結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的教學弱化

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的教學弱化

在終身教材中，物質(zhì)性質(zhì)教育通常會關注化學實驗的解釋和驗證，而忽視物質(zhì)結(jié)構(gòu)的意義。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要變化是什么？從定量的角度來看，幫助學生建立“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”的對應關系，引導學生感知這種“隱性”的物質(zhì)研究方法？本文以“鈉碳酸鈉、鈉碳酸氫鈉和弱鹽酸”為基礎。1稀鹽酸和水的反應缺乏組織和訓練“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)”是人教版《化學1》第56頁“科學探究”的內(nèi)容。教材重點就二者外觀、溶于水的熱量變化、熱穩(wěn)定性及溶液堿性進行了探究,對于二者和稀鹽酸的反應僅要求寫出它們反應的離子方程式。配套教師用書鼓勵教師“積極開展科學探究活動,讓學生體驗科學探究的過程”,還指出“除作為科學探究的Na2CO3和NaHCO3分別溶于水和與酸的反應外,這些實驗都是驗證性的……”。然而,對于如何組織“二者與稀鹽酸的反應探究”,并未提出任何建議或指導。在教學過程中,一般采用教師演示的方式。將等質(zhì)量二者(約1g)迅速加入等體積等濃度足量稀鹽酸(2.0mol/L)中,對比二者和稀鹽酸反應的快慢,然后從微觀角度大致解釋其本質(zhì)原因。學生基本上無法理解這種微觀解釋,僅能識記其現(xiàn)象差別。為此,筆者提出如下思考:(1)教學能否幫助學生從微觀感悟理解“HCO3-和CO32-的性質(zhì)差異”?(2)能否引導學生初步建立起“CO32-和H+的反應關系”模型?(3)碳酸鹽性質(zhì)的“模型(反應規(guī)律)”既是從初中走向認知反應規(guī)律的銜接點,也是選修模塊從微觀揭示鹽性質(zhì)的對接點,如何為選修分解落實(采取何種教學形式、選取切入點等)此主要教學主題呢?帶著以上教學思考,“實驗題材背景下計算→實驗→結(jié)構(gòu)”的教學較好地解決了這些問題,下面記錄了在高一實驗班的主要教學過程。2教育記錄2.1實驗1:naol和cacl2稱取0.4gNaOH和1.06gNa2CO3,并將其迅速配成100mL0.1mol/L混合溶液;同法配制100mL0.1mol/LNa2CO3溶液和100mL0.1mol/LNaHCO3溶液;量取8.3mL濃鹽酸配制100mL0.1mol/LHCl溶液;100mL0.1mol/LCaCl2溶液;15×150潔凈試管7支;稀酚酞試液一瓶;10mL量筒2個;管口較細的滴管2支;大小燒杯各一(裝水洗劑用)。[問題情境]將0.4gNaOH和1.06gNa2CO3混合并配成稀溶液,向該溶液中逐滴加入0.1mol·L-1稀鹽酸200mL。計算生成二氧化碳(不計其在溶液中的溶解)在標準狀況下的體積。[設置意圖]題目是上海高考題的變形,其數(shù)據(jù)對應的現(xiàn)象經(jīng)過課前實驗的檢驗;學生對堿和碳酸鈉與稀鹽酸的反應已有一些認識,開放的問題情境具備探究性有利于所學內(nèi)容序列化深化。2.2滴管加滴前加碳酸氫鈉過流,a點出,稀鹽酸就會生成co[學生解答]稀鹽酸先和0.01mol氫氧化鈉反應,然后再和碳酸鈉反應,故[師]若按此計算,概括隨HCl用量的增加依次出現(xiàn)的現(xiàn)象。[生]0<n(HCl)≤0.01mol,HCl和NaOH反應,無明顯現(xiàn)象;n(HCl)>0.01mol,HCl和Na2CO3反應,產(chǎn)生氣泡。[師]“量的節(jié)點揭示著質(zhì)的變化”,那么“質(zhì)變”確如我們的預設嗎?