學(xué)以致用 用以促學(xué) 學(xué)用相長(zhǎng)
——例析質(zhì)量守恒定律應(yīng)用的教學(xué)策略

洪 濤

(云南大學(xué)附屬中學(xué)，云南 昆明 650031)

質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)是義務(wù)教育階段學(xué)生開始認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)中的各物質(zhì)之間存在定量關(guān)系，初步形成變化觀的關(guān)鍵。同時(shí)也是從定性向定量的角度認(rèn)識(shí)和研究化學(xué)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，是學(xué)生書寫化學(xué)方程式和進(jìn)行化學(xué)計(jì)算的理論依據(jù)。對(duì)質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)我們一般引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“認(rèn)識(shí)-理解-應(yīng)用”三個(gè)思維發(fā)展過(guò)程，“應(yīng)用”是學(xué)習(xí)的最終目的，是學(xué)習(xí)的動(dòng)力源泉，是學(xué)習(xí)的重要途徑，是學(xué)習(xí)成效的重要檢驗(yàn)標(biāo)尺。

1 提升理性認(rèn)識(shí)能力

例1 你認(rèn)為“水變汽油”是否可行，請(qǐng)說(shuō)明理由。

【教學(xué)策略】“水變汽油”可能大部分學(xué)生都知道是不可行的，但理由是什么，如何表達(dá)，學(xué)生就犯難了。我們應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生作出理性判斷，需要“擺事實(shí)、講道理、作結(jié)論”。對(duì)于“水變汽油”這一變化而言，事實(shí)：汽油中主要含有碳、氫兩種元素，水由氫、氧兩種元素組成，不含碳元素；原理：化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不發(fā)生改變；結(jié)論：水變汽油不可行。

【遷移】將紅熱的木炭伸入濃硝酸中(HNO3)產(chǎn)生的氣體不可能是( )

A.NO2B.CO2C.O2D.SO2

解析：木炭和濃硝酸中都不含硫元素，不可能生成二氧化硫，答案為D。

2 求未知物質(zhì)的化學(xué)式

【教學(xué)策略】首先，我們要引導(dǎo)學(xué)生要明確由分子構(gòu)成的物質(zhì)的化學(xué)式，可以根據(jù)每個(gè)分子中所含的原子及其個(gè)數(shù)來(lái)確定；其次，學(xué)生要明確化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目不變，即原子守恒。而學(xué)生的障礙點(diǎn)可能是不知道從何處入手，怎么入手。因此，我們可以引導(dǎo)學(xué)生觀察化學(xué)方程式，從沒(méi)有未知物的一邊入手，本題從化學(xué)方程式的右邊入手，確定原子種類及其個(gè)數(shù)，即：C原子2個(gè)，O原子6個(gè)，H原子4個(gè)；然后，再看化學(xué)方程式的左邊(不算未知物)，C原子0個(gè)，O原子6個(gè)，H原子0個(gè)；對(duì)照右邊，不夠的原子需要X來(lái)補(bǔ)充，即：每個(gè)X分子要提供2個(gè)C原子和4個(gè)H原子，由此，可推斷X的化學(xué)式為C2H4。注意不能寫成2CH2。

【遷移】過(guò)氧化鈉化學(xué)式為Na2O2，可作為潛艇中的換氣劑。其中一個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式可表示為：2Na2O2+2CO2=2X+O2，X的化學(xué)式為。

【解析】我們從化學(xué)方程式左邊入手，左邊：Na原子4個(gè)，C原子2個(gè)，O原子8個(gè)；再看化學(xué)方程式右邊(不算未知物)，Na原子0個(gè)，C原子0個(gè)，O原子2個(gè)；對(duì)照左邊，可知2X要提供4個(gè)Na原子、2個(gè)C原子、6個(gè)O原子，即：每個(gè)X中含有1個(gè)Na原子、1個(gè)C原子、3個(gè)O原子，所以X的化學(xué)式為Na2CO3。

3 對(duì)化學(xué)反應(yīng)的微觀示意圖進(jìn)行分析

例3 甲醛燃燒可用如下微觀示意圖表示。下列敘述正確的是( )

A.該反應(yīng)為置換反應(yīng)；

B.參加反應(yīng)的單質(zhì)和化合物的質(zhì)量比為32∶15；

C.生成物均由兩種元素組成；

D.反應(yīng)生成了三種物質(zhì)。

【教學(xué)策略】對(duì)物質(zhì)及其變化進(jìn)行“宏觀、微觀、符號(hào)”表征是化學(xué)學(xué)科特有的思維方式。所以，我們首先要引導(dǎo)學(xué)生把這個(gè)變化用化學(xué)符號(hào)表征出來(lái)，根據(jù)每個(gè)分子中所含的原子及其個(gè)數(shù)來(lái)確定其化學(xué)式，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式，只有根據(jù)化學(xué)方程式才能計(jì)算反應(yīng)物、生成物間的粒子個(gè)數(shù)比和質(zhì)量比；其次，我們要引導(dǎo)學(xué)生注意不要被微觀示意圖中的表面信息所蒙蔽，微觀示意圖有時(shí)可能只展示了分子種類的變化，還沒(méi)有配平，還要注意給出的反應(yīng)物是否全部參加反應(yīng)。

