1 問題的提出
本課例內(nèi)容選自人教版《化學選擇性必修2》(2019年版)第三章第一節(jié)“物質的聚集狀態(tài)與晶體的常識”。課程主要涵蓋以下內(nèi)容:一、掌握氣體、液體、固體三種經(jīng)典物質聚集狀態(tài)的相互轉化;二、了解液晶、等離子體、離子液體等科學前沿特殊物質聚集狀態(tài)。筆者嘗試對教材進行整合,將位于第三章第三節(jié)的“離子液體”前置于本課,與“液晶”“等離子體”等特殊聚集狀態(tài)的內(nèi)容并行處理。教學中采用從典型聚集狀態(tài)出發(fā),構建宏觀與微觀相結合的解釋模型,以模型為紐帶,從物理、化學、數(shù)學視角出發(fā),認識前沿概念。通過這種教學方式,期望能夠幫助學生建立起結構化的認識思路,更深入地理解物質的聚集狀態(tài)。
2 教學目標
(1)通過關聯(lián)學生熟知H2、CCl4、NaCl氣液固三態(tài)宏觀性質與微觀結構,構建氣、液、固典型聚集狀態(tài)宏觀微觀結構模型,診斷并發(fā)展學生從物質的微粒種類、微粒間相互作用、微粒聚集程度多角度、系統(tǒng)化、結構化認識物質能力。
(2)通過閱讀化學史提取陌生聚集狀態(tài)宏觀性質,運用液、固宏微結構解釋模型,構建液晶狀態(tài),完成液晶概念的學習。診斷并發(fā)展學生信息提取能力和多角度運用模型能力。
(3)從光學、力學、熱學、電學等宏觀角度自主設計實驗,探測火的宏觀性質,利用氣、固宏微解釋模型疊加構建以火為代表的等離子體組成及微觀結構,掌握等離子體概念。診斷并發(fā)展學生的實驗設計及分析解釋能力。
(4)創(chuàng)設真實情境,設計高能量密度鋰空氣電池的電解質為高能量密度鋰空氣電池設計電解質。分析宏觀要求,應用模型調(diào)控微觀結構,創(chuàng)造性設計出符合條件的新聚集狀態(tài)離子液體并預測其廣泛用途,診斷并發(fā)展學生的問題解決及創(chuàng)新思維能力。
3 教學活動
3.1構建模型——典型聚集狀態(tài)的再認識
任務一:探索影響典型聚集狀態(tài)的微觀因素
[引課]展示呈現(xiàn)冰、水、水蒸氣的三態(tài)變化圖片。
[問題1]水從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)時,其微觀結構發(fā)生了哪些變化?
[學生]分子間距離增大。
[問題2]所有物質的三態(tài)變化都是由于分子間距離變化引起的嗎?
[學生]不是,因為有些物質不是由分子構成。
[活動1]探究影響物質三態(tài)變化的微觀因素:繪制出1molNaCl(s)、1molCCl4(l)、1molH2(g)的微觀體積狀態(tài)圖。
[問題3]當H2、CCl4、NaCl微粒數(shù)相同時,為什么體積越來越???
[學生]思考視角:微粒間作用力、分子間距離較大、排列狀態(tài)。
[設計意圖]通過繪制分析熟悉物質H2、CCl4、NaCl的微觀體積圖,探索和理解物質三態(tài)的微觀結構,深入理解微粒種類、微粒間作用力和微??臻g排布對物質聚集狀態(tài)的影響。
任務二:構建典型聚集狀態(tài)的宏觀性質與微觀結構解釋模型
[教師]結合經(jīng)典聚集狀態(tài)微觀結構,解釋氣、液、固常見的性質。
[學生]分析生活常見現(xiàn)象如空氣流動、注射器移動、固體有固定形狀的結構原因。
[構建模型]經(jīng)典聚集狀態(tài)微觀結構與宏觀性質解釋模型如下圖所示。
[設計意圖]通過分析固液氣三態(tài)中可壓縮性、流動性、導電性、熔沸點等常見宏觀物理性質產(chǎn)生緣由,在知其然并知其所以然的過程中建構經(jīng)典三態(tài)宏觀性質與微觀結構的解釋模型。
3.2完善模型——液晶的發(fā)現(xiàn)與特性
[過渡]1888年,奧地利植物學家萊尼采爾在加熱苯甲酸膽甾酯時發(fā)現(xiàn),當溫度升至145.5℃時,出現(xiàn)不透明的渾濁狀態(tài);繼續(xù)加熱到178.5℃,又呈現(xiàn)透明清亮的液態(tài)。這種145.5℃時出現(xiàn)的不透明渾濁狀態(tài)引起了科學界極大興趣。
[資料]不透明渾濁狀態(tài)宏觀信息①具有流動性,能發(fā)生形變;宏觀信息②1889年,德國物理學家萊曼通過偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)其雙折射性(光學性質的各向異性)。
[學生]分析宏觀信息1:由于具有流動性和形變能力,我們猜想這個渾濁狀態(tài)具有經(jīng)典液態(tài)的性質;分析宏觀信息2:雙折射性(光學性質的各向異性),猜想該渾濁狀態(tài)具有經(jīng)典晶體的性質。
[問題4]根據(jù)以上分析,中間渾濁態(tài)屬于什么聚集狀態(tài)?
