巧用數(shù)字化實驗 深度解析高中化學(xué)概念

王海利

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實驗探究是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的最佳途徑。分子間作用力和氫鍵是高中化學(xué)選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中的重要概念，這些概念抽象難懂，教材缺乏對應(yīng)的配套實驗，導(dǎo)致師生的思維都處于邏輯分析與機械記憶中?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在學(xué)業(yè)要求部分提出：“認識分子間存在相互作用，知道范德華力和氫鍵是兩種常見的分子間作用力，了解分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵在自然界中的廣泛存在及重要作用?！痹趯W(xué)習(xí)活動建議部分提出：“借助物質(zhì)熔、沸點變化與范德華力的關(guān)系探究影響范德華力的因素?！痹诒菊鹿?jié)中，分子間作用力和氫鍵的概念都是微觀世界無法觀察和直接量化的，加重了學(xué)生的認知難度。下面，筆者從生活中的常見現(xiàn)象引入，通過三個層層遞進的實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，讓學(xué)生直觀感受分子間作用力和氫鍵的存在，幫助學(xué)生用化學(xué)思想認知化學(xué)物質(zhì)和化學(xué)概念，使學(xué)生建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)思維方式，培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

一、教學(xué)設(shè)計

環(huán)節(jié)一：生活體驗，了解分子間作用力

創(chuàng)設(shè)情境：醫(yī)生經(jīng)常用酒精溶液消毒，現(xiàn)在請大家用蘸有酒精和水的棉花球分別擦拭手背，大家的感受有什么不一樣呢？原因是什么？

分組實驗：手背涼涼的，用酒精擦拭過的手背更涼，說明水和酒精有部分揮發(fā)了，而且酒精揮發(fā)得更快。

問題1：揮發(fā)前后，酒精分子有沒有變化？如果沒有變化，為什么會吸收能量？

師生分析：水和酒精在揮發(fā)過程中本身的分子沒有發(fā)生變化，但手背變涼，吸收的能量肯定是克服某種作用力的，而且酒精揮發(fā)得更快，說明需要克服的作用力比水弱。

問題2：液體在揮發(fā)過程中需要克服某種作用力，這就是我們今天要講的分子間作用力，分子間作用力分為哪些類型？它對物質(zhì)的性質(zhì)有哪些影響呢？

環(huán)節(jié)二：實驗探究，感知分子間作用力

問題1：大家都知道乙醇、正丙醇和水以任意比例互溶，我們?nèi)绻柚瘜W(xué)試劑想要使正丙醇和水互相分層，大家覺得可能嗎？為什么呢？原理是什么呢？

演示實驗：準(zhǔn)備四個50ml的大試管，先依次加入5mL正丙醇、5mL水，振蕩，使其充分混合均勻。再向其中三個試管分別加入過量的氯化鈉、氯化銨和硫酸銨固體，充分振蕩，使其溶解。最后用紅色水彩筆加入顏料，振蕩，搖勻。靜置片刻，溶液明顯分為兩層，上層為紅色的有機相，下層為基本無色的水相，其中硫酸銨的效果比氯化鈉更好。

師：該實驗是通過鹽析從水相中分離有機相。圖1是有機溶劑丙醇和水的互溶混合溶液，其中有機分子與水分子之間存在微弱的相互作用（如氫鍵、范德華力等分子間作用力）；圖2是在丙醇和水的混合溶液中分別加入可溶性鹽，可溶性鹽電離出來的離子與水分子形成氫鍵，水合離子等破壞了丙醇和水之間的分子間作用力，使得混合溶液中有機溶劑與水相互分離。其中一個為富含丙醇的有機相，另一個為富含硫酸銨等鹽類的富水相。實驗結(jié)果顯示，含有銨根離子的鹽效果非常好。學(xué)生借助水彩筆顏料直觀看到了分層現(xiàn)象（如圖3所示），準(zhǔn)確感受到了分子間作用力，知道了分子間作用力分為范德華力和氫鍵兩種類型，也了解了分子間作用力對物質(zhì)溶解性的影響。

環(huán)節(jié)三：數(shù)字實驗，感受分子間作用力

提出問題：我們把普遍存在的分子間作用力稱為范德華力，范德華力很弱，且沒有方向性和飽和性。影響范德華力大小的因素主要為相對分子質(zhì)量和分子極性。那么，這兩種因素究竟是如何影響范德華力的呢？

演示實驗：利用溫度傳感器將抽象的化學(xué)分子間作用力用宏觀的、可見的溫度直觀顯示出來

實驗步驟：1.分別用2ml的膠頭滴管滴加甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇各一滴于傳感器尖端的探針部分，滴加的同時點擊開始按鈕。將探針暴露在空氣中進行揮發(fā)，當(dāng)溫度達到最小值且開始回升時停止采集數(shù)據(jù)，并截屏保存（如圖4所示）。

2.分別用2ml的膠頭滴管滴加正丁醇、異丁醇、仲丁醇、叔丁醇各一滴于傳感器尖端的探針部分，滴加的同時點擊開始按鈕。將探針暴露在空氣中進行揮發(fā)，當(dāng)溫度達到最小值且開始回升時，停止采集數(shù)據(jù)并截屏保存（如圖5所示）。

