聚焦綜合素養(yǎng)著眼學(xué)科滲透

朱雷 姜紹南

摘 要：化學(xué)實(shí)驗(yàn)中裝置氣密性檢查、某些定性研究、定量測(cè)定和連續(xù)實(shí)驗(yàn)中均涉及氣體壓強(qiáng)差的應(yīng)用，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生探究、總結(jié)，可以幫助學(xué)生尋找解決問(wèn)題的關(guān)鍵，也能切實(shí)提高學(xué)生解決問(wèn)題的應(yīng)變能力和學(xué)科綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：氣體壓強(qiáng)；氣密性檢查；探究

一、問(wèn)題的提出

隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的廣泛實(shí)施，基礎(chǔ)教育改革越來(lái)越重視課程綜合化設(shè)置。淡化學(xué)科界限，強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉，在學(xué)科滲透教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生理科綜合能力、創(chuàng)新能力和提高學(xué)生綜合素養(yǎng)已成趨勢(shì)。近年來(lái)，化學(xué)中滲透物理學(xué)思維的試題屢見(jiàn)不鮮，其中有關(guān)氣體壓強(qiáng)的問(wèn)題更加普遍。縱觀歷屆中考試題，總結(jié)以下幾種類(lèi)型，借以提高學(xué)生解決問(wèn)題的應(yīng)變能力和學(xué)科綜合素養(yǎng)。

二、類(lèi)型及解析

1.氣密性檢查型

在進(jìn)行氣體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，都要對(duì)裝置進(jìn)行氣密性檢查。試題中也經(jīng)常會(huì)讓學(xué)生描述如何檢查氣密性的操作及相關(guān)現(xiàn)象，學(xué)生往往因缺乏理解而解答不到位甚至詞不達(dá)意。針對(duì)此現(xiàn)象，可以嘗試讓學(xué)生從最簡(jiǎn)單的裝置入手，給他們實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，在充分的感性認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上加以理解。

例如，圖1裝置氣密性檢查的操作常稱(chēng)之為“手焐法”：將導(dǎo)管的一端放入水中，手掌緊貼試管外壁，若導(dǎo)管的一端有氣泡冒出，則說(shuō)明氣密性良好。操作過(guò)程學(xué)生早已熟記于心，然而，學(xué)生是真正地理解了，還只是停留在死記硬背的層面？有道是“紙上來(lái)得終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，不妨先讓他們親自動(dòng)手，然后再提出問(wèn)題：①為什么要先將導(dǎo)管放入水中？②手焐的目的是什么？經(jīng)過(guò)一番思考、討論，學(xué)生得出將導(dǎo)管置于水中的目的是將氣體密封，“手焐”則是使氣體升溫而產(chǎn)生壓強(qiáng)變化，通過(guò)壓強(qiáng)變化而產(chǎn)生的現(xiàn)象可對(duì)裝置氣密性情況作出判斷。

若是如圖2，帶有長(zhǎng)頸漏斗的氣體發(fā)生裝置，該怎樣檢查氣密性？理論上也可以先關(guān)閉導(dǎo)管口的活塞，將裝置“倒立”，漏斗口置于水中采取“手焐法”來(lái)檢查，但存在由于漏斗口大而現(xiàn)象不明顯且操作不便的不足而被舍棄。此時(shí)，可以激發(fā)學(xué)生思考有沒(méi)有其他方式使氣體密封？在圖1裝置的啟發(fā)下，學(xué)生提出可以往裝置中注水，直至漏斗下端形成“液封”，然后關(guān)閉閥門(mén)，此時(shí)氣體處于密封狀態(tài)。繼續(xù)向長(zhǎng)頸漏斗中注水，如果氣密性良好，則由于裝置內(nèi)外存在穩(wěn)定的壓強(qiáng)差，漏斗內(nèi)液面不會(huì)下降，這種檢查方法稱(chēng)為“注水法”。當(dāng)然，也可以在導(dǎo)管口連接注射器，通過(guò)推拉注射器活塞來(lái)改變壓強(qiáng)，觀察漏斗直管內(nèi)液柱升降變化來(lái)判斷。圖3裝置與圖2類(lèi)似，具體步驟：關(guān)閉止水夾，向分液漏斗中加水，打開(kāi)分液漏斗活塞讓液體滴下，片刻后，若觀察到液體下滴的速度逐漸變慢，直到無(wú)法滴下，說(shuō)明氣密性良好，稱(chēng)之為“滴液法”。

