結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的教學(xué)弱化

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的教學(xué)弱化

在終身教材中，物質(zhì)性質(zhì)教育通常會(huì)關(guān)注化學(xué)實(shí)驗(yàn)的解釋和驗(yàn)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(lái)看，幫助學(xué)生建立“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”的對(duì)應(yīng)關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)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(chǔ)。1稀鹽酸和水的反應(yīng)缺乏組織和訓(xùn)練“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)”是人教版《化學(xué)1》第56頁(yè)“科學(xué)探究”的內(nèi)容。教材重點(diǎn)就二者外觀、溶于水的熱量變化、熱穩(wěn)定性及溶液堿性進(jìn)行了探究,對(duì)于二者和稀鹽酸的反應(yīng)僅要求寫出它們反應(yīng)的離子方程式。配套教師用書鼓勵(lì)教師“積極開展科學(xué)探究活動(dòng),讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程”,還指出“除作為科學(xué)探究的Na2CO3和NaHCO3分別溶于水和與酸的反應(yīng)外,這些實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性的……”。然而,對(duì)于如何組織“二者與稀鹽酸的反應(yīng)探究”,并未提出任何建議或指導(dǎo)。在教學(xué)過(guò)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(duì)比二者和稀鹽酸反應(yīng)的快慢,然后從微觀角度大致解釋其本質(zhì)原因。學(xué)生基本上無(wú)法理解這種微觀解釋,僅能識(shí)記其現(xiàn)象差別。為此,筆者提出如下思考:(1)教學(xué)能否幫助學(xué)生從微觀感悟理解“HCO3-和CO32-的性質(zhì)差異”?(2)能否引導(dǎo)學(xué)生初步建立起“CO32-和H+的反應(yīng)關(guān)系”模型?(3)碳酸鹽性質(zhì)的“模型(反應(yīng)規(guī)律)”既是從初中走向認(rèn)知反應(yīng)規(guī)律的銜接點(diǎn),也是選修模塊從微觀揭示鹽性質(zhì)的對(duì)接點(diǎn),如何為選修分解落實(shí)(采取何種教學(xué)形式、選取切入點(diǎn)等)此主要教學(xué)主題呢?帶著以上教學(xué)思考,“實(shí)驗(yàn)題材背景下計(jì)算→實(shí)驗(yàn)→結(jié)構(gòu)”的教學(xué)較好地解決了這些問(wèn)題,下面記錄了在高一實(shí)驗(yàn)班的主要教學(xué)過(guò)程。2教育記錄2.1實(shí)驗(yàn)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(gè);管口較細(xì)的滴管2支;大小燒杯各一(裝水洗劑用)。[問(wèn)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(jì)算生成二氧化碳(不計(jì)其在溶液中的溶解)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。[設(shè)置意圖]題目是上海高考題的變形,其數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象經(jīng)過(guò)課前實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn);學(xué)生對(duì)堿和碳酸鈉與稀鹽酸的反應(yīng)已有一些認(rèn)識(shí),開放的問(wèn)題情境具備探究性有利于所學(xué)內(nèi)容序列化深化。2.2滴管加滴前加碳酸氫鈉過(guò)流,a點(diǎn)出,稀鹽酸就會(huì)生成co[學(xué)生解答]稀鹽酸先和0.01mol氫氧化鈉反應(yīng),然后再和碳酸鈉反應(yīng),故[師]若按此計(jì)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(yīng),無(wú)明顯現(xiàn)象;n(HCl)>0.01mol,HCl和Na2CO3反應(yīng),產(chǎn)生氣泡。[師]“量的節(jié)點(diǎn)揭示著質(zhì)的變化”,那么“質(zhì)變”確如我們的預(yù)設(shè)嗎?比如,“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應(yīng)順序”是我們?cè)O(shè)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(wú)氣泡,就表明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)了。[師]請(qǐng)各組實(shí)驗(yàn)后匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shuō)明稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)了;有小組反映滴加時(shí)看到了有少量氣泡。[師]兩位學(xué)生登臺(tái)演示操作(對(duì)比“逐滴加入”的操作要領(lǐng):要慢且邊加邊振蕩)。[點(diǎn)撥]這個(gè)方案有沒(méi)有不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?請(qǐng)大家思考。[生]唯一要驗(yàn)證的是“碳酸鈉是不是一遇到稀鹽酸就會(huì)生成氣體”。[生](提示:加液時(shí),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(cuò)的”。[師]看來(lái)又有新發(fā)現(xiàn)。有同學(xué)說(shuō)看到了少量的氣泡,那么生成CO2是不是該過(guò)程的主要反應(yīng)呢,如何考量呢?[點(diǎn)撥]能否用對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究呢,想一想,試一試,然后交流過(guò)程、結(jié)果及分析。[生](展臺(tái)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(yīng)的話,那開始加(稀)鹽酸也應(yīng)該和碳酸氫鈉的反應(yīng)類似,說(shuō)明一加入稀鹽酸時(shí)生成CO2不是主要反應(yīng)。[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(xué)認(rèn)為,碳酸鈉和稀鹽酸應(yīng)該是生成了碳酸氫鈉,就想試試。[師]你的意思是:如果猜測(cè)正確,那么后來(lái)的現(xiàn)象應(yīng)該和碳酸氫鈉開始的現(xiàn)象相似,對(duì)嗎?你認(rèn)為現(xiàn)象相似嗎?