關(guān)于物質(zhì)的量的教學(xué)探究

吳 睿,趙佐平，夏冬輝，宋 娟，郝 亮，劉 洋，吳迎春，劉存芳

(陜西理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 陜西省催化基礎(chǔ)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001)

什么是化學(xué)，化學(xué)有什么樣的作用？化學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化以及變化規(guī)律的科學(xué)[1]。它對(duì)我們認(rèn)識(shí)和利用物質(zhì)具有重要的作用，世界是由物質(zhì)組成的，化學(xué)則是人類(lèi)用以認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界的主要方法和手段之一，它是一門(mén)歷史悠久而又富有活力的學(xué)科，它與人類(lèi)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的關(guān)系非常密切，它的成就是社會(huì)文明的重要標(biāo)志。從鉆木取火的原始社會(huì)，到使用各種人造物質(zhì)的現(xiàn)代社會(huì)，人類(lèi)都在享用化學(xué)成果。人類(lèi)的生活能夠不斷提高和改善，化學(xué)的貢獻(xiàn)在其中起了重要的作用。

對(duì)于高一化學(xué)的學(xué)習(xí)，難在什么地方？很多學(xué)生認(rèn)為化學(xué)這門(mén)學(xué)科太抽象了，太微觀了。不像物理，物理中的電、力、光、熱等這些物理量在日常生活中有的我們可以看到，或者可以比較容易地想象到。也就是說(shuō)對(duì)于這些物理概念所對(duì)應(yīng)的事物大部分是宏觀的，可以用肉眼觀察，而化學(xué)學(xué)科中，大部分概念屬于微觀的，不是那么容易觀察和想象。

1 物質(zhì)的量

1.1 物質(zhì)的量的概念

我們從初三開(kāi)始接觸化學(xué)，剛開(kāi)始，同學(xué)們看到老師做的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，比如，鎂在氧氣中燃燒，發(fā)出耀眼的閃光；鐵在氧氣中燃燒火星四射。大家產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心。但漸漸地，學(xué)的化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越多，而且并不是所有的化學(xué)反應(yīng)都有直觀現(xiàn)象，而且還要涉及到抽象的計(jì)算。所以，有的同學(xué)漸漸地覺(jué)得化學(xué)內(nèi)容太抽象了，太不容易捉摸了，從而漸漸失去了興趣。

經(jīng)過(guò)初三一年的化學(xué)學(xué)習(xí)，同學(xué)們進(jìn)入了高中。初中我們接觸到了一些宏觀物理量，如質(zhì)量(m)，體積(v)，濃度(w%)。進(jìn)入高中后，為了把這些宏觀物理量與微觀離子聯(lián)系起來(lái)，高一化學(xué)首先引入了新的感念：物質(zhì)的量，其符號(hào)為 (n)，單位摩爾(mole)。物質(zhì)的量是國(guó)際單位制中7個(gè)基本物理量之一。7個(gè)國(guó)際單位分別是：長(zhǎng)度(單位: m)、質(zhì)量(單位: kg)、時(shí)間(單位: s)、電流強(qiáng)度(單位: A)、溫度(單位: K)、物質(zhì)的量(單位: mol)，發(fā)光強(qiáng)度(單位: cd)。物質(zhì)的量它和“長(zhǎng)度”，“質(zhì)量”，“時(shí)間”等概念一樣，是一個(gè)物理量的代名詞。隨著新的概念引入，又增加了一系列的輔助概念，阿佛家得羅常數(shù)(NA)，摩爾質(zhì)量，氣體的摩爾體積，物質(zhì)的量濃度等。物質(zhì)的量概念抽象，大家都感覺(jué)不好理解，但物質(zhì)的量是化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)。物質(zhì)的量是學(xué)生進(jìn)入化學(xué)學(xué)習(xí)的第一步，因此，必須搞懂并學(xué)好。

1.2 物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)