比如,“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應順序”是我們設定的那樣嗎?有辦法考量嗎?[生]向其混合溶液中滴加稀鹽酸,只要一開始無氣泡,就表明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應了。[師]請各組實驗后匯報實驗過程、結(jié)果及分析。[生]取3mL混合溶液于15×150潔凈試管中,用滴管逐滴滴加了5滴稀鹽酸,幾乎未看到氣泡,說明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應了;有小組反映滴加時看到了有少量氣泡。[師]兩位學生登臺演示操作(對比“逐滴加入”的操作要領:要慢且邊加邊振蕩)。[點撥]這個方案有沒有不太嚴謹?shù)牡胤?請大家思考。[生]唯一要驗證的是“碳酸鈉是不是一遇到稀鹽酸就會生成氣體”。[生](提示:加液時,滴管舉高些)驚呼奇怪:“在3mL碳酸鈉溶液中,用滴管逐滴滴加了3滴稀鹽酸,很少看到氣泡”,“難道Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O是錯的”。[師]看來又有新發(fā)現(xiàn)。有同學說看到了少量的氣泡,那么生成CO2是不是該過程的主要反應呢,如何考量呢?[點撥]能否用對比實驗進行探究呢,想一想,試一試,然后交流過程、結(jié)果及分析。[生](展臺投影)我們分別取了3mLNaHCO3溶液和Na2CO3溶液于兩支15×150潔凈試管中,然后先分別向其中逐滴滴加0.1mol/L稀鹽酸5滴,之后又向碳酸鈉中繼續(xù)滴加了稀鹽酸。我們的分析是:如果生成CO2是主要反應的話,那開始加(稀)鹽酸也應該和碳酸氫鈉的反應類似,說明一加入稀鹽酸時生成CO2不是主要反應。[師]你為什么要向碳酸鈉溶液中繼續(xù)滴加稀鹽酸呢?[生]我們組有同學認為,碳酸鈉和稀鹽酸應該是生成了碳酸氫鈉,就想試試。[師]你的意思是:如果猜測正確,那么后來的現(xiàn)象應該和碳酸氫鈉開始的現(xiàn)象相似,對嗎?你認為現(xiàn)象相似嗎?[師](針對為什么不相似)隨溶液體積增大,過程中溶質(zhì)的濃度是減小的,還有,難以確定碳酸鈉何時恰好變成了碳酸氫鈉呀。所以,現(xiàn)象很難達到預期。(實驗過程方程式書寫略)[師]你能解釋一下,為什么會有氣泡嗎(學生基礎較好,故進行追問)?[生]我認為是鹽酸一下子電離出了較多氫離子,把碳酸根生成的碳酸氫根一下子又轉(zhuǎn)變成了二氧化碳所致。[師]很好。如果換個順序,把碳酸鈉溶液滴加到稀鹽酸中,則碳酸根會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。實驗中把滴管舉高些就是想阻止氫離子局部過多,當然用管口較細的滴管(查看實驗臺)滴加,還可以將稀鹽酸的濃度再配制小一些等,都是控制滴加量的常用手段?？梢?碳酸鈉溶液和稀鹽酸的反應現(xiàn)象是有條件的。2.3探究碳酸鈉的性質(zhì)[師]下面我們繼續(xù)設法考量“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應順序”。大家為什么認定氫氧化鈉會和稀鹽酸先反應呢?[生]因為氫氧化鈉是強堿,而碳酸鈉是鹽,自然稀鹽酸先和氫氧化鈉反應。[師]大家的意思是,碳酸鈉溶液是中性的嘍,是這樣嗎?能驗證自己的猜想嗎?[生]……(實驗),發(fā)現(xiàn)碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液均呈堿性,且前者堿性較強。[師]為什么它們會呈堿性?課本第57頁告訴大家,“它們呈堿性的原因需要到選修模塊找答案,實際生活中還常用碳酸鈉的堿性去油污”,這些今天暫不討論。[生]我們小組有個考量方案,在3mL混合溶液中逐滴滴加等體積的稀鹽酸,然后再加入氯化鈣溶液,如果出現(xiàn)白色沉淀,就說明稀鹽酸先和氫氧化鈉發(fā)生了反應。