談微觀分析在化學教學中的作用

黃天明

（福建省南安國光中學 福建 南安 362321）

《普通高中化學課程標準》指出，化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其應用的一門基礎自然科學， 其特征是研究分子和創造分子。中學化學中許多概念、理論都是通過大量的實驗作為認知基礎的， 但大都是從微觀角度進行定義或闡述的。因為微觀揭示了事物一般的、本質的、深層次的特征與聯系，它使得人們的認識得以升華，并賦予化學這門學科以“精神”。正如宋心琦教授說過：“化學家的偉大之處在于，他能夠從如此大量的分子所經歷的億萬次變化的集合中，抓住事物和事件的本質，從原子或分子的角度來認識這一切，……。”從化學學習的角度看，微觀分析對于理解、記憶物質的性質、現象等宏觀知識是極為有利的，它使得原本復雜的宏觀知識變得條理清晰有序， 克服了學生死記硬背的弊端，并能夠從科學的角度不斷地修正我們對宏觀認識的一些錯誤。從某種意義上說，對物質的認識由宏觀到微觀，是化學學科的一個重要的進展，也是化學科學現代化的標志之一。因此，中學化學教學必須使學生在學習化學能從微觀角度分析與認識物質的宏觀狀態與性質。

一、微觀分析能有效幫助學生理解化學基本概念

中學化學中有很多概念是比較抽象的， 在講解時，單純地從宏觀的教學手段如實驗、掛圖或打比喻等方法，經常遇到課堂氣氛沉悶，學生動力不足，容易懈怠，學習效果不明顯等難題。學生理解概念比較含糊，容易混淆，影響以后的化學學習。教師可以通過圖解（包括動畫）等形式來進行微觀分析，幫助學生理解概念。

如蘇教版《化學1》講授強弱電解質時，通過比較0．1mol／L 鹽酸和醋酸溶液的導電能力 （燈泡亮度）強弱，說明電解質在水溶液中電離程度不同，有完全和不完全電離之分，也即有強弱之分。其實，在教學中學生仍難于理解由于它們的電離程度不同導致導電能力不同。據此，我再結合下圖（圖1）對鹽酸和醋酸在水溶液中的電離情況進行微觀分析：

圖1

學生很容易對強弱電解質作出如下比較：

?

這種分析方法直觀形象地表達了強弱電解質溶液中溶質粒子的存在形式和電離程度， 學生很輕松地得出同濃度的鹽酸和醋酸溶液，由于電離程度不同，自由移動離子濃度不同，所以導電能力就不同，避免了對學生“空洞”的講解，學生感受深刻，學習效果明顯。

再如講解電解質溶液中存在著電荷守恒、物料守恒和質子守恒等三個守恒時，學生存在的問題主要是不知道電解質溶液中有哪些微粒，也就無法理解這三個守恒。若通過以Na2CO3溶液為例作如下分析：Na2CO3溶液中存在著CO32－＋H2O ?HCO3－＋OH－、HCO3－＋H2O?H2CO3＋OH－和H2O?H＋＋OH－三個平衡，所以溶液中有Na＋、CO32－、HCO3－、H2CO3、OH－、H＋和H2O 七種微粒。學生很容易看出溶液不顯電性是因為陰陽離子的電荷總數相等， 溶液中CO32－、HCO3－、H2CO3都是來自于碳酸鈉中的碳酸根離子，HCO3－、H2CO3、H＋中氫原子和OH－都是來自于H2O 的電離其數目是相等的。通過這樣的分析，學生的主動性得到充分調動，課堂氣氛變得輕松活躍，教學效率明顯提高。

二、微觀分析能有效幫助學生理解化學反應實質

大家知道，化學變化是在原子的基礎上重新組合的結果。教師雖然在課堂上經常通過生動有趣的化學實驗現象來揭示物質的化學性質，但是學生對化學反應的理解常常停留在表面的實驗現象上，對化學反應的實質缺少了解。通過微觀分析，能形象生動地表現分子、原子等微觀粒子的運動特征，變抽象為形象，讓學生直觀形象地認識微觀世界，更容易理解化學變化的實質。

如講授離子反應時，蘇教版《化學1》利用氯化鈣溶液和澄清石灰水分別與碳酸鈉溶液反應， 都觀察到生成白色的CaCO3沉淀， 說明這兩個反應的實質相同。雖然學生能感受到都是產生白色沉淀這個相同現象，但仍無法知道它們的真正實質。教學時，我通過下列圖形（圖2、圖3）進行微觀分析，收到了較好的效果。

圖2

圖3

學生體驗到兩個反應都是溶液中CO32－和Ca2＋反應生成CaCO3沉淀，也即CO32－＋Ca2＋＝CaCO3↓，而Na＋和Cl－，Na＋和OH－均沒有參加反應，這就是上述兩個反應的真正實質。