觀察微觀示意圖，我們發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)前有2個(gè)氧分子，反應(yīng)后還有1個(gè)氧分子，說(shuō)明參加反應(yīng)的氧分子只有1個(gè)。根據(jù)圖示，反應(yīng)的化學(xué)方程式可表示為：

【遷移】汽車尾氣中常常存在某些有害氣體。部分有害氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體的微觀示意圖如下。下列敘述不正確的是 ( )

B.反應(yīng)后氮元素的化合價(jià)降低了；

C.反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目都沒(méi)有發(fā)生改變；

D.生成化合物和單質(zhì)的質(zhì)量比為11∶7。

4 進(jìn)行密閉容器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)計(jì)算及分析

例4 化學(xué)學(xué)習(xí)常用化學(xué)思維去認(rèn)識(shí)和理解世界，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的個(gè)數(shù)有

物質(zhì)甲乙丙丁反應(yīng)前質(zhì)量/g1051220反應(yīng)后質(zhì)量/g8530x

① 反應(yīng)中甲和丙的質(zhì)量比為1∶8；

②x=4；

③ 該反應(yīng)化合反應(yīng)；

④ 乙可能是催化劑；

⑤ 若甲與丁的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為2∶3，則其相對(duì)分子質(zhì)量之比為3∶16。

A.1個(gè) B.2個(gè) C.3個(gè) D.4個(gè)

【教學(xué)策略】首先，要引導(dǎo)學(xué)生明確以下幾點(diǎn)：①化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變；②化學(xué)反應(yīng)生成了其他物質(zhì)的同時(shí)，反應(yīng)物被消耗，所以質(zhì)量減少的物質(zhì)就是反應(yīng)物，減少的質(zhì)量就是參加反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量，質(zhì)量增加的物質(zhì)就是生成物，增加的質(zhì)量就是反應(yīng)生成的物質(zhì)質(zhì)量，質(zhì)量不變的物質(zhì)可能是反應(yīng)的催化劑，也可能是與反應(yīng)的無(wú)關(guān)物質(zhì)；③反應(yīng)中，各物質(zhì)的質(zhì)量比是固定的，質(zhì)量比等于相對(duì)分子質(zhì)量與化學(xué)計(jì)量數(shù)的乘積之比。

其次，解決此類問(wèn)題的基本思路：根據(jù)質(zhì)量變化關(guān)系→確定反應(yīng)物和生成物→寫出反應(yīng)的表達(dá)式→判斷反應(yīng)的基本類型→求出各物質(zhì)之間的質(zhì)量關(guān)系(等量關(guān)系或比例關(guān)系)。其中，解題的關(guān)鍵是找到反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量變化關(guān)系，試題常以多種形式呈現(xiàn)，如：表格、柱狀圖、餅圖、坐標(biāo)圖、刻度圖等。受昆明市教育科學(xué)研究院孫應(yīng)倫老師的啟發(fā)，我們可以把其他形式的信息轉(zhuǎn)化為表格信息。

根據(jù)題意，可將表格信息完善如表1。

表1 完善信息后的例4表格

【遷移】在一密閉容器中，有甲、乙、丙、丁四種物質(zhì)，反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系如下圖刻度紙所示(例如：丙的質(zhì)量為 5 g，丁的質(zhì)量為 3 g)，充分反應(yīng)后，在同一張刻度紙上再次記錄各物質(zhì)的質(zhì)量變化：刻度線Ⅰ向左移動(dòng)16格；刻度線Ⅱ向左移動(dòng)8格；刻度線Ⅲ向左移動(dòng)8格。下列說(shuō)法正確的是( )

A.該反應(yīng)是化合反應(yīng)；B.丙一定是催化劑；C.反應(yīng)后丁的質(zhì)量為 8 g；D.反應(yīng)生成的乙和丁的質(zhì)量比為1∶1。

【解析】本題反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量變化關(guān)系的呈現(xiàn)方式比較新穎，學(xué)生會(huì)感覺(jué)到比較陌生，以至可能讀不懂題，無(wú)從下手，我們可以結(jié)合題目信息在刻度紙上畫出反應(yīng)結(jié)束后的情況，如圖1所示。