簡(jiǎn)單地講，物質(zhì)的量就是用來(lái)描述分子等微粒個(gè)數(shù)的一種工具；數(shù)量少的東西可以一個(gè)個(gè)數(shù)，可以十個(gè)十個(gè)的數(shù)，但是化學(xué)微粒的個(gè)數(shù)是非常巨大的，我們無(wú)法一個(gè)個(gè)數(shù)，無(wú)法十個(gè)十個(gè)甚至無(wú)法萬(wàn)個(gè)萬(wàn)個(gè)的數(shù)；為了方便，采用摩爾(mol)，它是物質(zhì)的量的單位，正如重量的單位是千克，時(shí)間的單位是秒，長(zhǎng)度的單位是米一樣；摩爾是物質(zhì)的量的單位。1 mol任何物質(zhì)含有6.02×1023個(gè)微粒。就像我們說(shuō)“一對(duì)”含有兩個(gè)東西，“一打”含有9個(gè)東西一樣，一摩爾物質(zhì)含有6.02×1023個(gè)肉眼所看不見(jiàn)的微粒。

盡管這些微觀單位非常抽象，不好理解，但通過(guò)宏觀可以求出微觀，通過(guò)微觀也可以求出宏觀。聯(lián)系它們之間的橋梁就是物質(zhì)的量。通過(guò)物質(zhì)的量的計(jì)算我們可以求出宏觀的物質(zhì)的質(zhì)量，溶液的物質(zhì)的量濃度以及氣體的體積。這時(shí)，我們就將宏觀和微觀物理量緊密地聯(lián)系在了一起[2-4]。

對(duì)于微觀的物質(zhì)量的計(jì)算，物質(zhì)的量是高中化學(xué)計(jì)算的核心，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，一方面概念多且比較抽象，難以理解，特別是相近概念容易混淆；另一方面對(duì)物質(zhì)的量與其他物理量的關(guān)系模糊不清，進(jìn)行有關(guān)物質(zhì)的量的計(jì)算時(shí)不知從何處入手。其實(shí)，只要抓住物質(zhì)的量這個(gè)橋梁作用，弄清楚各個(gè)字母所代表的單位，掌握好物質(zhì)的量和其它量之間的相互關(guān)系，就不難理解了。物質(zhì)的量的和其他單位之間的轉(zhuǎn)換如圖1所示。

從這幅框架圖上我們可以看出：以物質(zhì)的量求質(zhì)量，只要乘以摩爾質(zhì)量或者分子量；已知物質(zhì)的量求總的粒子數(shù)，只要乘以阿佛家得羅常數(shù)；已知質(zhì)量求物質(zhì)的量濃度，只要除以溶液的體積；以物質(zhì)的量求氣體的體積，只要乘以氣體摩爾體積；相反，已知其它量求物質(zhì)的量是以上計(jì)算的逆運(yùn)算。最后我們用氣體的體積乘以密度還可以求出氣體的質(zhì)量。以物質(zhì)的量為媒介可以輻射出以上五個(gè)關(guān)系式。這也是最簡(jiǎn)單的關(guān)系式，只有一步計(jì)算。實(shí)際上通過(guò)以上物質(zhì)量關(guān)系網(wǎng)我們還可以推導(dǎo)出更多的關(guān)系式。

圖1 各個(gè)單位之間的關(guān)系

微觀粒子數(shù)與宏觀質(zhì)量之間的關(guān)系：

由n=N/NA=m/M →N= m/M×NA

微觀粒子和宏觀氣體體積之間的關(guān)系：

n=N/NA=V/Vm→N= V/Vm×NA

微觀粒子數(shù)與宏觀溶液之間的關(guān)系：

n=N/NA=CB×V液→N= CB×V液×NA

CB=1000PW/M

可以推出：N=1000PW/M V液×NA

通過(guò)觀察，這些物理量都是以物質(zhì)的量為核心延伸的?？梢詺w納為一個(gè)概念和四關(guān)系。其中，物質(zhì)的量起著橋梁的作用，若能把握他們的關(guān)系并能恰當(dāng)運(yùn)用，多做一些練習(xí)，學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題實(shí)際上是比較簡(jiǎn)單的。

