促進學生深度學習的“物質(zhì)的量”單元教學
——“氣態(tài)粒子的那些事”教學設計

洪 璐

(合肥市第七中學,安徽 合肥 230088)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中在第四部分“課程內(nèi)容”主題1化學科學與實驗探究中提出:了解物質(zhì)的量及其相關物理量的含義和應用,體會定量研究在化學學科中的重要作用[1].由物質(zhì)的量為核心概念,以摩爾質(zhì)量、濃度、阿伏加德羅常數(shù)等化學概念為次要概念以及這些概念之間的相關聯(lián)系,共同構成了物質(zhì)的量概念體系.

因此本文對高中化學“物質(zhì)的量”進行單元內(nèi)容整合,指出物質(zhì)的量作為一種化學計量的工具,其過去、現(xiàn)在和將來都體現(xiàn)了科學發(fā)展的進程和延續(xù),從而確定單元主題為——發(fā)展中的化學計量.

1 單元深度學習目標

該單元的教學目標見表1.

表1 單元教學目標

2 單元教學設計——以“氣態(tài)粒子的那些事”教學設計為例

環(huán)節(jié)一:探究物質(zhì)體積大小的影響因素

【問題情境】根據(jù)所給數(shù)據(jù)算出對應體積,每組同學算一種物質(zhì),小組討論,尋找體積與物質(zhì)的量之間的關系.

【學生活動】學生自己操作并記錄數(shù)據(jù).

【成果匯報】1 mol任何氣體,無論是純凈氣體還是混合氣體,在標準狀況下,氣體體積都約為22.4 L.注意到只要溫度和壓強一定時,氣體摩爾體積是個定值,與氣體種類無關.

【設計意圖】這部分幫助學生喚起前一課時的關于物質(zhì)的量和氣體摩爾體積所學內(nèi)容,學生通過計算數(shù)據(jù)可以直觀感受到氣體摩爾體積與氣體種類無關,與溫度和壓強有關,并存在定量關系,引出下一環(huán)節(jié)的探究活動[2].

環(huán)節(jié)二:探究影響物質(zhì)體積的因素

【問題引導】當溫度和壓強一定時,氣體摩爾體積是個定值.那么固體、液體的摩爾體積有什么規(guī)律呢?

【學生活動】觀察石墨烯的高分辨圖像按相同比例模擬下的氣體圖,并從微觀粒子的角度思考影響這些物質(zhì)體積的因素.

【問題引導】影響不同狀態(tài)下物質(zhì)體積的主要因素是什么?

【交流匯報】對于固體物質(zhì)而言,微粒之間排列非常緊密,微粒本身的大小遠大于微粒間距,因此在微粒數(shù)目一定時,影響固體物質(zhì)體積的主要因素是微粒本身的大小,而微粒間距可以忽略不計,液體物質(zhì)由于和固體物質(zhì)一樣都是緊密堆積,因此影響液體物質(zhì)體積的因素與固體物質(zhì)是一樣的.

【設計意圖】學生通過觀察固、液、氣三種微觀圖片,體會在微粒數(shù)目相同時,微粒間距與微粒大小對物質(zhì)體積的影響.這種教學情境有助于學生由宏觀模型聯(lián)系到化學的微觀世界,便于想象和理解“影響物質(zhì)體積大小的因素”.好的教學情境可以調(diào)動積極的學習氛圍.

環(huán)節(jié)三:探究影響氣體體積的主要因素

【問題引導】結合前面內(nèi)容,影響氣體體積主要因素——微粒間距,是如何受溫度和壓強影響?氣體體積與溫度、壓強之間的定量關系是什么?

【學生活動】分組實驗,用蓋子堵住針筒出口,形成密閉體系,分別擠壓和抽動活塞,觀察針筒體積大小.再將針筒分別放在熱水、冷水中,觀察氣球體積變化.

【實驗展示】在探究氣體體積與溫度、壓強的定量關系時,可以借助手持技術實驗儀器,驗證波義爾定律和蓋·呂薩克定律.

【實驗2】用熱水澆灌針筒外壁,使用溫度傳感器測量流過針筒外壁水的溫度,記錄針筒的刻度變化,待針筒外壁自然冷卻后再記錄針筒的刻度,可以得到氣體體積與溫度之間的關系:V∝T.

【實驗3】將兩個分別裝有一定量的氯氣和空氣針筒,用帶開關的轉(zhuǎn)接管連接,記錄氣體刻度后,打開開關,觀察現(xiàn)象及針筒刻度的變化.觀察到,混合前后兩端針筒的刻度讀數(shù)并沒有改變,說明在恒溫恒壓下,任何氣體的微粒間距都是相同的,因此不反應的氣體體積與物質(zhì)的量的關系:V∝n.

