基于“物質微粒觀”的氣體實驗室制法教學

【摘要】以氯化氫的實驗室制法為例，在物質微粒觀的基礎上緊緊圍繞氣體實驗室制法這一任務設計教學，有利于學生掌握原理及各裝置之間的聯系，以達到構建完整知識體系、提升思維力、逐步形成基本化學觀。

【關鍵詞】物質微粒觀 ?氯化氫 ?氣體實驗室制法

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）16-0160-02

如何培養學生的“物質微粒觀”？教師應該多從學生的視角出發，借助實驗來體會微粒觀實質是建立一種宏觀與微觀的聯系，通過設計問題鏈進行師生和生生互動來加深這種認識，在討論過程中恰當利用圖片、模型、動畫模擬等多種資源，使微觀變化形象化幫助學生形成正確的微粒觀。筆者以上科版的高一第一學期化學教材“氯化氫的實驗室制法”教學設計為例，呈現這方面的一些做法。

1.教學內容分析

“以食鹽為原料的化工產品”是上科版高一化學“開發海水中的鹵素資源”中的一節，其中“氯化氫的制取”這一教學內容一直是本節課教學的重點和難點。通過該內容的教學，讓學生認識理解氯化氫的微粒性和特性。氯化氫的實驗室制法是高中氣體制備的重要組成部分，是高一學生接觸的第一種新氣體，該制取方法有別于氧氣、氫氣、二氧化碳氣體的實驗室制法，是對常見氣體制備方法的一個提升，有助于在探究過程中螺旋式提升和完善學生氣體制備的知識體系。

本節課的教學重點和難點是引導學生掌握氯化氫制備的原理和方法，裝置的設計中發生裝置和尾氣吸收裝置的設計都是教學的重點也是學生學習的難點。按照以往的教學經驗，往往是采用先分析閱讀教材獲得反應方程式，比較實驗室制取氧氣和二氧化碳的方法設計裝置圖，最后考慮環保所以進行尾氣吸收。由于整個學習過程從宏觀上泛泛而談，主要采用接受式學習，最后的結果是學生對于氯化氫實驗室制法的一般思路容易遺忘，造成知識掌握不扎實。

由微觀粒子的特征推出氯化氫的收集方法，從氯化氫的微觀組成入手分析選擇合成氯化氫氣體的原理，由原理設計制取氯化氫氣體的裝置，借助氯化氫的結構性質優化裝置設計，引導學生真正掌握氣體實驗室制法的一般思路，為以后氣體實驗室制法的學習打下基礎。

2.學生實際情況分析

學生對實驗室氣體制備的認識來源于九年級氧氣和二氧化碳的制備，彼時面向的學生群體是義務教育的最后階段，其課標的要求是制取和收集氣體，了解科學探究的一般過程，學生僅靠死記完全可以達到課標要求，并未建立起物質微粒觀的概念。現在的學生群體是經歷了中考篩選的高一學生，其課標要求是實驗室制備氣體的一般方法，了解和體驗科學研究的一般過程。其對學生的分析、綜合、歸納、應用等科學思維方法的要求更高，只有建立微觀和宏觀之間的聯系，自覺從微觀角度思考宏觀現象，才能形成對物質性質及其變化規律的科學認識，才能從本質上認識物質制備的一般過程。

3.基于微粒觀的氯化氫實驗室制法的教學設計

從微觀角度分析合成氯化氫的原理和方法，依據原理選擇優化裝置，有助于學生微粒觀的建構。下圖為教學過程設計圖：

3.1分析氯化氫的收集方法體會微粒觀

【引入】教師拿出一瓶碳酸鈉固體表示固體可以放在廣口瓶中帶著，又拿出一瓶鹽酸溶液說明液體可以放在細口滴瓶中帶走，如何帶著一瓶氯化氫氣體呢？

生：用蓋著毛玻璃片的集氣瓶裝氯化氫氣體，防止氣體外溢。

師：氣體為什么會外溢呢？

生1：因為氣體會擴散。

生2：因為氯化氫氣體是由許許多多的氯化氫分子構成的，分子會做無規則的熱運動。

師：氯化氫分子之間間距比較大，而且在做無規則的熱運動，沒有密閉容器的束縛，它就會淘氣的亂跑。那么有誰能設計一個實驗能讓我們看見氯化氫氣體外溢了呢？

此時學生陷入沉思。教師向學生展示裝有氯化氫氣體的瓶子，讓學生觀察打開橡皮塞之后的現象。

生：看到瓶口上方有白霧，聞到一股刺激性氣味。

師：聞到刺激性氣味是因為氯化氫分子在無規則熱運動的過程中有部分進入了我們的嗅覺器官。白霧是因為外溢的氯化氫分子大量進入空氣中的水分子，形成了許多小液滴，這些小液滴就是鹽酸。

