基于化學(xué)史實(shí)認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的“質(zhì)量守恒定律”

鄧海濤 魏 魏 陳 山

(1.巢湖市第六中學(xué) 安徽合肥 238000)(2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬中學(xué) 安徽合肥 230000)(3.濉溪縣第一實(shí)驗(yàn)學(xué)校 安徽淮北 235100)

對(duì)客觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)包括對(duì)物質(zhì)的組成、形態(tài)、屬性、運(yùn)動(dòng)變化等的認(rèn)識(shí)。義務(wù)教育階段的化學(xué)教育旨在幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)并理解物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律,是學(xué)生形成正確物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀的關(guān)鍵階段。質(zhì)量守恒定律作為化學(xué)中的一個(gè)基本定律,被納入初中九年級(jí)《化學(xué)》(人教版)上冊(cè)第五單元課題1的內(nèi)容當(dāng)中,屬于課程標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要主題。此知識(shí)點(diǎn)主要包括質(zhì)量守恒定律概念的介紹及其內(nèi)在實(shí)質(zhì)的解釋以及質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用及其分析兩個(gè)方面。通過質(zhì)量守恒定律的教學(xué),教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)物質(zhì)世界化學(xué)變化的認(rèn)識(shí)與理解,培養(yǎng)學(xué)生從宏觀到微觀尺度分析問題的能力、從“變”與“不變”中理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力、從實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建到內(nèi)在機(jī)理解釋的探究能力,進(jìn)而形成對(duì)客觀物質(zhì)世界的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

一、教學(xué)前期分析

(一)知識(shí)分析

質(zhì)量守恒定律作為自然界最為基礎(chǔ)的一個(gè)守恒規(guī)律,是初中階段化學(xué)課程中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。從學(xué)科知識(shí)來看,質(zhì)量守恒定律揭示了化學(xué)變化前后質(zhì)量不變的客觀事實(shí),構(gòu)建了對(duì)于化學(xué)變化的宏觀認(rèn)識(shí);在微觀層面,質(zhì)量守恒定律從原子級(jí)別解釋了化學(xué)變化的實(shí)質(zhì),拓展了對(duì)于化學(xué)變化認(rèn)識(shí)的新維度。質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生形成系統(tǒng)分析化學(xué)變化的思路和方法,提升對(duì)于物質(zhì)世界化學(xué)變化的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

(二)教材內(nèi)容及考試要求

人教版教材中質(zhì)量守恒定律的內(nèi)容為:參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后各物質(zhì)的質(zhì)量總和。教材也對(duì)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行了微觀層面的解釋:化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是參加反應(yīng)的各物質(zhì)的原子重新組合形成新物質(zhì)分子的過程,在化學(xué)反應(yīng)前后,原子的種類沒有改變、數(shù)目沒有增減、原子的質(zhì)量也沒有發(fā)生改變,因此參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后各物質(zhì)的質(zhì)量總和。

基于質(zhì)量守恒定律這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的考查包括多個(gè)方面:(1)根據(jù)質(zhì)量守恒定律解釋一般化學(xué)現(xiàn)象,從質(zhì)量、元素、原子等角度理解化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵;(2)根據(jù)質(zhì)量守恒定律確定化學(xué)反應(yīng)方程式中某物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式、相對(duì)分子質(zhì)量或者某元素質(zhì)量,配平化學(xué)方程式?？傊?質(zhì)量守恒定律屬于中考以及階段性考試等各類考試中的核心考點(diǎn),是初中化學(xué)階段的重要知識(shí)之一。

(三)學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前已經(jīng)對(duì)常見的化學(xué)現(xiàn)象有所了解,對(duì)于化學(xué)變化前后的質(zhì)量變化具有感性認(rèn)識(shí),但對(duì)化學(xué)變化前后物質(zhì)質(zhì)量的一般變化規(guī)律仍然難以進(jìn)行科學(xué)分析與合理解釋,這說明需要進(jìn)一步從化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)來理解化學(xué)變化的質(zhì)量變化規(guī)律。因此,需要圍繞常見的化學(xué)現(xiàn)象、歷史上的科學(xué)嘗試以及組織學(xué)生開展相關(guān)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解并掌握質(zhì)量守恒定律。

二、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)設(shè)計(jì)

(一)教學(xué)目標(biāo)

(1)了解質(zhì)量守恒定律的含義,能從化學(xué)變化中原子守恒的視角解釋質(zhì)量守恒定律,能夠運(yùn)用質(zhì)量守恒定律解釋化學(xué)變化。