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)和交流討論，學(xué)生就不難理解氣密性檢查的原理，有效提升了解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

典型試題1.下列裝置中，若不添加其他儀器，也不改變裝置結(jié)構(gòu)，就不能檢查出裝置是否漏氣的是：（AD）

判斷理由：A中由于分液漏斗上方與燒瓶間有一橡皮管相連，使燒瓶中氣體壓強(qiáng)與分液漏斗上方氣體壓強(qiáng)始終相等，雖然氣體處于密封狀態(tài)，但無(wú)法改變氣體的壓強(qiáng)，故不添加儀器無(wú)法檢查氣密性；D中由于兩只洗氣瓶?jī)?nèi)氣體都無(wú)法處于密封狀態(tài)，故也不可檢查氣密性。

典型試題2.在下列各圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置氣密性檢查中，根據(jù)現(xiàn)象判斷出漏氣的是：（D）

判斷理由：D中右側(cè)氣體雖然看似處于密封狀態(tài)，但根據(jù)液面始終保持水平說(shuō)明上下移動(dòng)過(guò)程中氣體壓強(qiáng)保持恒定，因而可判斷該裝置漏氣。

2.定性實(shí)驗(yàn)型

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有些現(xiàn)象，可以通過(guò)氣體壓強(qiáng)的變化得以放大，以便我們更直觀地了解物質(zhì)的性質(zhì)。譬如：在圖4和圖5裝置中，都連接了氣球，如果使氣球膨脹，那么該使用什么樣的藥品組合？面對(duì)此問(wèn)題，學(xué)生容易混淆。此時(shí)，可設(shè)計(jì)分組探究引導(dǎo)學(xué)生思考兩種情況下的“膨脹”原因是否相同？

【探究問(wèn)題1】根據(jù)如圖4裝置，思考讓氣球膨脹的藥品組合

【歸納總結(jié)】：該裝置中氣球連接在容器外部，若要使其膨脹，則必須要求容器中氣壓增大，藥品的類(lèi)型可以是能反應(yīng)生成氣體的組合，如：a.活潑金屬與酸反應(yīng)生成氫氣；b.二氧化錳催化雙氧水生成氧氣；c.碳酸鹽與強(qiáng)酸反應(yīng)生成二氧化碳。

【探究問(wèn)題2】根據(jù)如圖5裝置，思考讓氣球膨脹的四種方案

【歸納總結(jié)】與問(wèn)題1不同，該裝置中氣球連接在容器內(nèi)部，若要使其膨脹，則必須要求容器中氣壓減小，藥品的類(lèi)型可以是氣體被液體吸收的組合，如：a.酸性氣體被堿溶液吸收；b.堿性氣體被酸溶液吸收；c.溶解度大的氣體被水吸收。

在此基礎(chǔ)之上，還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究溫度對(duì)氣體壓強(qiáng)的影響，設(shè)計(jì)如下探究問(wèn)題：

【探究問(wèn)題3】根據(jù)如圖6裝置，思考讓U型管液面發(fā)生變化的物質(zhì)

【歸納總結(jié)】溫度升高→壓強(qiáng)增大；溫度降低→壓強(qiáng)減小

通過(guò)探究，總結(jié)出氣體壓強(qiáng)增大既可以是生成氣體也可以是放出熱量，反之氣體壓強(qiáng)減小既可以是消耗氣體也可以是吸收熱量。在探究教學(xué)中不僅提高了學(xué)生考慮問(wèn)題的綜合素養(yǎng)，更有利于學(xué)生把握實(shí)質(zhì)，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的應(yīng)變能力。

典型試題3.利用圖7裝置可以證明NaOH溶液與CO2發(fā)生反應(yīng)，操作過(guò)程中氣球的變化情況是先膨脹，后收縮。

寫(xiě)出導(dǎo)致氣球變化的化學(xué)方程式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑。

