初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)模型建構(gòu)
——以“與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”為例

張亞琴

(江蘇省如皋初級中學(xué),江蘇 如皋 226500)

本文選取與壓強(qiáng)有關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為復(fù)習(xí)專題,通過再現(xiàn)課本原型實(shí)驗(yàn),探尋密閉體系內(nèi)壓強(qiáng)變化背后隱含的實(shí)驗(yàn)原理,從宏觀與微觀的角度對其進(jìn)行分析推理,分類解釋,歸納總結(jié)出引起壓強(qiáng)變化的因素,建構(gòu)“與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”思維模型.

1 再識課本實(shí)驗(yàn),建構(gòu)思維模型

壓強(qiáng)是物理概念,且與壓強(qiáng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分散在各個(gè)章節(jié)中,大多數(shù)學(xué)生尚不能自發(fā)融合各學(xué)科間的學(xué)科知識,更不能系統(tǒng)地、有規(guī)律地去分析解決相關(guān)的實(shí)際問題[1].

1.1 再現(xiàn)與壓強(qiáng)有關(guān)的課本實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行義務(wù)教育教科書九年級化學(xué)上、下冊課本中就有很多涉及到壓強(qiáng)變化的實(shí)驗(yàn),如滴管吸取和滴加少量液體、檢查裝置的氣密性、氣體的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律等等.通過對課本實(shí)驗(yàn)分類整理后發(fā)現(xiàn),對有關(guān)壓強(qiáng)變化實(shí)驗(yàn)的安排遵循從單一因素過渡到多種因素,從物理原因過渡到化學(xué)原因,再逐漸上升到理化綜合原因,實(shí)驗(yàn)體系由簡單到復(fù)雜,符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,有利于提高學(xué)生證據(jù)推理能力.

1.2 尋找引起密閉體系中壓強(qiáng)變化的因素

大氣壓的本質(zhì)是大量氣體分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)給予物體表面的撞擊力,氣體分子越密集,撞擊力越大,反之,則越小. 圖1是用膠頭滴管吸取和滴加少量液體的實(shí)驗(yàn)(圖1上標(biāo)注的箭頭方向?yàn)闅怏w或液體流向).圖2是“擠”與“松”膠帽過程的微觀模型圖,擠壓膠帽,氣體分子間間距變小,膠帽內(nèi)氣體壓強(qiáng)(p1)變大,即p1>p0,液體由高壓向低壓移動(dòng);松開拇指,氣體分子間距變大,氣體壓強(qiáng)(p2)變小,即p2

圖1 膠頭滴管吸取和滴加液體 圖2 膠頭滴管使用過程的微觀示意圖

裝置氣密性檢查實(shí)驗(yàn)(如圖3所示)是氣體制備和部分性質(zhì)實(shí)驗(yàn)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)(圖3中箭頭方向?yàn)闅怏w或液體的流向).對比兩幅圖片發(fā)現(xiàn),“一握一松”兩種不同的實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象迥異.用雙手緊“握”試管外壁,給實(shí)驗(yàn)體系提供能量,表現(xiàn)為溫度升高,而“松”則使溫度恢復(fù)至室溫.用分子的性質(zhì)解釋,溫度升高,分子能量增大,運(yùn)動(dòng)加劇,分子間間隔變大(如圖4所示),試管內(nèi)氣體壓強(qiáng)(p3)增大,即p3>p0,試管內(nèi)氣體由高壓向低壓流動(dòng),導(dǎo)管口有氣泡冒出.當(dāng)溫度降至室溫后,分子間間隔變小,且因氣體的逸出,氣體的量變少,試管內(nèi)氣壓(p4)小于p0.當(dāng)氣體的量和容器的體積一定時(shí),壓強(qiáng)隨溫度的升高而變大,反之,則變小;當(dāng)溫度和容器的體積一定時(shí),壓強(qiáng)隨氣體的量減少而變小,反之,則變大.

