝庵亍?/p>

師：你們判斷氯化氫比空氣重的依據(jù)是什么？

學(xué)生再次陷入沉思。教師向?qū)W生展示兩瓶同樣容器（同質(zhì)量同體積）裝著的氯化氫氣體和空氣。你們能判斷它們的輕重嗎？

師：氯化氫分子雖然小但是它還是有質(zhì)量的，它的質(zhì)量是一個(gè)氫原子質(zhì)量和一個(gè)氯原子質(zhì)量的加和，但是太輕了，化學(xué)上一般用相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)表示，氯化氫的相對(duì)分子質(zhì)量約為36.5，空氣的相對(duì)分子質(zhì)量為29，所以氯化氫分子重。

師：由于溫度壓強(qiáng)一樣，同體積的容器中氯化氫分子的個(gè)數(shù)與空氣相近，所以氯化氫比空氣重。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)入高中，學(xué)生的邏輯思維能力日趨成熟，不再滿足于對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和變化現(xiàn)象作宏觀的感性的認(rèn)識(shí)，試圖深入物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、從微觀層面揭示物質(zhì)的性質(zhì)和變化的本質(zhì)與規(guī)律。由學(xué)生比較熟悉的氣體收集方法入手，從微觀本質(zhì)對(duì)其進(jìn)一步深化理解，在探究的過(guò)程中順其自然的引出氯化氫和鹽酸微觀差異比較，幫助學(xué)生體會(huì)物質(zhì)微粒觀，為下一階段制取氣體化學(xué)原理的分析選擇作鋪墊。

3.2由結(jié)構(gòu)分析氯化氫的制取運(yùn)用微粒觀

師：從氯化氫的結(jié)構(gòu)分析，哪些方法可以獲得氯化氫？

生生互動(dòng)：自然界中能直接提供氯化氫分子的物質(zhì)沒(méi)有。提供氫原子（離子）的物質(zhì)有：H2、H2SO4、HNO3等，提供氯原子（離子）的物質(zhì)有：Cl2、NaCl等?？赡馨l(fā)生反應(yīng)生成氯化氫的是： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 點(diǎn)燃

方案一：H2+Cl2→2HCl

方案二：H2SO4+2NaCl→Na2SO4+2HCl

方案三：HNO3+NaCl→NaNO3+HCl

師：選擇哪種方案來(lái)制備氯化氫？

生1：從氯化氫和鹽酸的微觀比較可以得出結(jié)論不能有水。硝酸中一定含有大量水，所以不能用硝酸。

生2：點(diǎn)燃法制得的氯化氫中肯定混有大量的氫氣和氯氣，三種氣體分子混合在一起都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下分離出比較純凈的氯化氫有困難。

師生互動(dòng)：方案二要使反應(yīng)能夠進(jìn)行就要保證氯化氫分子外逸，一是不能有水所以采用濃硫酸和固態(tài)氯化鈉，二是高溫有利于氣體外逸，可以采用加熱的方法。

出最適合實(shí)驗(yàn)室制取氯化氫氣體的反應(yīng)原理;在選擇化學(xué)原理的過(guò)程中感受反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的決定作用，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)反應(yīng)條件在化學(xué)反應(yīng)中的重要性，建立宏觀—微觀—符號(hào)互相聯(lián)系的思維方式，初步嘗試運(yùn)用微粒觀解決問(wèn)題。

3.3借助優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室制備裝置深化微粒觀

師：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室制備氯化氫氣體的裝置。

生1：用圓底燒瓶先混合氯化鈉固體和濃硫酸，再以酒精燈加熱。帶橡皮塞的導(dǎo)管導(dǎo)出氣體用向上排氣法收集氣體于集氣瓶中，用毛玻璃片蓋住瓶口。

生2：選擇裝置，搭建自制模型

[學(xué)生]發(fā)生裝置+收集裝置（圖1）

師：收集了一集氣瓶的氯化氫氣體，多余的氣體怎么辦？ 生3：多余的氯化氫氣體有刺激性氣味，氣體分子外逸會(huì)造成環(huán)境污染，所以再用容器收集起來(lái)。

生2：氯化氫分子非常喜歡水分子，空氣中的一點(diǎn)水蒸氣就可以讓它形成白霧（小液滴），如果多一點(diǎn)的水吸收，肯定可以使它都變成鹽酸。

[學(xué)生]發(fā)生裝置+收集裝置+尾氣吸收裝置（圖2）

師：教師把事先收集的一試管氯化氫氣體拔去橡膠塞倒扣在裝有大量水的燒杯中。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3。

觀察到液面上升，溶液進(jìn)入試管。導(dǎo)管的口徑比試管還要小，溶液肯定會(huì)進(jìn)入導(dǎo)管，甚至倒吸入集氣瓶中。學(xué)生都陷入了沉思。