其實(shí)，如果我們學(xué)了后邊的知識(shí)，最終會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于微觀的物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)還是比較簡(jiǎn)單容易的，因?yàn)樗强陀^的，不變的。但對(duì)于宏觀的東西是隨機(jī)變化的，就比如說(shuō)，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)因?yàn)榧拥牧坎煌颦h(huán)境等不同反應(yīng)產(chǎn)物就不同，也就是說(shuō)要考慮可能影響反應(yīng)的多種因素。這樣在解題的時(shí)候就要具體問(wèn)題具體分析。比如，高一學(xué)的鈉和酸﹑堿﹑鹽的反應(yīng)。鈉與酸反應(yīng)，首先鈉與酸反應(yīng)，若鈉過(guò)量還會(huì)和水反應(yīng)；鈉與堿反應(yīng)實(shí)質(zhì)是鈉與堿溶液中的水反應(yīng)；鈉與鹽反應(yīng)，首先鈉與水反應(yīng)生成堿，生成的堿再與鹽反應(yīng)。以及后面講的鋁鹽和強(qiáng)堿的反應(yīng)，隨著加入的強(qiáng)堿的量的不同會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

AlCl3+3NaOH=3NaCl+Al(OH)3↓(NaOH少量)

Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O (NaOH過(guò)量)

還有比如說(shuō)碳酸氫鈉和氫氧化鈉的反應(yīng)，碳酸氫鈉的量不同，所生成產(chǎn)物也不同。

Ca(OH)2+NaHCO3=CaCO3↓+H2O+NaOH [Ca(OH)2]過(guò)量

Ca(OH)2+2NaHCO3=Na2CO3+CaCO3↓+2H2O [NaHCO3]過(guò)量

物質(zhì)的量概念形成之后，決不能讓學(xué)生只僅僅滿足死記硬背，一定要使學(xué)生通過(guò)計(jì)算，運(yùn)用具體試題來(lái)掌握和鞏固。在課后，老師要注意組織練習(xí)，有目的，有正對(duì)性的布置一部分有關(guān)物質(zhì)的量的習(xí)題。使學(xué)生通過(guò)習(xí)題實(shí)踐，鞏固和增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用概念的能力。使理論概念和計(jì)算相結(jié)合，使學(xué)與做相結(jié)合。

2 總結(jié)

通過(guò)以上簡(jiǎn)單的分析，最后不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高一化學(xué)學(xué)習(xí)中的一些微觀計(jì)算相對(duì)于化學(xué)中的宏觀計(jì)算還是比較簡(jiǎn)單的。對(duì)于宏觀化學(xué)的學(xué)習(xí)，所涉及的要點(diǎn)細(xì)節(jié)比較多，每一個(gè)小的細(xì)節(jié)都要仔細(xì)考慮。而關(guān)于微觀量之間的計(jì)算比較固定，只要理清楚它們之間的關(guān)系，再熟記各個(gè)關(guān)系式并會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的推導(dǎo)，這章學(xué)習(xí)中的困難就迎刃而解了。所以，對(duì)于剛進(jìn)入高一的學(xué)生，特別是那些偏科的學(xué)生，或者因?yàn)槲镔|(zhì)的量沒(méi)學(xué)好的學(xué)生，或者即將放棄化學(xué)學(xué)習(xí)的學(xué)生，進(jìn)行一定的引導(dǎo)，他們就可能漸漸入門(mén)。掌握學(xué)習(xí)化學(xué)的一些方法，從而培養(yǎng)出對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的濃厚興趣，達(dá)到“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村”的境界。最終實(shí)現(xiàn)“會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”。