圖1 反應(yīng)結(jié)束后的示意圖

再把反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系以表格的形式呈現(xiàn)如表2。

表2 以表格形式表現(xiàn)的反應(yīng)前后物資關(guān)系

反應(yīng)的表達(dá)式為：甲→乙+丁，屬于分解反應(yīng)，反應(yīng)中甲、乙、丁的質(zhì)量比=16 g∶8 g∶8 g=2∶1∶1。答案為D。

5 推斷物質(zhì)的組成

例5 某純凈物 9.2 g，在足量的氧氣中充分燃燒，生成 17.6 g 二氧化碳和 10.8 g 水。推斷該純凈物的元素組成；求出該純凈物中各元素質(zhì)量比及原子個(gè)數(shù)比。

解題思路：根據(jù)元素種類守恒，X中一定含有碳元素和氫元素，可能含有氧元素，再根據(jù)CO2質(zhì)量求出碳元素質(zhì)量，根據(jù)H2O的質(zhì)量求出氫元素質(zhì)量，C元素質(zhì)量+H元素質(zhì)量=X的質(zhì)量，則X中不含氧元素，若C元素質(zhì)量+H元素質(zhì)量

【遷移】某化合物在足量的氧氣中完全燃燒，消耗 6.4 g 氧氣，生成 8.8 g 二氧化碳和 3.6 g 水。下列判斷錯(cuò)誤的是 ( )

A.參加反應(yīng)的該化合物的質(zhì)量為 6.0 g；

B.該化合物一定含有碳、氫、氧三種元素；

C.該化合物中碳、氫、氧三種原子的個(gè)數(shù)比為2∶4∶1；

D.該化合物中，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為53.3%。

6 根據(jù)化學(xué)方程式的簡(jiǎn)單計(jì)算

例6 將 25 g 氯酸鉀和二氧化錳固體混合物加熱，充分反應(yīng)，冷卻后稱量固體的質(zhì)量為 15.4 g。計(jì)算反應(yīng)前固體中氯酸鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

【教學(xué)策略】第一，我們要引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)方程式，它可以表示反應(yīng)物、生成物各物質(zhì)間的質(zhì)量關(guān)系，即等量關(guān)系和比例關(guān)系，質(zhì)量比=相對(duì)分子質(zhì)量與化學(xué)計(jì)量數(shù)的乘積之比，準(zhǔn)確的質(zhì)量比是計(jì)算的關(guān)鍵，這就需要相對(duì)分子質(zhì)量和化學(xué)計(jì)量數(shù)要準(zhǔn)確，也就需要反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式要書寫正確，化學(xué)方程式要配平；第二，我們要引導(dǎo)學(xué)生分析題目中所給數(shù)據(jù)，只有實(shí)際參加反應(yīng)的反應(yīng)物質(zhì)量或生成的物質(zhì)質(zhì)量才能代入化學(xué)方程式計(jì)算；第三，我們可以通過(guò)教材中例題展示的步驟和方法引導(dǎo)學(xué)生建立解題模型，幫助學(xué)生建立計(jì)算的思路和規(guī)范的解題格式；第四，我們還需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維發(fā)散，可以通過(guò)化學(xué)方程式求出質(zhì)量比，計(jì)算相關(guān)物質(zhì)的質(zhì)量，同時(shí)也可以根據(jù)質(zhì)量比求出相對(duì)分子質(zhì)量或相對(duì)分子質(zhì)量之比，求出化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。

【解析】解題關(guān)鍵是找到哪種物質(zhì)的質(zhì)量可代入化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，我們要引導(dǎo)學(xué)生首先分析數(shù)據(jù)，25 g 是氯酸鉀和二氧化錳的混合物質(zhì)量，15.4 g 是氯化鉀和二氧化錳的混合物質(zhì)量，并非生成的氯化鉀的質(zhì)量，不能代入化學(xué)方程式計(jì)算。該反應(yīng)生成氧氣逸出，反應(yīng)后固體減少的質(zhì)量=生成的氧氣質(zhì)量，即生成的氧氣質(zhì)量=25 g-15.4 g=9.6 g。

解題模型如表3。

表3 例6解題模型

【遷移】在反應(yīng)A+3B═2C+2D中，已知A和C的相對(duì)分子質(zhì)量之比為7∶11，當(dāng) 5.6 g A與 19.2 g B恰好完全反應(yīng)后，則生成的D的質(zhì)量為。

【解析】將題目信息帶入解題模型如表4。

表4 帶入題目信息的解題模型

7 結(jié)語(yǔ)

質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用不僅僅只有這六個(gè)方面，它的學(xué)習(xí)和應(yīng)用貫穿于整個(gè)中學(xué)化學(xué)，對(duì)我們引導(dǎo)學(xué)生建立守恒觀念和形成守恒思想有著重要的作用。