[數(shù)學視角]如果經(jīng)典液態(tài)模型類比為集合A,晶體模型類比為集合B,則該特殊狀態(tài)類似A∩B;故液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的一種特殊聚集狀態(tài)。
[問題5]分析以上兩種模型,如何解決微觀排布的矛盾?
[學生]猜想微觀結構:某些方向微粒容易移位(類似液體),另外方向微粒有規(guī)律的排布(類似晶體)。
[完善模型]呈現(xiàn)苯甲酸膽甾酯的分子構型膽甾型液晶的材料結構證實猜想。
[設計意圖]原有知識經(jīng)驗中“生長”出新知識的過程激發(fā)了學生信息提取能力、知識關聯(lián)能力的提升,微粒觀、結構觀等學科思維得以養(yǎng)成。
3.3發(fā)展模型——等離子體的探測
[問題6]火焰是生活中常見的現(xiàn)象,它屬于那種聚集狀態(tài)呢?是否屬于經(jīng)典氣液固三態(tài)之一?設計實驗探查火焰的宏觀性質,推測火焰的組成微粒。
[學生]基于性質流動性、導電性設計實驗來探測火焰微觀結構。
[數(shù)學視角]把經(jīng)典氣態(tài)模型類比為集合A,經(jīng)典固態(tài)模型類比為集合B,則該特殊狀態(tài)類似A∪B,故推測組成微粒是電子、陽離子和電中性粒子,這種特殊聚集狀態(tài)被稱為等離子體。
[資料]日光燈和霓虹燈的燈管里、蠟燭的火焰中、極光和雷電中都能找到等離子體。它是宇宙物質超過99%都存在的狀態(tài),又被稱為第四聚集態(tài)。
[問題7]為什么要研究等離子體?
[學生]擴大認知,加強對自然界的認識,應用等離子體為人類創(chuàng)造美好生活,如等離子體電視、化學合成等。
[設計意圖]通過自主設計實驗、分析實驗現(xiàn)象獲取“火”的物理宏觀性質,推斷“火”的聚集狀態(tài),發(fā)展學生的實驗設計能力,創(chuàng)新思考力。
3.4應用模型——離子液體的設計
[解決問題]中國科學院合肥物質科學研究院人員利用石墨和過渡金屬氧化物納米顆粒制備了一種具有高儲能密度和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的鋰空氣電池。為實現(xiàn)高能量密度鋰空氣電池的商業(yè)化應用,請設計一款配套常溫無水體系電解液促進電池的高速發(fā)展。
[學生]分析該電解液需要具備的關鍵宏觀性質:導電,無水,常溫,液態(tài)。
[問題8]熟知的導電物質是否滿足需求?若不能的話,如何改進?
[學生]分析常見固態(tài)金屬、液態(tài)汞、電解質的水溶液、熔融的離子化合物的利弊,尋求改進方案。
[方案原理]可以嘗試降低離子化合物熔點至常溫。要降低熔點,必須減少微粒間作用力。
[物理視角]導電物質的作用力是庫侖力,庫侖力F=kQ1Q2/r2(k為常數(shù),Q1、Q2、r分別為兩電荷電荷量及兩電荷間的距離)。要減少庫侖力可采取措施:1.降低陰、陽離子的電荷量;2.盡量增大陰、陽離子的半徑。
[資料1]常見一價陰離子:除常見氯離子(Cl-)、溴離子(Br-)、碘離子(I-),還有四氯鋁酸根(AlCl4-)、六氟磷酸根(PF6-)、四氟硼酸根(BF4-)等。
[資料2]引入有機基團可降低離子化合物的熔點,如NH4NO3熔點170℃;C2H5NH3NO3的熔點只有12℃。
[活動]設計符合條件的“電解液”。
[學生]小組討論、設計作品。
[教師]離子液體:室溫或稍高于室溫時呈液態(tài)的離子化合物。分析離子液體結構,預測其應用。
[學生]從結構、性質、功能三維視角討論,思考。
[設計意圖]為高速發(fā)展電池設計非水常溫電解液的真實情境,發(fā)展學生的分析思考能力,展現(xiàn)學科解決問題的學科價值。
4 教學反思
4.1 模型統(tǒng)領下不斷嘗試,親身體驗概念的構建過程
基于典型聚集狀態(tài)的宏-微結構解釋模型,學生從微粒組成、微粒間作用力及微粒空間排布等化學視角,建構液晶、等離子體、離子液體等特殊聚集狀態(tài)概念,學生不僅知其然,更知其所以然。
4.2基于真實情境的跨學科協(xié)同效應,促進多學科自然有機地融合
面向真實情境問題解決的跨學科主題學習,側重在特定主題領域下創(chuàng)設真實情境,用具有趣味性和挑戰(zhàn)性的真實問題來驅動不同學科相互協(xié)作,該方式鼓勵學生根據(jù)已有經(jīng)驗主動去探索知識,將新知和舊知聯(lián)系起來,產(chǎn)生同化或順應,從而重建自己的認知結構。
【注:本文系廣東省基礎教育教研基地學科教研基地項目“指向深度學習的高中化學學科實踐推動育人方式變革”階段性成果】
責任編輯 錢昭君