促進學生深度學習的“物質的量”單元教學
——“氣態粒子的那些事”教學設計

洪 璐

(合肥市第七中學,安徽 合肥 230088)

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中在第四部分“課程內容”主題1化學科學與實驗探究中提出:了解物質的量及其相關物理量的含義和應用,體會定量研究在化學學科中的重要作用[1].由物質的量為核心概念,以摩爾質量、濃度、阿伏加德羅常數等化學概念為次要概念以及這些概念之間的相關聯系,共同構成了物質的量概念體系.

因此本文對高中化學“物質的量”進行單元內容整合,指出物質的量作為一種化學計量的工具,其過去、現在和將來都體現了科學發展的進程和延續,從而確定單元主題為——發展中的化學計量.

1 單元深度學習目標

該單元的教學目標見表1.

表1 單元教學目標

2 單元教學設計——以“氣態粒子的那些事”教學設計為例

環節一:探究物質體積大小的影響因素

【問題情境】根據所給數據算出對應體積,每組同學算一種物質,小組討論,尋找體積與物質的量之間的關系.

【學生活動】學生自己操作并記錄數據.

【成果匯報】1 mol任何氣體,無論是純凈氣體還是混合氣體,在標準狀況下,氣體體積都約為22.4 L.注意到只要溫度和壓強一定時,氣體摩爾體積是個定值,與氣體種類無關.

【設計意圖】這部分幫助學生喚起前一課時的關于物質的量和氣體摩爾體積所學內容,學生通過計算數據可以直觀感受到氣體摩爾體積與氣體種類無關,與溫度和壓強有關,并存在定量關系,引出下一環節的探究活動[2].

環節二:探究影響物質體積的因素

【問題引導】當溫度和壓強一定時,氣體摩爾體積是個定值.那么固體、液體的摩爾體積有什么規律呢?

【學生活動】觀察石墨烯的高分辨圖像按相同比例模擬下的氣體圖,并從微觀粒子的角度思考影響這些物質體積的因素.

【問題引導】影響不同狀態下物質體積的主要因素是什么?

【交流匯報】對于固體物質而言,微粒之間排列非常緊密,微粒本身的大小遠大于微粒間距,因此在微粒數目一定時,影響固體物質體積的主要因素是微粒本身的大小,而微粒間距可以忽略不計,液體物質由于和固體物質一樣都是緊密堆積,因此影響液體物質體積的因素與固體物質是一樣的.

【設計意圖】學生通過觀察固、液、氣三種微觀圖片,體會在微粒數目相同時,微粒間距與微粒大小對物質體積的影響.這種教學情境有助于學生由宏觀模型聯系到化學的微觀世界,便于想象和理解“影響物質體積大小的因素”.好的教學情境可以調動積極的學習氛圍.

環節三:探究影響氣體體積的主要因素

【問題引導】結合前面內容,影響氣體體積主要因素——微粒間距,是如何受溫度和壓強影響?氣體體積與溫度、壓強之間的定量關系是什么?

【學生活動】分組實驗,用蓋子堵住針筒出口,形成密閉體系,分別擠壓和抽動活塞,觀察針筒體積大小.再將針筒分別放在熱水、冷水中,觀察氣球體積變化.

【實驗展示】在探究氣體體積與溫度、壓強的定量關系時,可以借助手持技術實驗儀器,驗證波義爾定律和蓋·呂薩克定律.

【實驗2】用熱水澆灌針筒外壁,使用溫度傳感器測量流過針筒外壁水的溫度,記錄針筒的刻度變化,待針筒外壁自然冷卻后再記錄針筒的刻度,可以得到氣體體積與溫度之間的關系:V∝T.

【實驗3】將兩個分別裝有一定量的氯氣和空氣針筒,用帶開關的轉接管連接,記錄氣體刻度后,打開開關,觀察現象及針筒刻度的變化.觀察到,混合前后兩端針筒的刻度讀數并沒有改變,說明在恒溫恒壓下,任何氣體的微粒間距都是相同的,因此不反應的氣體體積與物質的量的關系:V∝n.

