從定量研究的化學(xué)史中挖掘教學(xué)資源

包慧

摘要：在學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，進一步引導(dǎo)學(xué)生運用定律思考問題、分析問題，能運用定律設(shè)計實驗，在實驗中收集數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)分析推理，最終得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律;拉瓦錫;教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2021）09-0055-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.014

2020年10月份我接到南通市教科院的任務(wù)，將和前來交流學(xué)習(xí)的連云港市海州區(qū)的老師同題異構(gòu)一節(jié)化學(xué)課，結(jié)合當(dāng)時的教學(xué)進度我們鎖定了“質(zhì)量守恒定律”一課。由于各種原因這一節(jié)課一直拖延到了11月底，而“質(zhì)量守恒定律”一課早已經(jīng)講完，考慮到當(dāng)初確定的課題，同時也想嘗試一個全新的課題，于是誕生了“再探質(zhì)量守恒定律”一課。

一、設(shè)計思路

在和同備課組老師們的反復(fù)討論研究下我們確立了一條以拉瓦錫為線索的設(shè)計思路，整節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)實驗情境，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從定性到定量的化學(xué)研究方法，會依據(jù)質(zhì)量守恒定律的原理設(shè)計實驗.并能對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標準》中對于質(zhì)量守恒定律的標準表述為：認識質(zhì)量守恒定律，能說明化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系;認識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用。活動與探究建議為：實驗探究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系;用微粒的觀點對質(zhì)量守恒定律做出解釋[1]?！稑藴省穼τ谠诮虒W(xué)中質(zhì)量守恒定律的定位如下：利用質(zhì)量守恒定律的研究讓學(xué)生學(xué)習(xí)從定性向定量切換;利用科學(xué)探究研究質(zhì)量守恒定律的宏觀原因;從微粒的角度研究質(zhì)量守恒定律成立的本質(zhì)原因;拓展質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用，認識定量研究對于化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重大作用[2]。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律以后雖然能依據(jù)定律解決一些計算題，但一味的解題，被動的運用定律失去了質(zhì)量守恒定律的學(xué)科意義，影響了學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。本節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)實驗情境，巧妙地設(shè)置問題，讓學(xué)生在解決一個個問題的過程中主動應(yīng)用質(zhì)量守恒定律，從而加深對定律的理解，感悟質(zhì)量守恒定律對于化學(xué)研究的重要意義。

本節(jié)課從人教版課本上拉瓦錫對于空氣組成的研究中得出質(zhì)量守恒定律作為引入，過渡到書本上對于空氣組成的實驗，巧妙地提出實驗中紅磷的用量問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用質(zhì)量守恒定律解決問題。接下來由人教版課本上拉瓦錫對于水的組成的探究實驗，過渡到書本上演示電解水的演示實驗，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用質(zhì)量守恒定律分析推導(dǎo)水的化學(xué)式。本節(jié)課最后通過在石棉網(wǎng)上加熱納米鐵粉的實驗，通過實驗現(xiàn)象提出問題，即該實驗中的產(chǎn)物是什么？學(xué)生再次應(yīng)用質(zhì)量守恒定律設(shè)計實驗方案、收集實驗數(shù)據(jù)、最終通過對數(shù)據(jù)的分析推導(dǎo)得出生成物的化學(xué)式。

二、教學(xué)過程

引入：同學(xué)們，兩百多年前拉瓦錫在探究空氣組成的實驗中用精確的定量實驗研究了氧化汞的分解和合成反應(yīng)中各物質(zhì)質(zhì)量之間的變化關(guān)系，他將45.0份質(zhì)量的氧化汞加熱分解，恰好得到了41.5份質(zhì)量的汞和3.5份質(zhì)量的氧氣，他通過大量的定量實驗最終得出了質(zhì)量守恒定律。請一位同學(xué)回顧一下質(zhì)量守恒定律的內(nèi)容。

生：參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。

師：化學(xué)反應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律的微觀原因是什么？

生：原子的三不變。

過渡：拉瓦錫在探究空氣組成的實驗中發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)中各物質(zhì)之間量的關(guān)系。在前面的學(xué)習(xí)中，我們也曾模仿拉瓦錫的實驗原理利用紅磷測定了空氣中氧氣體積分數(shù)。在這個實驗中為確保集氣瓶內(nèi)的氧氣被完全消耗，我們在實際實驗時總會取過量的紅磷，實驗后我們發(fā)現(xiàn)燃燒匙上有大量的紅磷的剩余，造成了浪費。從環(huán)保和節(jié)約藥品的角度考慮，至少需要取用紅磷的質(zhì)量是多少？