圖3 檢查裝置氣密性 圖4 粒子受熱或降溫的微觀示意圖

對以上實(shí)驗(yàn)的歸納整理可得,對于確定的密閉體系,引起壓強(qiáng)變化的因素有溫度、容器的體積、氣體物質(zhì)的量等.通過一定的實(shí)驗(yàn)操作如改變實(shí)驗(yàn)體系的溫度或規(guī)范合理的實(shí)驗(yàn)操作均可制造壓強(qiáng)差.

由生活經(jīng)驗(yàn)可知,二氧化碳能溶于水.為驗(yàn)證二氧化碳的溶解性,課本實(shí)驗(yàn)采用廢棄的軟塑料瓶做實(shí)驗(yàn)容器,通過軟塑料瓶變癟這一現(xiàn)象指示瓶內(nèi)壓強(qiáng)變小,推測氣體的量減少.因此,物質(zhì)體系、適當(dāng)?shù)膬x器裝置也會(huì)引起密閉體系內(nèi)氣壓變化.

在密閉體系中,能引起氣壓變化的原因有物理原因與化學(xué)原因(如圖5所示).

圖5 影響密閉體系中壓強(qiáng)的因素

“與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”專題復(fù)習(xí)的主旨是基于證據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析推理,緊扣影響壓強(qiáng)的因素,從物理和化學(xué)的角度充分挖掘壓強(qiáng)變化背后隱含的實(shí)驗(yàn)原理,并對其進(jìn)行分類解釋,以期培養(yǎng)學(xué)生對證據(jù)的分析推理能力,提高學(xué)生解決綜合問題的能力.

1.3 建構(gòu) “與壓強(qiáng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)”的思維模型

與壓強(qiáng)有關(guān)的課本實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,即化學(xué)體系已確定,為了觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,通常需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)特殊的密閉體系,這種密閉體系的特殊性在于實(shí)驗(yàn)裝置本身或經(jīng)某操作后必須能夠引起壓強(qiáng)變化,如二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)中用軟塑料瓶替代玻璃容器;二氧化碳制備實(shí)驗(yàn)中提供的注射器等.因此,適當(dāng)?shù)膬x器裝置與規(guī)范合理的實(shí)驗(yàn)步驟是確保實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.

化學(xué)體系的選擇應(yīng)為實(shí)驗(yàn)體系的重要環(huán)節(jié),這也是綜合實(shí)驗(yàn)考查的必考點(diǎn),以測定空氣里氧氣含量實(shí)驗(yàn)的化學(xué)原理為例:拉瓦錫研究空氣成分實(shí)驗(yàn)中選擇汞消耗曲頸甑中的氧氣;課本實(shí)驗(yàn)則用紅磷替代汞進(jìn)行實(shí)驗(yàn);2015年江蘇省南通市中考化學(xué)試卷的第24題探究題中采用脫氧劑替代紅磷,上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)的化學(xué)體系中雖然選擇的物質(zhì)不同,但其實(shí)驗(yàn)原理基本一致,都是選擇一種物質(zhì)僅能與氧氣反應(yīng),使密閉體系內(nèi)氣體壓強(qiáng)變小,從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

“與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”專題復(fù)習(xí)需綜合考慮化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系三要素與壓強(qiáng)變化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間的關(guān)系,形成與壓強(qiáng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的一般思路和方法(如圖6所示).

圖6 “與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”思維模型

具體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程:選擇正確的化學(xué)體系,將其置身于特定的實(shí)驗(yàn)裝置,經(jīng)規(guī)范合理的操作后,對觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析推理,歸納總結(jié)得出結(jié)論.其中,明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象指示著密閉體系中壓強(qiáng)的變化,是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的重要證據(jù),但不一定是有效證據(jù),還需將壓強(qiáng)變化情況與化學(xué)原理進(jìn)行聯(lián)系,并對其進(jìn)行分類分析,篩選出與引起氣壓變化因素相關(guān)的有效證據(jù),從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

2 解決實(shí)際問題,應(yīng)用思維模型

題目1 為了幫助同學(xué)們更好地理解空氣中氧氣含量測定的實(shí)驗(yàn)原理,老師利用傳感器技術(shù)定時(shí)測定了實(shí)驗(yàn)裝置(如圖7所示)內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度和氧氣濃度,三條曲線變化趨勢如圖8所示.下列說法錯(cuò)誤的是( ).

