從定量角度促進學生對物質化學性質的理解

王新文

摘要：“結構決定性質”的學科內涵已被必修教學嚴重弱化，“化學以實驗為基礎”的學科內涵已被必修教學膚淺化。在必修教學中能否將其有效整合，實踐表明“在實驗題材背景下計算→實驗→結構”的教學既有利于學生將“微粒觀、變化觀和實驗觀”相融合，也能促進學生在學科視域內全面而深刻地理解必修教材中化學計算的意義。

關鍵詞：必修教材定量計算；碳酸鹽化學性質；實驗；結構

文章編號：1005–6629（2013）9–0030–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在必修教材元素化合物性質教學中，往往重視化學實驗的詮釋或驗證作用，卻忽視了實驗中物質間數量關系之于物質結構的意義，能否選取重要教學主題從定量角度幫助學生建立“性質-結構”對應關系，引導學生感悟這種“見著知微”的物質研究方法呢？本文通過“碳酸鈉、碳酸氫鈉與稀鹽酸的實驗”進行說明。

1 教學意圖

“碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質”是人教版《化學1》第56頁[1]“科學探究”的內容。教材重點就二者外觀、溶于水的熱量變化、熱穩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……[2]”。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。將等質量二者（約1 g）迅速加入等體積等濃度足量稀鹽酸（2.0 mol/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原因。學生基本上無法理解這種微觀解釋，僅能識記其現象差別。

∴ 碳酸鈉過量，故，V（CO2 ）=0.112 L。

[師]若按此計算，概括隨HCl用量的增加依次出現的現象。

[生] 00.01 mol，HCl和Na2CO3反應，產生氣泡。

[師]“量的節點揭示著質的變化”，那么“質變”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、結果及分析。

[生]取3 mL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的地方，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3 mL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]看來又有新發現。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、結果及分析。

[生]（展臺投影）我們分別取了3 mL NaHCO3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0.1 mol/L稀鹽酸5滴，之后又向碳酸鈉中繼續滴加了稀鹽酸。

我們的分析是：如果生成CO2是主要反應的話，那開始加（?。}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，那么后來的現象應該和碳酸氫鈉開始的現象相似，對嗎？你認為現象相似嗎？

[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，則碳酸根會迅速轉變為CO2。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。可見，碳酸鈉溶液和稀鹽酸的反應現象是有條件的。

2.3 探究氫氧化鈉和碳酸鈉與稀鹽酸反應的先后

[師]下面我們繼續設法考量“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），發現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3 mL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，如果出現白色沉淀，就說明稀鹽酸先和氫氧化鈉發生了反應。

[師]能說說原理嗎？

3 教學反思

物質在變化中呈現出的現象，既是其結構的顯性表達，又是對其性質的解釋。如果說，現象是對微粒存在或變化的揭示，數量則隱含著對微粒存在及數量的確認，體現了自然科學對量變與質變關系的解讀。本教學有效促進了學生對結構和性質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，從實驗培養了其理性的思維。這為選修4將探究視角轉向溶液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“化學學科的現狀及基礎化學教育改革問題”[3]一文中明確提出：“要警惕化學教學和化學教材中的‘數學化傾向”，主張“結合化學運動自身的更為基本的規律進行研究”，反對“化學實驗只停留在對表面現象做一般性的觀察”。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的結構（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“泛數學化”現象。同時，對學生“微粒觀、變化觀和實驗觀”等基本化學觀念的融合起到積極的推動作用。

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第 3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56，57.

[2][3]化學課程教材研究中心編著.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）教師用書（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：39，44，120～128.