【討論匯總】從微粒角度來看,壓強或溫度改變,使氣體微粒間距發生變化,氣體體積發生改變;若溫度和壓強一定,任何氣體的微粒間距都相同,混合氣體體積可以直接加和.由此,形成數學定量關系式V∝nT/p,代入1 mol不同氣體在不同溫度和壓強下的體積數據,得到一個常數R,形成公式pV=nRT.

【科學史展示】這個公式在1834年就被發現,稱之為“理想氣體狀態方程”,也稱克拉伯龍方程.

【問題引導】請同學們利用pV=nRT,計算標準狀況下(T=273 K、p=101.325 kPa,n=1 mol,R=8.314 kPa·L3·mol-1·K-1)下的氣體摩爾體積,并考慮是否只有在標準狀況下,氣體摩爾體積才是22.4 L·mol-1?

【學生活動】代入數據,計算出標況下氣體摩爾體積≈22.4 L·mol-1,根據V=nRT/p知道,當壓強和溫度同時增大或減小時,V也可能是22.4 L·mol-1.

【設計意圖】學生從課堂活動和生活常識粗略的了解到“壓強越大氣體體積越小”“熱脹冷縮”等原理,而手持技術實驗可以讓學生更加精確地認識到壓強、溫度與氣體體積的定量關系,從感性認知上升到理性思維,從定性研究轉變到定量研究,為后面學習阿伏加德羅定律做好鋪墊.通過引入科學史,帶領學生循著科學家的腳步探索,讓學生充分體會到科學探究的樂趣[3].

環節四:推導阿伏加德羅定律、學習阿伏加德羅常數的歷史發展

【問題引導】根據公式pV=nRT,請描述T、p、V、n之間存在哪些定量關系.

【學生討論】相同溫度、壓強時,氣體的體積之比等于物質的量之比.

【原理揭示】阿伏加德羅定律揭示了微觀原子或分子的性質與物質的宏觀特性之間具有對應關系.

【問題引導】阿伏加德羅定律與阿伏加德羅常數有什么關系呢?

【科學史展示】很多人會誤以為阿伏加德羅常數是阿伏加德羅本人提出的,其實不然.阿伏加德羅只提出了阿伏加德羅定律,并沒有提出阿伏加德羅常數.1811年,阿伏加德羅提出,在同溫同壓下,相同體積的任何氣體都含有相同數目的分子.

這句話啟示人們,可以通過測定氣體體積來間接測定氣體分子數.1909年,法國物理化學家佩蘭用實驗證實了“分子”的客觀存在,為了紀念阿伏加德羅的貢獻,他測出并命名了“阿伏加德羅常數”這一名詞.

【討論匯報】阿伏加德羅常數是對阿伏加德羅定律的一個繼承和證明,而這中間相隔了近百年的時間,科學發展不是一帆風順的,也感受科學家在探索科學時的毅力與艱辛.

【問題引導】為什么人教版(2019)化學必修1中,定義阿伏加德羅常數的數值時,刪除了“與0.012 kg12C所含有的碳原子數相同”這句話?

【討論總結】科學計量標準在發展,阿伏加德羅常數如果一直依賴于12C質量的測量將永遠存在誤差.

【科學史展現】2018年11月,國際計量大會更改摩爾的定義,其定義將不再依賴于物質質量存在,而直接定位確定的量綱.

【設計意圖】通過理想氣體狀態方程,逐步推導出阿伏加德羅定律及其推論,從阿伏加德羅定律的意義體會到阿伏加德羅在當時提出時的偉大貢獻,但是經歷了近一個世紀才被后來的科學家證明并命名出阿伏加德羅常數,讓學生體會到科學的發展不是一蹴而就的,需要幾代人的繼承和努力[4].

【課后作業】請模仿阿伏加德羅定律,根據pV=nRT及“三同定一同”“二同定比例”的數學思想,試著推導出其他有關p、V、n、T的推論.

3 教學反思(略)