(2)通過質(zhì)量守恒定律研究過程中的實(shí)驗(yàn)探究,認(rèn)識(shí)化學(xué)研究中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與方法。

(3)拓展宏觀與微觀層面的科學(xué)研究思維,初步建立科學(xué)的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀。

(二)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)流程

2.教學(xué)過程

本課設(shè)計(jì)思路為基于化學(xué)史實(shí)角度認(rèn)識(shí)質(zhì)量守恒定律概念,創(chuàng)設(shè)質(zhì)量守恒定律發(fā)展史上的實(shí)驗(yàn)復(fù)盤情境,通過實(shí)驗(yàn)過程中的宏觀現(xiàn)象認(rèn)知質(zhì)量守恒定律,再結(jié)合實(shí)驗(yàn)從微觀角度解釋質(zhì)量守恒定律。考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性、學(xué)生的可參與性以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可分析性,同時(shí)充分考慮到從宏觀與微觀角度理解質(zhì)與量變化的關(guān)系,設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)方案。

環(huán)節(jié)一 化學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)復(fù)盤

教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)教學(xué)意圖聯(lián)系生活【講述】生活中有很多物質(zhì)可以燃燒,同學(xué)們能舉出一些例子嗎?你們認(rèn)為物質(zhì)燃燒后質(zhì)量如何變化?聯(lián)系生活和所學(xué)化學(xué)知識(shí),回答問題。引出學(xué)生對(duì)反應(yīng)前后質(zhì)量變化的思考。構(gòu)建模型燃素說物質(zhì)燃燒氧化論【實(shí)驗(yàn)】首先,我們來做“濾紙燃燒”的實(shí)驗(yàn),同學(xué)們注意觀察。(請(qǐng)一位同學(xué)上臺(tái)演示實(shí)驗(yàn))【提問】據(jù)此,請(qǐng)你們預(yù)測物質(zhì)燃燒后質(zhì)量變化,是增加,還是減少?觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。思考問題,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回答:紙張燃燒,產(chǎn)生白煙,化為灰燼,質(zhì)量減輕?！咀穯枴磕敲凑?qǐng)大家思考:你們認(rèn)為質(zhì)量減輕的原因是什么?【講述】沒錯(cuò),確實(shí)是某些可燃物減少了,你們的想法和16世紀(jì)的化學(xué)家們不謀而合,他們認(rèn)為可燃物由燃素構(gòu)成。燃素是由無數(shù)細(xì)小而活潑的微粒構(gòu)成的物質(zhì)實(shí)體。這種微粒既能同其他元素結(jié)合而形成化合物,也能以游離方式存在?；瘜W(xué)家認(rèn)為燃燒是分解、釋放燃素的過程,燃燒產(chǎn)物應(yīng)該比可燃物質(zhì)量輕。【設(shè)問】可燃物燃燒后質(zhì)量一定都減少嗎?回答:某些可燃成分減少了!【講述】其實(shí)這樣的疑惑同樣存在于17世紀(jì)的英國化學(xué)家波義耳心中,為了探究可燃物燃燒后質(zhì)量變化規(guī)律,他曾經(jīng)做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn),他在敞口容器中加熱金屬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)容器中固體的質(zhì)量增加了。金屬加熱質(zhì)量真的會(huì)變大嗎?下面我們一起來驗(yàn)證波義耳的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。【實(shí)驗(yàn)】教師演示鐵絲棉燃燒實(shí)驗(yàn),并測反應(yīng)前后質(zhì)量變化(邀請(qǐng)學(xué)生協(xié)助觀察反應(yīng)前后質(zhì)量變化)。【設(shè)問】你能根據(jù)“燃素說”幫助波義耳解釋質(zhì)量變大的原因嗎?觀察實(shí)驗(yàn)和交流討論。回答:空氣中的某種燃素與鐵絲結(jié)合,質(zhì)量增重。【設(shè)問】究竟物質(zhì)燃燒后質(zhì)量變化的特征是什么呢?有沒有規(guī)律呢?下面我們?cè)倮^續(xù)通過紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)燃燒前后質(zhì)量變化的規(guī)律。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,回答:不科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?！驹O(shè)問】根據(jù)燃素說,紅磷燃燒后消失,說明燃素消失了,理論上質(zhì)量應(yīng)該變小,但是為什么質(zhì)量不變呢?你認(rèn)為可能的原因是什么?請(qǐng)你提出假設(shè)。【講述】沒錯(cuò),拉瓦錫也認(rèn)為“燃素說”是錯(cuò)誤的!他通過著名的氧化汞分解和生成實(shí)驗(yàn)推翻了燃素說。拉瓦錫提出了物質(zhì)燃燒氧化論。【設(shè)問】請(qǐng)你分析拉瓦錫的氧化汞分解和生成以及紅磷燃燒實(shí)驗(yàn),質(zhì)量前后都不變的可能原因是什么。【提示】注意這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中用到的反應(yīng)裝置與前面實(shí)驗(yàn)的區(qū)別,你能想到什么?回答:開放體系和密閉體系對(duì)反應(yīng)前后質(zhì)量的測量有影響。通過實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生思考并且使其認(rèn)識(shí)燃燒前后物質(zhì)的狀態(tài)和質(zhì)量關(guān)系,通過燃素說初步建立微觀概念。使學(xué)生學(xué)會(huì)就已學(xué)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思維碰撞,積極思考。從燃素說過渡到波義耳實(shí)驗(yàn)再到拉瓦錫實(shí)驗(yàn),從變小到變大再到不變,促使思維不斷轉(zhuǎn)變。