師：要解決這個問題，你覺得需要知道反應(yīng)中哪種物質(zhì)的質(zhì)量？如何得出集氣瓶內(nèi)氧氣的質(zhì)量呢？進行什么樣的實驗操作呢？下面就請大家以小組為單位進行討論。

[小組討論]

師：我們請一個組來匯報一下他們討論的方案。

生：紅磷的用量需要根據(jù)集氣瓶內(nèi)氧氣的質(zhì)量來確定。

師：如何獲知集氣瓶內(nèi)氧氣的質(zhì)量呢？

生：測量集氣瓶內(nèi)氧氣的體積，再乘以氧氣的密度就可以得出。

師：如何測量集氣瓶內(nèi)氧氣的體積呢？

生：測量集氣瓶中空氣的體積。

師：如何測量？

生：測量集氣瓶的容積。

師：如何測量集氣瓶的容積？

生：排水法。

[學(xué)生實驗]用排水法測量集氣瓶的容積。

師：同學(xué)們你們得出你們手中集氣瓶的容積了嗎？對于剛才的探究你覺得有不嚴謹?shù)牡胤絾幔?/p>

生1：當(dāng)塞上橡皮塞后，集氣瓶內(nèi)空氣的體積要除去這部分體積。

生2：做這個實驗前會在集氣瓶內(nèi)留少量水，所以集氣瓶內(nèi)空氣的體積要除去這部分空氣的體積。

師：如何解決這樣的問題呢？同學(xué)們有什么樣的好辦法？請再討論討論。

[小組討論]

師：你們是怎么解決剛才的兩個問題的？

生：集氣瓶注滿水后塞上橡皮塞，然后取下橡皮塞，再將集氣瓶中大部分的水倒入量筒中，集氣瓶中最后留少量的水，并做上記號。

[學(xué)生實驗]用改進后的方法再次測量集氣瓶內(nèi)空氣的體積。

師：集氣瓶內(nèi)空氣的體積有了，我們?nèi)绾斡嬎愠黾瘹馄績?nèi)氧氣的質(zhì)量呢？還需要查閱哪個物理量？

生：氧氣的密度。

師：已知氧氣的密度是1.429g/L，請同學(xué)們在下面動手算一算。我請一個同學(xué)到黑板上來算。

[學(xué)生板演]

師：在剛才的計算過程中，有些同學(xué)沒能得出正確答案，請**分享一下自己錯誤的原因。

生：直接用集氣瓶內(nèi)空氣的體積乘以氧氣的密度，忘記氧氣約占空氣總體積的21%。

師：氧氣的質(zhì)量有了，現(xiàn)在你們能計算紅磷的質(zhì)量了嗎？繼續(xù)算一算吧。

[學(xué)生板演]

師：0.03g的紅磷究竟是多少？我們一起來看一看圖片。一藥匙的紅磷大約是2.6g。所以在實驗中，我們?nèi)M滿一藥匙的紅磷肯定會有所剩余。

過渡：拉瓦錫通過定量實驗不但成功地測定了空氣中氧氣的體積分數(shù)還得出了水的組成。讓我們一起來看看他是如何做的。他讓水蒸氣通過一根燒紅的鐵制槍管，結(jié)果得到了氫氣，同時槍管表面有黑色固體生成，主要是四氧化三鐵。拉瓦錫通過對數(shù)據(jù)的分析和歸納得出了水的組成，你知道他得出實驗結(jié)論的依據(jù)是什么嗎？

生：質(zhì)量守恒定律。

師：現(xiàn)在也請你利用我提供的實驗數(shù)據(jù)進行分析：16.8g的鐵與足量的水蒸氣充分反應(yīng)，得到23.2g四氧化三鐵，同時生成9L的氫氣，在該條件下氫氣的密度是0.089g/L，你能推出水的化學(xué)式嗎？

[小組討論]