【討論匯總】從微粒角度來看,壓強或溫度改變,使氣體微粒間距發(fā)生變化,氣體體積發(fā)生改變;若溫度和壓強一定,任何氣體的微粒間距都相同,混合氣體體積可以直接加和.由此,形成數(shù)學定量關系式V∝nT/p,代入1 mol不同氣體在不同溫度和壓強下的體積數(shù)據(jù),得到一個常數(shù)R,形成公式pV=nRT.

【科學史展示】這個公式在1834年就被發(fā)現(xiàn),稱之為“理想氣體狀態(tài)方程”,也稱克拉伯龍方程.

【問題引導】請同學們利用pV=nRT,計算標準狀況下(T=273 K、p=101.325 kPa,n=1 mol,R=8.314 kPa·L3·mol-1·K-1)下的氣體摩爾體積,并考慮是否只有在標準狀況下,氣體摩爾體積才是22.4 L·mol-1?

【學生活動】代入數(shù)據(jù),計算出標況下氣體摩爾體積≈22.4 L·mol-1,根據(jù)V=nRT/p知道,當壓強和溫度同時增大或減小時,V也可能是22.4 L·mol-1.

【設計意圖】學生從課堂活動和生活常識粗略的了解到“壓強越大氣體體積越小”“熱脹冷縮”等原理,而手持技術實驗可以讓學生更加精確地認識到壓強、溫度與氣體體積的定量關系,從感性認知上升到理性思維,從定性研究轉(zhuǎn)變到定量研究,為后面學習阿伏加德羅定律做好鋪墊.通過引入科學史,帶領學生循著科學家的腳步探索,讓學生充分體會到科學探究的樂趣[3].

環(huán)節(jié)四:推導阿伏加德羅定律、學習阿伏加德羅常數(shù)的歷史發(fā)展

【問題引導】根據(jù)公式pV=nRT,請描述T、p、V、n之間存在哪些定量關系.

【學生討論】相同溫度、壓強時,氣體的體積之比等于物質(zhì)的量之比.

【原理揭示】阿伏加德羅定律揭示了微觀原子或分子的性質(zhì)與物質(zhì)的宏觀特性之間具有對應關系.

【問題引導】阿伏加德羅定律與阿伏加德羅常數(shù)有什么關系呢?

【科學史展示】很多人會誤以為阿伏加德羅常數(shù)是阿伏加德羅本人提出的,其實不然.阿伏加德羅只提出了阿伏加德羅定律,并沒有提出阿伏加德羅常數(shù).1811年,阿伏加德羅提出,在同溫同壓下,相同體積的任何氣體都含有相同數(shù)目的分子.

這句話啟示人們,可以通過測定氣體體積來間接測定氣體分子數(shù).1909年,法國物理化學家佩蘭用實驗證實了“分子”的客觀存在,為了紀念阿伏加德羅的貢獻,他測出并命名了“阿伏加德羅常數(shù)”這一名詞.

【討論匯報】阿伏加德羅常數(shù)是對阿伏加德羅定律的一個繼承和證明,而這中間相隔了近百年的時間,科學發(fā)展不是一帆風順的,也感受科學家在探索科學時的毅力與艱辛.

【問題引導】為什么人教版(2019)化學必修1中,定義阿伏加德羅常數(shù)的數(shù)值時,刪除了“與0.012 kg12C所含有的碳原子數(shù)相同”這句話?

【討論總結】科學計量標準在發(fā)展,阿伏加德羅常數(shù)如果一直依賴于12C質(zhì)量的測量將永遠存在誤差.

【科學史展現(xiàn)】2018年11月,國際計量大會更改摩爾的定義,其定義將不再依賴于物質(zhì)質(zhì)量存在,而直接定位確定的量綱.

【設計意圖】通過理想氣體狀態(tài)方程,逐步推導出阿伏加德羅定律及其推論,從阿伏加德羅定律的意義體會到阿伏加德羅在當時提出時的偉大貢獻,但是經(jīng)歷了近一個世紀才被后來的科學家證明并命名出阿伏加德羅常數(shù),讓學生體會到科學的發(fā)展不是一蹴而就的,需要幾代人的繼承和努力[4].

【課后作業(yè)】請模仿阿伏加德羅定律,根據(jù)pV=nRT及“三同定一同”“二同定比例”的數(shù)學思想,試著推導出其他有關p、V、n、T的推論.

3 教學反思(略)