環(huán)節(jié)二 探究實(shí)驗(yàn)開展

學(xué)生通過化學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)復(fù)盤,了解質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程,將對(duì)定律感性的認(rèn)識(shí)逐漸發(fā)展成為理性的認(rèn)識(shí);基于不同實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的不同結(jié)果的辨析,不斷透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象追尋科學(xué)結(jié)論。為了進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于定律的掌握與運(yùn)用,繼續(xù)開展一系列探究實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在新的化學(xué)變化中理解質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)以及化學(xué)變化的內(nèi)涵。

教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)教學(xué)意圖證據(jù)推理模型認(rèn)識(shí)宏觀辨識(shí)微觀探析【講述】直到道爾頓提出了原子論,我們才可以用化學(xué)反應(yīng)的微觀變化來解釋反應(yīng)前后質(zhì)量的變化關(guān)系。請(qǐng)同學(xué)們看電解水的微觀變化?！疽曨l】模擬水電解反應(yīng)過程:H2O通電→H2+O2【問題】反應(yīng)前后有哪些不變,又有哪些改變?觀察角度不變改變宏觀微觀【小結(jié)】實(shí)質(zhì):在化學(xué)反應(yīng)中,反應(yīng)前后原子的種類沒有改變,數(shù)目沒有增減,原子的質(zhì)量也沒有改變。觀察并思考。改變:宏觀———物質(zhì)的種類;微觀———分子種類。不變:微觀———原子種類、數(shù)目和質(zhì)量?！咎釂枴棵靼琢速|(zhì)量守恒定律后,新的問題又來了:剛剛我們做實(shí)驗(yàn)中紙張和鐵絲燃燒為什么反應(yīng)前后質(zhì)量不相等,難道這種說法有特例?你們的看法是什么?相互討論,提出想法。使學(xué)生從宏觀到微觀、從定性到定量地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)前后的變化情況?？茖W(xué)探究創(chuàng)新意識(shí)【過渡】雖然我們通過燃燒發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律,但是其他化學(xué)變化是否也遵循質(zhì)量守恒呢?下面請(qǐng)大家小組合作來驗(yàn)證?！咎釂枴磕銈兡芨鶕?jù)今天所學(xué)的內(nèi)容來預(yù)測化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量如何變化嗎?你們的依據(jù)是什么?如何完成該實(shí)驗(yàn)?實(shí)驗(yàn)一:鐵釘與硫酸銅溶液的反應(yīng)Fe+CuSO4→Cu+FeSO4實(shí)驗(yàn)二:碳酸鈉與鹽酸溶液的反應(yīng)Na2CO3+HCl→NaCl+H2O+CO2↑分組討論,設(shè)計(jì)方案;小組實(shí)驗(yàn),給出解釋,得出結(jié)論。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)培養(yǎng)學(xué)生分析問題能力和創(chuàng)新意識(shí)。科學(xué)論證 形成結(jié)論【結(jié)論】質(zhì)量守恒定律:參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和,等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。微觀本質(zhì):在化學(xué)反應(yīng)中,反應(yīng)前后原子的種類沒有改變,數(shù)目沒有增減,原子的質(zhì)量也沒有改變。【講述】今天我們從燃素說到物質(zhì)燃燒氧化論再過渡到原子論,從現(xiàn)象到本質(zhì)、從宏觀到微觀,認(rèn)識(shí)了化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量的變化關(guān)系。學(xué)了這么多,你們又有哪些收獲呢?聯(lián)系所學(xué)歸納總結(jié),發(fā)表觀點(diǎn)。使學(xué)生學(xué)會(huì)歸納總結(jié)所學(xué)知識(shí)并會(huì)運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)解決某些問題。