[師](針對(duì)為什么不相似)隨溶液體積增大,過(guò)程中溶質(zhì)的濃度是減小的,還有,難以確定碳酸鈉何時(shí)恰好變成了碳酸氫鈉呀。所以,現(xiàn)象很難達(dá)到預(yù)期。(實(shí)驗(yàn)過(guò)程方程式書寫略)[師]你能解釋一下,為什么會(huì)有氣泡嗎(學(xué)生基礎(chǔ)較好,故進(jìn)行追問(wèn))?[生]我認(rèn)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(gè)順序,把碳酸鈉溶液滴加到稀鹽酸中,則碳酸根會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。實(shí)驗(yàn)中把滴管舉高些就是想阻止氫離子局部過(guò)多,當(dāng)然用管口較細(xì)的滴管(查看實(shí)驗(yàn)臺(tái))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(yīng)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(shè)法考量“NaOH和Na2CO3中滴加稀鹽酸的反應(yīng)順序”。大家為什么認(rèn)定氫氧化鈉會(huì)和稀鹽酸先反應(yīng)呢?[生]因?yàn)闅溲趸c是強(qiáng)堿,而碳酸鈉是鹽,自然稀鹽酸先和氫氧化鈉反應(yīng)。[師]大家的意思是,碳酸鈉溶液是中性的嘍,是這樣嗎?能驗(yàn)證自己的猜想嗎?[生]……(實(shí)驗(yàn)),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(qiáng)。[師]為什么它們會(huì)呈堿性?課本第57頁(yè)告訴大家,“它們呈堿性的原因需要到選修模塊找答案,實(shí)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(gè)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(shuō)明稀鹽酸先和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。[師]能說(shuō)說(shuō)原理嗎?[生]如果稀鹽酸先和碳酸鈉反應(yīng),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(wèn)知,對(duì)碳酸氫鈣溶解性的認(rèn)識(shí)源于初三化學(xué)中石鐘乳的形成)[生]……(實(shí)驗(yàn)略)。[師]設(shè)計(jì)思路非常好,當(dāng)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(duì)比觀察?？磥?lái)大家不僅會(huì)想,還能自我評(píng)估,很不錯(cuò)。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(huì)是什么反應(yīng)順序呢,請(qǐng)小組先預(yù)測(cè)后實(shí)驗(yàn)”。[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(méi)有看到大量氣泡。說(shuō)明是碳酸鈉先和稀鹽酸反應(yīng)。[師]大家對(duì)此如果沒(méi)有問(wèn)題的話,“為什么碳酸鈉會(huì)先和稀鹽酸反應(yīng)”,提出你的看法。[師]大家認(rèn)為“因碳酸鈉堿性比較強(qiáng),所以先要‘削弱’到同一個(gè)起跑線上,然后再來(lái)反應(yīng)”。解釋非常妙,當(dāng)然也與碳酸根所帶電荷數(shù)有關(guān)。那么,你現(xiàn)在會(huì)如何解決我們的問(wèn)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(guò)量,大家能把這個(gè)過(guò)程反映在下面圖像中嗎(過(guò)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(xué)深有體會(huì))。實(shí)驗(yàn)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(yīng)產(chǎn)生氣泡更迅速。這是因?yàn)楝F(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(diǎn)點(diǎn)吧。[師]好一個(gè)“碳酸氫根”,用語(yǔ)相當(dāng)精準(zhǔn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)走的,不過(guò)在稀鹽酸過(guò)量的時(shí)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(shí)驗(yàn)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?xì)怏w(見圖1所示)”,(3)是鹽酸過(guò)量(含瞬間)的簡(jiǎn)潔表示。3將基本的化學(xué)觀念轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn),其主導(dǎo)性特點(diǎn)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(dá),又是對(duì)其性質(zhì)的解釋。如果說(shuō),現(xiàn)象是對(duì)微粒存在或變化的揭示,數(shù)量則隱含著對(duì)微粒存在及數(shù)量的確認(rèn),體現(xiàn)了自然科學(xué)對(duì)量變與質(zhì)變關(guān)系的解讀。本教學(xué)有效促進(jìn)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)間的依存關(guān)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(yīng)順序的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),充分反映出學(xué)生真切地感受到了“微觀粒子”的性質(zhì),從實(shí)驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí),“一次性加入、逐滴滴加”,“細(xì)滴管”、“正滴、反滴”等實(shí)驗(yàn)手段(隱含)體現(xiàn)了對(duì)控制實(shí)驗(yàn)變量的操作意義。宋心琦先生在“化學(xué)學(xué)科的現(xiàn)狀及基礎(chǔ)化學(xué)教育改革問(wèn)題”一文中明確提出:“要警惕化學(xué)教學(xué)和化學(xué)教材中的‘?dāng)?shù)學(xué)化’傾向”,主張“結(jié)合化學(xué)運(yùn)動(dòng)自身的更為基本的規(guī)律進(jìn)行研究”,反對(duì)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)只停留在對(duì)表面現(xiàn)象做一般性的觀察”。上述實(shí)踐就是在演示實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上(凸顯學(xué)科特色),通過(guò)計(jì)算的工具理性聚焦物質(zhì)的結(jié)構(gòu)(學(xué)科研究領(lǐng)域),讓計(jì)算過(guò)程融入了化學(xué)的學(xué)科意義,則有效回避了“