師：能不能設(shè)計(jì)裝置不讓溶液倒吸入集氣瓶？

生4：在尾氣吸收裝置之前再加一個(gè)容器，如果倒吸就進(jìn)入增加的這個(gè)容器內(nèi)。

生5：也可以向上提玻璃導(dǎo)管，使之位于近液面處。

師：玻璃導(dǎo)管在液面之上，正下方的液面吸收氣體分子近飽和不能再吸收氣體分子，會(huì)擠壓氣體向外呈一個(gè)三角形，類似化學(xué)儀器——漏斗，玻璃導(dǎo)管下再接一個(gè)倒扣的漏斗。

[視頻]動(dòng)畫(huà)模擬該裝置的防倒吸現(xiàn)象。

[學(xué)生]發(fā)生裝置+收集裝置+尾氣吸收裝置（圖4）

學(xué)生都發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：帶毛玻璃片的集氣瓶不能接在裝置中，怎么辦？

生生互動(dòng)：為了保證氣密性，考慮集氣瓶和廣口瓶磨砂位置的不同，把收集裝置的集氣瓶改為帶雙玻璃導(dǎo)管的廣口瓶。

師：這一廣口瓶氣體都是氯化氫分子嗎？

生：可能還會(huì)有空氣中的氮?dú)夥肿?、氧氣分子等。可以取下廣口瓶右側(cè)的玻璃導(dǎo)管用濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙檢驗(yàn)。

生：可能會(huì)有水蒸氣。濃硫酸有干燥作用，收集之前可以不用干燥，收集之后尾氣吸收裝置之前可以再加一個(gè)雙孔塞的裝有濃硫酸的廣口瓶，防止水分子的進(jìn)入。

生：收集裝置之后直接加一個(gè)裝有堿石灰的干燥管或U型管，起吸收尾氣和干燥的作用。

【任務(wù)】根據(jù)不同的氣體的制備特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)過(guò)的氧氣、二氧化碳的制備實(shí)驗(yàn)，總結(jié)氣體制備的原理、裝置和除雜規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)上，緊緊圍繞氯化氫分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以問(wèn)題促思維，建立起微觀和宏觀之間的聯(lián)系，在微觀和宏觀之間不斷轉(zhuǎn)換，幫助學(xué)生自覺(jué)用微粒觀來(lái)解決宏觀問(wèn)題，建構(gòu)完整氣體實(shí)驗(yàn)室制法的思維腦圖。以問(wèn)題“能不能設(shè)計(jì)裝置不讓溶液倒吸入集氣瓶？”進(jìn)一步拓展思維，經(jīng)歷體驗(yàn)、獨(dú)立思考的過(guò)程，在形成實(shí)驗(yàn)室氣體制取的一般思考方式的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)科素養(yǎng)、提升了思維能力、實(shí)現(xiàn)了知識(shí)與學(xué)科教育價(jià)值的有效結(jié)合，同時(shí)體現(xiàn)了“綠色化學(xué)”的思想。

4.實(shí)踐與反思

物質(zhì)是由微粒按照一定方式構(gòu)成的，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)決定了物質(zhì)的制法、用途等。所以在化學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，建立物質(zhì)微粒觀是非常重要的。

本課時(shí)的教學(xué)時(shí)刻圍繞“如何獲得一試劑瓶的氯化氫氣體“這個(gè)任務(wù)展開(kāi)討論，從微觀視角分析氯化氫分子的收集，氯化氫分子的獲得，多余氯化氫分子的吸收，如何保證獲得氯化氫的純凈。在教學(xué)設(shè)計(jì)中引入自制教具，通過(guò)教具的搭建，形象展示了學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，減少了創(chuàng)新的神秘感，降低了創(chuàng)新在學(xué)生認(rèn)識(shí)中的高度，再次激發(fā)了其創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新教育。

通過(guò)該設(shè)計(jì)展示了化學(xué)的魅力在于把不可以反應(yīng)的物質(zhì)通過(guò)改變條件、狀態(tài)等變成可以反應(yīng)，展示了化學(xué)創(chuàng)造新物質(zhì)的正面形象。在方法探究中感受化學(xué)家合成新物質(zhì)的艱辛，培養(yǎng)勇于探索不畏艱辛鍥而不舍的精神。學(xué)生通過(guò)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，所形成的從化學(xué)獨(dú)特的視角認(rèn)識(shí)事物、解決問(wèn)題的思想、方法和觀點(diǎn)，即根植于學(xué)生頭腦中的基本化學(xué)觀念、科學(xué)世界觀。而這正是一代一代化學(xué)教師為之努力的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚子鵬.上海市高級(jí)中學(xué)課本化學(xué)高中一年級(jí)第一學(xué)期（試用本）.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013年5月第7次印刷：27-29

[2]王瑤.基于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)的課例研究——以“乙酸乙酯的制取”新授課為例[J].化學(xué)教學(xué)，2016（07）：35-38.

作者簡(jiǎn)介：

管國(guó)琴（1977-），女，大學(xué)本科，中學(xué)高級(jí)，研究方向：化學(xué)教學(xué)研究。