學(xué)生總結(jié)：分子間作用力——范德華力的影響因素主要有以下幾個。①甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇隨著碳原子數(shù)的遞增，相對分子質(zhì)量逐漸增大，范德華力增強，分子間作用力逐漸增強，物質(zhì)的沸點逐漸升高。甲醇的沸點最低，曲線下降最快；正丁醇的沸點最高。②正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇相對分子質(zhì)量相同，支鏈越多，分子間作用力越小，物質(zhì)的沸點越低，叔丁醇的沸點最低，曲線下降最快，正丁醇的沸點最高。

提出問題：大家去公園，經(jīng)常看到公園湖泊里面的水黽在水面上自由地跳動，將水踩出一個個漩渦。今天，讓我們用曲別針模擬一下水黽，看看哪些曲別針可以懸浮在溶液上方。

師：我們發(fā)現(xiàn)水分子表面曲別針可以懸浮，但是在四氯化碳中根本懸浮不了。這是為什么呢？我們知道，水和四氯化碳都是由分子構(gòu)成，四氯化碳相對分子質(zhì)量遠大于水分子，按照范德華力的影響因素，肯定是四氯化碳的分子間作用力比水更強，但這個實驗中水分子間作用力為什么出現(xiàn)了反常呢。

生：肯定是水分子間存在除了范德華力之外的其他作用力。

師：我們一起分析一下，四氯化碳和水的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，四氯化碳是正四面體，高度對稱，非極性分子。水是v型結(jié)構(gòu)，極性分子。因此，水分子之間除了范德華力之外，應(yīng)該還有一個其他作用力，這就是我們馬上要檢測的作用力——氫鍵。請大家仔細觀察一下，我們滴下來的每滴水的體積和一滴四氯化碳完全不一樣，同樣體積的水和四氯化碳，滴完的滴數(shù)也不一樣，相信大家學(xué)習(xí)了下面的氫鍵內(nèi)容，自己就可以解釋了。下面，讓我們一起檢測另一種分子間作用力——氫鍵。我們學(xué)習(xí)過的物質(zhì)正丁醇和乙醚互為同分異構(gòu)體，但是正丁醇中因為官能團羥基的存在，所以存在氫鍵作用，大家可以先預(yù)測一下它們的熔沸點高低順序。

實驗步驟：分別用2ml的膠頭滴管滴加正丁醇、乙醚各一滴于傳感器尖端的探針部分，滴加的同時點擊開始按鈕。將探針暴露在空氣中進行揮發(fā)，當(dāng)溫度達到最小值且開始回升時停止采集數(shù)據(jù)，并截屏保存（如圖6所示）。

學(xué)生總結(jié)：正丁醇、乙醚相對分子質(zhì)量相同，正丁醇中由于氫鍵的存在，沸點最高；乙醚的沸點相對較低，曲線下降最快。

師生討論：在有機同系物中，隨著碳原子數(shù)的遞增，相對分子質(zhì)量逐漸增大，范德華力逐漸增強，分子間作用力逐漸增大，物質(zhì)熔沸點依次升高；對于同分異構(gòu)體，相對分子質(zhì)量相同，支鏈化越多，分子的極性越弱，分子間作用力越小，熔沸點越低。由于分子間氫鍵的存在，極大地提升了物質(zhì)的熔沸點。

二、案例反思

1.利用真實情境引入，提高學(xué)生參與熱情

在本課教學(xué)中，筆者利用“蘸有酒精和水的棉球分別擦拭手背”的真實情境引入，簡單的分組實驗，提高了學(xué)生的參與度。液體揮發(fā)時吸熱，這一真實情境讓學(xué)生明白了分子與分子間確實存在作用力；乙醇與水的吸熱比較，為后續(xù)利用溫度表現(xiàn)范德華力埋下了伏筆。通過實驗探究，學(xué)生對物質(zhì)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系有了深刻的認識。

2.巧用數(shù)字化手持技術(shù)，使抽象概念數(shù)據(jù)化

本課中，分子間作用力抽象又復(fù)雜，涉及微觀世界的相互作用，筆者利用數(shù)字化傳感器將抽象的概念用實驗現(xiàn)象、圖形、數(shù)據(jù)、曲線等具體化，使微觀現(xiàn)象可視化，便于學(xué)生理解所學(xué)知識。教師將信息技術(shù)與日常教學(xué)相互融合，在一定程度上能夠幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識體系，發(fā)展高階思維，讓學(xué)生在宏觀中辨識現(xiàn)象、微觀中探究分析本質(zhì)，提升宏觀辨識與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.科學(xué)探究是發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程

在本課教學(xué)中，筆者以真實的化學(xué)問題情境為主線，通過四個環(huán)節(jié)層層深入的設(shè)計，將復(fù)雜抽象的概念教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)探究過程，幫助學(xué)生厘清知識，引導(dǎo)學(xué)生感觸、感知、體會、理解分子間作用力——范德華力和氫鍵，感受科學(xué)研究的一般過程，基于證據(jù)提出假設(shè)，利用實驗證實真?zhèn)?，通過分析揭示本質(zhì)，解決問題，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)。

作者單位? 西安市經(jīng)開第一中學(xué)