三、總結(jié)與升華——構(gòu)建正確的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀

(一)科學(xué)史追溯

質(zhì)量守恒定律作為化學(xué)這座學(xué)科大廈的地基之一,建立在大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,涉及物質(zhì)“質(zhì)”與“量”的宏觀與微觀變化,是科學(xué)家通過多個(gè)理論的提出以及反復(fù)多次論證才得以確立的。

16世紀(jì)末德國化學(xué)家施塔爾提出“燃素說”,他定義“燃素”是由無數(shù)細(xì)小而活潑的微粒構(gòu)成的物質(zhì)實(shí)體。燃素的微粒既能以游離方式的存在,也能與其他元素結(jié)合而形成化合物。因此,施塔爾認(rèn)為物質(zhì)在空氣中燃燒是物質(zhì)失去燃素、空氣得到燃素的過程,燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量必然減輕?！叭妓卣f”體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的科學(xué)家依據(jù)物質(zhì)燃燒這一現(xiàn)象嘗試解釋化學(xué)變化一般伴隨質(zhì)量變化方向規(guī)律,然而受到當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)與實(shí)驗(yàn)手段的限制,表現(xiàn)出的是一種最樸素的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀。17世紀(jì)英國化學(xué)家波義耳設(shè)計(jì)在一個(gè)敞口的容器中加熱金屬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后容器中固體的質(zhì)量增加了,這有效地駁斥了“燃素說”,但是他并未提出全新的理論來解釋已有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

18世紀(jì)法國化學(xué)家拉瓦錫在密封容器中研究氧化汞的分解與生成時(shí),發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后體系中物質(zhì)的總質(zhì)量不變,這就在宏觀層面初步提出了化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒的概念。從施塔爾的“燃素說”發(fā)展到拉瓦錫的“物質(zhì)燃燒氧化論”,初步建立了質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)雛形,但僅從宏觀層面揭示了“量”的不變,并沒有給出更深層次的“質(zhì)”的理解。直到19世紀(jì)英國化學(xué)家道爾頓提出“原子論”,認(rèn)為物質(zhì)都是由原子組成的,這才從微觀層面上解釋了質(zhì)量守恒定律的內(nèi)在實(shí)質(zhì)——化學(xué)反應(yīng)前后原子的質(zhì)量、數(shù)量與種類保持不變,因而反應(yīng)前后的物質(zhì)質(zhì)量之和必然不變。縱觀質(zhì)量守恒定律的確立,經(jīng)歷了樸素的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀到科學(xué)的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀的發(fā)展過程,對(duì)質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史的學(xué)習(xí),有助于學(xué)生建立科學(xué)的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀。

(二)化學(xué)史實(shí)驗(yàn)復(fù)盤

以化學(xué)史發(fā)展為情境主線,以實(shí)驗(yàn)復(fù)盤為手段,以問題線索為輔助來探究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化關(guān)系,構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)前后表觀質(zhì)量三種不同的變化結(jié)果(質(zhì)量減少、質(zhì)量增加與質(zhì)量不變),幫助學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì),發(fā)現(xiàn)自己的認(rèn)識(shí)誤區(qū),更深刻地理解化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系,掌握質(zhì)量守恒定律,并通過所掌握的規(guī)律分析,解釋相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)變化問題。本課從敞開體系中濾紙燃燒后的表觀質(zhì)量減少以及紅磷燃燒后表觀質(zhì)量增加到封閉體系下電解水反應(yīng)前后的質(zhì)量不變,引發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量變化認(rèn)識(shí)方面的矛盾,激發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的探討。通過原子論的引入,從宏觀到微觀地解釋化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)涵,揭開化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量變化的規(guī)律,提高學(xué)生對(duì)于質(zhì)量守恒定律的認(rèn)識(shí)。通過開展化學(xué)史實(shí)驗(yàn)復(fù)盤讓學(xué)生置身于科學(xué)規(guī)律的發(fā)展中,不僅可以提升學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣、鉆研能力、思考精神,更能夠全面地科學(xué)地建立起他們的物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)觀。