【思考】氯化氫和鹽酸有無不同？其微觀視角存在什么差異？ 【結論】氯化氫和鹽酸的微觀比較

師：那我們應該采用哪種方法收集氯化氫氣體呢？

生：不能用排水法，因為有水就是鹽酸了，只能用向上排空氣法，因為氯化氫比空氣重。

師：你們判斷氯化氫比空氣重的依據是什么？

學生再次陷入沉思。教師向學生展示兩瓶同樣容器（同質量同體積）裝著的氯化氫氣體和空氣。你們能判斷它們的輕重嗎？

師：氯化氫分子雖然小但是它還是有質量的，它的質量是一個氫原子質量和一個氯原子質量的加和，但是太輕了，化學上一般用相對分子質量來表示，氯化氫的相對分子質量約為36.5，空氣的相對分子質量為29，所以氯化氫分子重。

師：由于溫度壓強一樣，同體積的容器中氯化氫分子的個數與空氣相近，所以氯化氫比空氣重。

設計意圖：進入高中，學生的邏輯思維能力日趨成熟，不再滿足于對物質的性質和變化現象作宏觀的感性的認識，試圖深入物質的內部結構、從微觀層面揭示物質的性質和變化的本質與規律。由學生比較熟悉的氣體收集方法入手，從微觀本質對其進一步深化理解，在探究的過程中順其自然的引出氯化氫和鹽酸微觀差異比較，幫助學生體會物質微粒觀，為下一階段制取氣體化學原理的分析選擇作鋪墊。

3.2由結構分析氯化氫的制取運用微粒觀

師：從氯化氫的結構分析，哪些方法可以獲得氯化氫？

生生互動：自然界中能直接提供氯化氫分子的物質沒有。提供氫原子（離子）的物質有：H2、H2SO4、HNO3等，提供氯原子（離子）的物質有：Cl2、NaCl等。可能發生反應生成氯化氫的是： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 點燃

方案一：H2+Cl2→2HCl

方案二：H2SO4+2NaCl→Na2SO4+2HCl

方案三：HNO3+NaCl→NaNO3+HCl

師：選擇哪種方案來制備氯化氫？

生1：從氯化氫和鹽酸的微觀比較可以得出結論不能有水。硝酸中一定含有大量水，所以不能用硝酸。

生2：點燃法制得的氯化氫中肯定混有大量的氫氣和氯氣，三種氣體分子混合在一起都在做無規則的熱運動，在實驗室條件下分離出比較純凈的氯化氫有困難。

師生互動：方案二要使反應能夠進行就要保證氯化氫分子外逸，一是不能有水所以采用濃硫酸和固態氯化鈉，二是高溫有利于氣體外逸，可以采用加熱的方法。

出最適合實驗室制取氯化氫氣體的反應原理;在選擇化學原理的過程中感受反應條件對化學反應的決定作用，進一步強調反應條件在化學反應中的重要性，建立宏觀—微觀—符號互相聯系的思維方式，初步嘗試運用微粒觀解決問題。