圖7 測定空氣里氧氣含量實(shí)驗(yàn) 圖8 壓強(qiáng)、溫度、氧氣濃度變化曲線

A．圖7使用電烙鐵發(fā)熱引燃物質(zhì)紅磷,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確

B．圖8中曲線X表示壓強(qiáng)變化,Y表示溫度,Z表示氧氣濃度

C．AB段變化的原因是由于溫度升高所增加的氣壓大于氧氣消耗所減小的氣壓

D．據(jù)圖8,t時(shí)刻才打開K,此時(shí)裝置降至原溫度、氧氣耗盡、水進(jìn)入集氣瓶

分析本題是在已知實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上考查密閉體系中氣體壓強(qiáng)隨溫度及氧氣濃度實(shí)時(shí)變化的情況.

本題選項(xiàng)C是對實(shí)驗(yàn)體系中壓強(qiáng)變化情況的分析,緊扣化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素,尋找引起壓強(qiáng)變化的因素.實(shí)驗(yàn)開始,實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)操作不變,化學(xué)體系中,反應(yīng)物氧氣的量減少,氣壓變小;溫度升高,氣壓變大;綜合比較,AB段明顯增加的原因是溫度升高所增大的氣壓大于氧氣消耗所減小的氣壓.

本題采用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)繪制實(shí)驗(yàn)過程中壓強(qiáng)變化的曲線圖,解題的關(guān)鍵在于將曲線變化情況與化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素進(jìn)行聯(lián)系,找出實(shí)驗(yàn)體系中的氣壓變化的因素,并進(jìn)行分類處理、對比分析、綜合比較,從而得出結(jié)論.

3 自主設(shè)計(jì)方案,深化思維模型

題目2 化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.根據(jù)如圖9回答問題:

圖9 實(shí)驗(yàn)室里制取氣體的一些裝置圖

實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳,發(fā)生裝置要能達(dá)到“隨開隨起,隨關(guān)隨停”,需要選用的儀器和用品有____;檢查該裝置氣密性的方法是:____,則氣密性良好.反應(yīng)的化學(xué)方程式為____;若選用的收集裝置是C,則二氧化碳應(yīng)從____(填“m”或“n”)進(jìn)入.

分析本題對實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了考查,涉及到裝置氣密性的檢查、實(shí)驗(yàn)裝置的選擇等知識點(diǎn).其中二氧化碳發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)和評價(jià)是本題的難點(diǎn).

本題考查二氧化碳發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與評價(jià),可運(yùn)用“與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)”思維模型進(jìn)行分析,首先考慮化學(xué)體系,化學(xué)反應(yīng)是有條件,兩種反應(yīng)物需接觸才可能發(fā)生反應(yīng),否則不能發(fā)生或停止反應(yīng).實(shí)驗(yàn)室通常用石灰石與稀鹽酸為原料制取二氧化碳?xì)怏w,稀鹽酸呈液態(tài),可通過制造壓強(qiáng)差控制液體的上升或下降,實(shí)現(xiàn)石灰石與稀鹽酸的隨時(shí)接觸或分離.選用FHG進(jìn)行組裝,打開止水夾,石灰石與稀鹽酸接觸,反應(yīng)發(fā)生;關(guān)閉止水夾,試管內(nèi)氣壓變大,酸液被壓回長頸漏斗,達(dá)到“隨開隨起,隨關(guān)隨停”的目的[2].

學(xué)生借助思維模型能夠運(yùn)用科學(xué)的思維方式有序的、理性的自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,還能有效避免描述不清、答案不全等現(xiàn)象,從而逐漸養(yǎng)成解決復(fù)雜問題的能力.