師：請這個組派一個代表到講臺上講一講你們是如何進行推算的。

[學(xué)生板演]（圖1）

過渡：由拉瓦錫探究水的組成的實驗反觀我們課本上電解水實驗，你們覺得要得出水的化學(xué)式，還需要查閱哪些信息？

生：氫氣和氧氣的密度。

師：已知氫氣的密度是0.089g/L，氧氣的密度是1.429g/L，請你們在下面推算水的化學(xué)式。

過渡：同學(xué)們有沒有發(fā)現(xiàn)我們剛剛探究的兩個實驗都是在學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律之前學(xué)習(xí)的，今天我們像拉瓦錫一樣應(yīng)用質(zhì)量守恒定律定量實驗的思想對兩個實驗再次進行了探究，經(jīng)過對數(shù)據(jù)思考和分析，我們對這兩個實驗都有了新的認識。拉瓦錫也正是對許多化學(xué)反應(yīng)進行了定量的研究，歸納出了質(zhì)量守恒定律，得出了許多寶貴的實驗結(jié)論，這對于推動化學(xué)學(xué)科的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。因此拉瓦錫被稱為“定量化學(xué)之父”。下面請大家繼續(xù)運用拉瓦錫研究問題的方法思考這樣一個問題。

[演示實驗]在石棉網(wǎng)上加熱一定質(zhì)量的納米鐵粉。

師：根據(jù)實驗現(xiàn)象猜測納米鐵粉在空氣中加熱的過程中與空氣中的哪種物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？通過研究納米鐵粉的確是與氧氣發(fā)生了反應(yīng)，那么生成物究竟是什么呢？如何通過實驗來測定呢？

[小組討論]

師：請這組的同學(xué)說一說你們打算如何展開探究。

生：首先稱量一定質(zhì)量的鐵粉和石棉網(wǎng)的質(zhì)量，在空氣中充分加熱，然后稱量反應(yīng)后鐵粉和石棉網(wǎng)的質(zhì)量，增加的質(zhì)量就是生成物中氧元素的質(zhì)量。再根據(jù)鐵氧元素的質(zhì)量比得出鐵氧原子的個數(shù)比，就可以得出生成物的化學(xué)式了。

師：如何得知鐵粉已經(jīng)完全與氧氣發(fā)生反應(yīng)了呢？

生：加熱至固體質(zhì)量不再增加。

[演示實驗]充分加熱鐵粉至固體質(zhì)量不再增加。

師：請根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)推算生成物究竟是什么？

[學(xué)生板演]（圖2）

師：通過今天的探究同學(xué)們一定感受到了對于化學(xué)問題的研究，不但需要設(shè)計好實驗，而且需要對數(shù)據(jù)進行合理的分析和處理，這樣才能得到正確的結(jié)論。今天我們的課題是再探質(zhì)量守恒定律，在拉瓦錫實驗的指引下，在具體問題的探究過程中，我相信同學(xué)們對質(zhì)量守恒定律一定有了更加深刻的理解。

三、教后反思

首先，本節(jié)課中兩次引入了化學(xué)家拉瓦錫的故事，這不但豐富了本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，而且讓學(xué)生感悟到科學(xué)發(fā)展中人們是如何通過系統(tǒng)地收集數(shù)據(jù)來分析歸納最終得出結(jié)論的過程。精心選擇與學(xué)生認知、教學(xué)內(nèi)容相匹配的化學(xué)史，不僅促進學(xué)生對知識的理解，還能發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

其次，本節(jié)課的實驗探究中學(xué)生對實驗的研究從定性分析跨越到定量分析，實現(xiàn)了思維方式的提升。從定性到定量的科學(xué)方法使人類認識事物時由模糊變得清晰，由抽象變得具體。在化學(xué)實驗探究中定量分析方法的運用，具有其特定的學(xué)科特點，將會助推學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)[3]。

最后，本節(jié)課的整個教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)以學(xué)生為本的理念，以學(xué)情為起點，創(chuàng)設(shè)真實而富有價值的問題情境，使每一個學(xué)生以愉快的心情去學(xué)習(xí)生動有趣的化學(xué)，激勵學(xué)生積極探究化學(xué)變化的奧秘，讓學(xué)生有更多的機會主動地體驗探究的過程，在知識的形成、相互聯(lián)系和應(yīng)用過程中養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度，學(xué)習(xí)科學(xué)的方法。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

[2]陳歡.“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的教學(xué)素材選擇研究[J].化學(xué)教與學(xué)，2020（11）：10-14

[3]閔蓉蓉.化學(xué)文化視角下定性定量分析方法的實踐[J].數(shù)理化解題研究，2018（8）：77-78