再如講授取代反應時，蘇教版《化學2》中用甲烷和氯氣的分子式表示甲烷和氯氣反應的化學方程式，說明取代反應是有機物分子里的某些原子或原子團被其他原子或原子團所代替，這種靜止的反應式無法讓學生感受甲烷分子中的氫原子被氯原子代替的過程。若通過甲烷和氯分子的微觀結構并結合動畫形式演示甲烷和氯氣的取代反應效果就不一樣了，學生能感受“取代”的動態過程，記憶就會加深。可見，在化學反應的教學時，微觀分析能夠使學生在學習化學時真正抓住反應的本質， 做到宏觀與微觀有機地統一，學生的思維能力進一步地得到提升。

三、微觀分析能有效幫助學生理清化學計算思路

在中學化學計算的教學時，盡管我們介紹了許多方法，如守恒法、差量法、極值法、平均值法、關系式法等等，但是很多學生仍然不會用，遇到化學計算題仍無從下手，束手無策。究其原因是學生對化學計算題中涉及的化學過程不清楚，思路不暢通，無法建立已知量與未知量之間的關系。教學時我引導學生通過微觀分析把題目中的化學過程展示出來，學生從這個過程中能迅速地建立已知量與未知量之間的關系，找出解題的思路，有效突破解題的難關。

例1：ag 某KOH 溶液跟ag 某硝酸溶液混合，恰好完全反應， 所得溶質的質量分數為10．1%的溶液，將此溶液恒溫蒸發掉0．99ag 水后， 成為t℃時的飽和溶液。求：

（1）所取KOH 溶液中溶質的質量分數；

（2）反應后所得溶液中溶質在t℃時溶解度。

解析：本題微觀分析如下（圖4）：

圖4

從上得知：KOH 溶液與HNO3溶液完全反應得到KNO3溶液， 根據質量守恒定律，KNO3溶液的質量為2ag，溶質KNO3的質量為2ag×10．1%g，依化學方程式KOH＋HNO3＝KNO3＋H2O 的關系求得KOH 的質量為0．112ag， 從而求得KOH的質量分數＝0．112ag／ag×100%＝11．2%； 再根據S∶（100g＋S）＝2ag×10．1%∶（2a－0．99a）g，求得t℃時KNO3的溶解度S＝25g。

例2： 將30g 鐵片放入CuSO4溶液中片刻后，沖洗烘干后稱量質量成為31．6 g，求生成銅的質量？

解析：本題微觀分析如下（圖5）：

圖5

可見，鐵片放入CuSO4溶液前后的質量之差是生成Cu 的質量與參加反應Fe 的質量之差，未參加反應Fe 的質量不變，故設生成銅的質量為x。

答：生成銅12．8g。

例3：碳酸銅和堿式碳酸銅均可溶于鹽酸，轉化為氯化銅。在高溫下這兩種化合物均能分解成氧化銅。溶解28．4g 上述混合物，消耗1mol／L 鹽酸500mL。灼燒等質量的上述混合物，得到氧化銅的質量是（ ）

A．35g B．30 g C．20 g D．15 g

解析：本題微觀分析如下（圖6）：

圖6

以上分析得出：CuCl2溶液中Cl－來自于1mol／L 500mL 的鹽酸為0．5mol，所以Cu2＋為0．25mol，根據銅元素的守恒得出灼燒后CuO 質量為0．25mol×80g／mol＝20g。

四、微觀分析能有效幫助學生設計和分析實驗方案

化學實驗方案的設計涉及到氣體制備、除雜、收集和性質，物質的提純和分離，物質的檢驗等。學生除了應該熟練地掌握實驗基本操作外，更應該熟練地掌握實驗原理，只有弄清實驗原理，才能結合實驗基本操作進行實驗方案的設計。因此，理解化學實驗原理是實驗設計的關鍵，也是實驗教學的難點，教學時通過微觀分析能較好地突破這一難點。

如講授用BaCl2溶液、Na2CO3溶液、NaOH 溶液和鹽酸這四種試劑進行粗鹽的提純 （除去NaCl 中的SO42－、Ca2＋、Mg2＋）時，啟發學生在食鹽中要除去SO42－應加入BaCl2溶液，除去Ca2＋應加入Na2CO3溶液，除去Mg2＋應加入NaOH 溶液。要使食鹽達到食品的安全標準，需要將其中的雜質除盡，所加的試劑均應過量。值得注意的是過量的試劑又會引入新的雜質，因此后續加入的試劑既能除去雜質又能除去前步加入過量的試劑。那么這些試劑的添加順序如何呢？于是，我結合離子間的反應關系，并對四種方案進行微觀分析：