解析：利用NaOH吸收了瓶中的二氧化碳?xì)怏w，使裝置內(nèi)氣壓減小，大氣壓把氣球壓大，再滴加稀鹽酸時(shí)，生成的碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)，使瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)恢復(fù)，氣球恢復(fù)原狀。

3.定量測(cè)定型

化學(xué)中一些定量測(cè)定也利用到氣體壓強(qiáng)變化，如空氣中氧氣含量的測(cè)定，氣體體積測(cè)定等。氣體體積測(cè)定通常采用排液量氣法，利用氣體的壓強(qiáng)將液體壓入計(jì)量?jī)x器中，裝置一般由洗氣瓶和量筒組合而成，如圖9。也可利用量氣管裝置，如圖10。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，讀數(shù)時(shí)需讓氣體與外界大氣壓保持一致，如果反應(yīng)中放熱或吸熱的話(huà)，應(yīng)當(dāng)待恢復(fù)室溫才能讀數(shù)，如圖8燃燒紅磷測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，需將氣體冷卻至室溫才能讀數(shù)。若用量氣管測(cè)定氣體體積時(shí)，讀數(shù)時(shí)還應(yīng)將左右兩側(cè)液面高度調(diào)至相平。

當(dāng)然，對(duì)易溶于水的氣體，不能直接用排水法收集時(shí)，可以在水面上加一些有機(jī)溶劑，使氣體不與水接觸，比如測(cè)定氨氣的體積，由于氨氣不易溶于汽油，接觸不到水，通入的氨氣將水從右管排出，可以測(cè)其體積，如圖11。

典型試題4.測(cè)定某石灰石樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其方法是：將樣品與稀鹽酸反應(yīng)，測(cè)定反應(yīng)后生成CO2的體積，再根據(jù)體積換算為質(zhì)量，最后根據(jù)CO2的質(zhì)量求出樣品中碳酸鈣的質(zhì)量。圖12（Ⅰ）為大理石與稀鹽酸反應(yīng)的反應(yīng)裝置，（Ⅱ）用于測(cè)量CO2的體積。

（1）寫(xiě)出圖（I）中儀器的名稱(chēng)：①長(zhǎng)頸漏斗，②鐵架臺(tái)，③試管；

（2）檢查圖（I）裝置氣密性的方法是：向長(zhǎng)頸漏斗內(nèi)加水，至形成液封，在乳膠管上夾彈簧夾再加適量水，靜置一段時(shí)間后，若長(zhǎng)頸漏斗液面與試管內(nèi)液面差保持不變，說(shuō)明氣密性良好。

檢查圖（Ⅱ）裝置氣密性的方法是：在乳膠管上夾上彈簧夾，向量氣管加適量水，提高量氣管，一段時(shí)間后，若量氣管內(nèi)液面不下降，說(shuō)明氣密性良好；

（3）圖（Ⅱ）裝置中油層的作用是防止CO2溶于水。

（4）向下移動(dòng)量氣管，使反應(yīng)后兩邊液面相平（填操作方法）可使反應(yīng)后油層上方氣體壓強(qiáng)和外界大氣壓相同，此時(shí)排出水的體積即為生成二氧化碳的體積。

解析：本題實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際上是圖2和圖10的組合，在檢查氣密性時(shí)要注意將兩裝置連接處的乳膠管夾緊，使左側(cè)裝置處于密封狀態(tài)。而最后讀數(shù)時(shí)由于量氣管內(nèi)液面高與左側(cè)儲(chǔ)氣管，所以讓左右液面相平的辦法是向下移動(dòng)量氣管。

總之，利用氣體壓強(qiáng)差進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)還有很多，在教學(xué)中教師要善于發(fā)現(xiàn)和及時(shí)總結(jié)，只有在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究的基礎(chǔ)之上幫助學(xué)生弄清本質(zhì)，才能切實(shí)有效地提高學(xué)生解決問(wèn)題的應(yīng)變能力和綜合學(xué)科素養(yǎng)。

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