[師]能說說原理嗎?[生]如果稀鹽酸先和碳酸鈉反應,那么生成的是碳酸氫鈉和氯化鈉,而碳酸氫鈉和氯化鈣不能生成白色沉淀。(經(jīng)追問知,對碳酸氫鈣溶解性的認識源于初三化學中石鐘乳的形成)[生]……(實驗略)。[師]設計思路非常好,當然大家還可以將等體積碳酸鈉溶液和稀鹽酸混合,然后慢慢滴加少量稀氯化鈣溶液去對比觀察?？磥泶蠹也粌H會想,還能自我評估,很不錯。那么,“如果向碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液(等量混合)中逐滴滴加稀鹽酸,會是什么反應順序呢,請小組先預測后實驗”。[生]我們組分別將1mLNaHCO3溶液和1mLNa2CO3溶液混合后,滴加了2滴酚酞,然后慢慢加了4滴稀鹽酸,發(fā)現(xiàn)紅色淺了,但沒有看到大量氣泡。說明是碳酸鈉先和稀鹽酸反應。[師]大家對此如果沒有問題的話,“為什么碳酸鈉會先和稀鹽酸反應”,提出你的看法。[師]大家認為“因碳酸鈉堿性比較強,所以先要‘削弱’到同一個起跑線上,然后再來反應”。解釋非常妙,當然也與碳酸根所帶電荷數(shù)有關。那么,你現(xiàn)在會如何解決我們的問題呢?[生]此題再解知所需HCl物質(zhì)的量恰好為0.01mol,故生成二氧化碳為0。2.4稀鹽酸的加入[師]如果向其中逐滴滴加稀鹽酸至過量,大家能把這個過程反映在下面圖像中嗎(過程略)?[師]現(xiàn)在你能用稀鹽酸鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉嗎?[師]配溶液很麻煩的(參與配制的同學深有體會)。實驗演示:稱取兩種藥品各1g,然后分別一次性加入盛有8mL2mol/L稀鹽酸的15×150潔凈試管中,觀察并嘗試解釋現(xiàn)象。[生]碳酸氫鈉和稀鹽酸反應產(chǎn)生氣泡更迅速。這是因為現(xiàn)在稀鹽酸多,也就是氫離子多,碳酸氫根一得到氫離子就成了二氧化碳,而碳酸根先要變成碳酸氫根,所以要比它慢一點點吧。[師]好一個“碳酸氫根”,用語相當精準,結(jié)合實驗過程,的確發(fā)現(xiàn)“HCO3-”和“CO32-”性質(zhì)不是一回事?！癈O32-→CO2↑”始終是分為兩步來走的,不過在稀鹽酸過量的時候,這兩步銜接太緊好像成了一步完成,微觀上可絕不是一蹴而就。寫出上述實驗的離子方程式。課堂小結(jié):從向碳酸鈉和碳酸氫鈉中滴加鹽酸現(xiàn)象的差異,可知:“微觀上碳酸鈉經(jīng)(1)(2)兩步生成二氧化碳氣體(見圖1所示)”,(3)是鹽酸過量(含瞬間)的簡潔表示。3將基本的化學觀念轉(zhuǎn)化為實驗,其主導性特點在于其顯物質(zhì)在變化中呈現(xiàn)出的現(xiàn)象,既是其結(jié)構(gòu)的顯性表達,又是對其性質(zhì)的解釋。如果說,現(xiàn)象是對微粒存在或變化的揭示,數(shù)量則隱含著對微粒存在及數(shù)量的確認,體現(xiàn)了自然科學對量變與質(zhì)變關系的解讀。本教學有效促進了學生對結(jié)構(gòu)和性質(zhì)間的依存關系的理解,如氫氧化鈉和碳酸鈉混合溶液中滴加稀鹽酸反應順序的實驗設計,充分反映出學生真切地感受到了“微觀粒子”的性質(zhì),從實驗培養(yǎng)了其理性的思維。這為選修4將探究視角轉(zhuǎn)向溶液pH打下了堅實的基礎。同時,“一次性加入、逐滴滴加”,“細滴管”、“正滴、反滴”等實驗手段(隱含)體現(xiàn)了對控制實驗變量的操作意義。宋心琦先生在“化學學科的現(xiàn)狀及基礎化學教育改革問題”一文中明確提出:“要警惕化學教學和化學教材中的‘數(shù)學化’傾向”,主張“結(jié)合化學運動自身的更為基本的規(guī)律進行研究”,反對“化學實驗只停留在對表面現(xiàn)象做一般性的觀察”。上述實踐就是在演示實驗基礎上(凸顯學科特色),通過計算的工具理性聚焦物質(zhì)的結(jié)構(gòu)(學科研究領域),讓計算過程融入了化學的學科意義,則有效回避了“