方案一 （圖7）： 試劑加入順序：BaCl2→NaOH→Na2CO3→HCl。

圖7

方案二（圖略）：試劑加入順序：BaCl2→Na2CO3→NaOH→HCl。

方案三（圖略）： 試劑加入順序：NaOH→BaCl2→Na2CO3→HCl。

方案四（圖略）：試劑加入順序：Na2CO3→BaCl2→NaOH→HCl。

通過以上分析可以看出，加入除雜試劑的正確順序是：（1）BaCl2→NaOH →Na2CO3→HCl；（2） BaCl2→Na2CO3→NaOH→HCl；（3） NaOH→BaCl2→Na2CO3→HCl。只要Na2CO3加在BaCl2之后便合理且最后加入的鹽酸只能適量。

高考化學實驗試題是一種綜合性強、信息量大、涉及的化學實驗基本操作多， 思維容量大的題目，它要求學生能做到根據試題進行設計、評價或改進實驗方案。學生對這類試題往往由于實驗原理不清楚，實驗意圖不知道，做題時瞎蒙，以致得分率很低。微觀分析能有效地幫助學生弄清實驗原理，形成正確的解題思路，避免解題的盲目性。

如（2011年福建高考理綜25）化學興趣小組對某品牌牙膏中摩擦劑成分及其含量進行以下探究：

查得資料：該牙膏摩擦劑由碳酸鈣、氫氧化鋁組成；牙膏中其它成分遇到鹽酸時無氣體生成。

Ⅱ．牙膏樣品中碳酸鈣的定量測定

利用下圖（圖11）所示裝置（圖中夾持儀器略去）進行實驗，充分反應后，測定C 中生成的BaCO3沉淀質量，以確定碳酸鈣的質量分數。

圖11

依據實驗過程回答下列問題：

（3）實驗過程中需持續緩緩通入空氣。其作用除了可攪拌B、C 中的反應物外，還有_______________。

（4）C 中反應生成BaCO3的化學方程式是______。

（5）下列各項措施中，不能提高測定準確度的是____________（填標號）。

a．在加入鹽酸之前，應排凈裝置內的CO2氣體

b．滴加鹽酸不宜過快

c．在A—B 之間增添盛有濃硫酸的洗氣裝置

d．在B—C 之間增添盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣裝置

（6）實驗中準確稱取8．00g 樣品三份，進行三次測定，測得BaCO3平均質量為3．94g 。則樣品中碳酸鈣的質量分數為 ___________。

（7） 有人認為不必測定C 中生成的BaCO3質量，只要測定裝置C 在吸收CO2前后的質量差，一樣可以確定碳酸鈣的質量分數。實驗證明按此方法測定的結果明顯偏高，原因是________________________。

解析：本題微觀分析如下（圖12）：

圖12

依上述分析，本實驗是通過測定C 中生成的BaCO3沉淀質量，以確定碳酸鈣的質量分數。只有Ba（OH）2吸收的CO2全部來自于牙膏樣品與鹽酸反應產生的，測定結果才是準確的， 所以實驗前要排除裝置中的CO2， 實驗過程中要防止空氣中的CO2進入Ba（OH）2溶液中被吸收，并將牙膏樣品與鹽酸反應產生的CO2全部排入足量的Ba（OH）2溶液中被吸收生成BaCO3沉淀。所以本題的答案：（3）實驗過程中需持續緩緩通入空氣，把生成的CO2全部排入C 中，使之完全被Ba（OH）2溶液吸收，（4） 化學方程式是CO2＋Ba（OH）2＝BaCO3↓＋H2O。（5）在加入鹽酸之前，應排凈裝置內的CO2氣體，才不會影響測量。在A—B 之間增添盛有濃硫酸的洗氣裝置，因為整個裝置中不需要干燥，有水份不會影響CO2吸收。在B—C 之間增添盛有飽和碳酸氫鈉溶液的洗氣裝置，C 瓶中是足量Ba（OH）2，可以吸收CO2中的HCl，而不影響CO2吸收，所以不需要除去CO2中的HCl，選cd。（6）樣品中碳酸鈣質量分數為25%。（7）Ba（OH）2溶液還吸收了水蒸氣、氯化氫氣體等，造成質量偏大，所以可以回答B 中的水蒸氣、氯化氫氣體等進入裝置C中。

因此，教師在平時的實驗教學中，不但要注重學生掌握化學實驗基本操作，而且要引導學生從微觀角度分析實驗原理， 啟發學生進行實驗方案的設計、評價和改進， 培養學生抽象思維能力和邏輯思維能力，從而提高學生的實驗設計能力。

綜上所述，從學生“學”的角度看，微觀分析能促進學生有意義的學習和創造性的學習，最終實現學會學習。從教師“教”的角度看，微觀分析能改變學生的認知結構，引導學生從微觀的角度認識和理解物質的性質、現象和化學的基本原理，加深對化學知識的記憶，提高學生分析問題和解決問題的能力，幫助學生形成化學基本觀念， 培養學生化學的基本思想方法，切實提高教學效率。

［1］黃婕．“宏觀—微觀—符號”三重表征的化學學習研究［D］．濟南：山東師范大學碩士論文，2005

［2］熊新華．論化學學科教學的價值［J］．中學化學教學參考，2011，（4）