3.3借助優化實驗室制備裝置深化微粒觀

師：請設計實驗室制備氯化氫氣體的裝置。

生1：用圓底燒瓶先混合氯化鈉固體和濃硫酸，再以酒精燈加熱。帶橡皮塞的導管導出氣體用向上排氣法收集氣體于集氣瓶中，用毛玻璃片蓋住瓶口。

生2：選擇裝置，搭建自制模型

[學生]發生裝置+收集裝置（圖1）

師：收集了一集氣瓶的氯化氫氣體，多余的氣體怎么辦？ 生3：多余的氯化氫氣體有刺激性氣味，氣體分子外逸會造成環境污染，所以再用容器收集起來。

生2：氯化氫分子非常喜歡水分子，空氣中的一點水蒸氣就可以讓它形成白霧（小液滴），如果多一點的水吸收，肯定可以使它都變成鹽酸。

[學生]發生裝置+收集裝置+尾氣吸收裝置（圖2）

師：教師把事先收集的一試管氯化氫氣體拔去橡膠塞倒扣在裝有大量水的燒杯中。實驗裝置如圖3。

觀察到液面上升，溶液進入試管。導管的口徑比試管還要小，溶液肯定會進入導管，甚至倒吸入集氣瓶中。學生都陷入了沉思。

師：能不能設計裝置不讓溶液倒吸入集氣瓶？

生4：在尾氣吸收裝置之前再加一個容器，如果倒吸就進入增加的這個容器內。

生5：也可以向上提玻璃導管，使之位于近液面處。

師：玻璃導管在液面之上，正下方的液面吸收氣體分子近飽和不能再吸收氣體分子，會擠壓氣體向外呈一個三角形，類似化學儀器——漏斗，玻璃導管下再接一個倒扣的漏斗。

[視頻]動畫模擬該裝置的防倒吸現象。

[學生]發生裝置+收集裝置+尾氣吸收裝置（圖4）

學生都發現問題：帶毛玻璃片的集氣瓶不能接在裝置中，怎么辦？

生生互動：為了保證氣密性，考慮集氣瓶和廣口瓶磨砂位置的不同，把收集裝置的集氣瓶改為帶雙玻璃導管的廣口瓶。

師：這一廣口瓶氣體都是氯化氫分子嗎？

生：可能還會有空氣中的氮氣分子、氧氣分子等。可以取下廣口瓶右側的玻璃導管用濕潤的藍色石蕊試紙檢驗。

生：可能會有水蒸氣。濃硫酸有干燥作用，收集之前可以不用干燥，收集之后尾氣吸收裝置之前可以再加一個雙孔塞的裝有濃硫酸的廣口瓶，防止水分子的進入。

生：收集裝置之后直接加一個裝有堿石灰的干燥管或U型管，起吸收尾氣和干燥的作用。

【任務】根據不同的氣體的制備特點，結合學過的氧氣、二氧化碳的制備實驗，總結氣體制備的原理、裝置和除雜規律。

設計意圖：在學生已有的知識基礎上，緊緊圍繞氯化氫分子的結構特點，以問題促思維，建立起微觀和宏觀之間的聯系，在微觀和宏觀之間不斷轉換，幫助學生自覺用微粒觀來解決宏觀問題，建構完整氣體實驗室制法的思維腦圖。以問題“能不能設計裝置不讓溶液倒吸入集氣瓶？”進一步拓展思維，經歷體驗、獨立思考的過程，在形成實驗室氣體制取的一般思考方式的同時培養了學科素養、提升了思維能力、實現了知識與學科教育價值的有效結合，同時體現了“綠色化學”的思想。

4.實踐與反思

物質是由微粒按照一定方式構成的，物質的結構決定了物質的性質，物質的性質決定了物質的制法、用途等。所以在化學學習的過程中，建立物質微粒觀是非常重要的。

本課時的教學時刻圍繞“如何獲得一試劑瓶的氯化氫氣體“這個任務展開討論，從微觀視角分析氯化氫分子的收集，氯化氫分子的獲得，多余氯化氫分子的吸收，如何保證獲得氯化氫的純凈。在教學設計中引入自制教具，通過教具的搭建，形象展示了學生的設計方案，減少了創新的神秘感，降低了創新在學生認識中的高度，再次激發了其創新意識，進行創新教育。

通過該設計展示了化學的魅力在于把不可以反應的物質通過改變條件、狀態等變成可以反應，展示了化學創造新物質的正面形象。在方法探究中感受化學家合成新物質的艱辛，培養勇于探索不畏艱辛鍥而不舍的精神。學生通過化學知識的學習，所形成的從化學獨特的視角認識事物、解決問題的思想、方法和觀點，即根植于學生頭腦中的基本化學觀念、科學世界觀。而這正是一代一代化學教師為之努力的目標。

參考文獻：

[1]姚子鵬.上海市高級中學課本化學高中一年級第一學期（試用本）.上海：上海科學技術出版社，2013年5月第7次印刷：27-29

[2]王瑤.基于“任務驅動”優化教學設計的課例研究——以“乙酸乙酯的制取”新授課為例[J].化學教學，2016（07）：35-38.

作者簡介：

管國琴（1977-），女，大學本科，中學高級，研究方向：化學教學研究。