从定量角度促进学生对物质化学性质的理解
2013-04-29王新文
王新文
摘要：“结构决定性质”的学科内涵已被必修教学严重弱化，“化学以实验为基础”的学科内涵已被必修教学肤浅化。在必修教学中能否将其有效整合，实践表明“在实验题材背景下计算→实验→结构”的教学既有利于学生将“微粒观、变化观和实验观”相融合，也能促进学生在学科视域内全面而深刻地理解必修教材中化学计算的意义。
关键词：必修教材定量计算；碳酸盐化学性质；实验；结构
文章编号：1005–6629（2013）9–0030–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
在必修教材元素化合物性质教学中，往往重视化学实验的诠释或验证作用，却忽视了实验中物质间数量关系之于物质结构的意义，能否选取重要教学主题从定量角度帮助学生建立“性质-结构”对应关系，引导学生感悟这种“见著知微”的物质研究方法呢？本文通过“碳酸钠、碳酸氢钠与稀盐酸的实验”进行说明。
1 教学意图
“碳酸钠和碳酸氢钠的性质”是人教版《化学1》第56页[1]“科学探究”的内容。教材重点就二者外观、溶于水的热量变化、热稳定性及溶液碱性进行了探究，对于二者和稀盐酸的反应仅要求写出它们反应的离子方程式。
配套教师用书鼓励教师“积极开展科学探究活动，让学生体验科学探究的过程”，还指出“除作为科学探究的Na2CO3和NaHCO3分别溶于水和与酸的反应外，这些实验都是验证性的……[2]”。然而，对于如何组织“二者与稀盐酸的反应探究”，并未提出任何建议或指导。
在教学过程中，一般采用教师演示的方式。将等质量二者（约1 g）迅速加入等体积等浓度足量稀盐酸（2.0 mol/L）中，对比二者和稀盐酸反应的快慢，然后从微观角度大致解释其本质原因。学生基本上无法理解这种微观解释，仅能识记其现象差别。
∴ 碳酸钠过量，故，V（CO2 ）=0.112 L。
[师]若按此计算，概括随HCl用量的增加依次出现的现象。
[生] 0
[师]“量的节点揭示着质的变化”，那么“质变”确如我们的预设吗？比如，“NaOH和Na2CO3中滴加稀盐酸的反应顺序”是我们设定的那样吗？有办法考量吗？
[生]向其混合溶液中滴加稀盐酸，只要一开始无气泡，就表明稀盐酸先和氢氧化钠反应了。
[师]请各组实验后汇报实验过程、结果及分析。
[生]取3 mL混合溶液于15×150洁净试管中，用滴管逐滴滴加了5滴稀盐酸，几乎未看到气泡，说明稀盐酸先和氢氧化钠反应了；有小组反映滴加时看到了有少量气泡。
[师]两位学生登台演示操作（对比“逐滴加入”的操作要领：要慢且边加边振荡）。
[点拨]这个方案有没有不太严谨的地方，请大家思考。
[生]唯一要验证的是“碳酸钠是不是一遇到稀盐酸就会生成气体”。
[生]（提示：加液时，滴管举高些）惊呼奇怪：“在3 mL碳酸钠溶液中，用滴管逐滴滴加了3滴稀盐酸，很少看到气泡”，“难道Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+ H2O是错的”。
[师]看来又有新发现。有同学说看到了少量的气泡，那么生成CO2是不是该过程的主要反应呢，如何考量呢？
[点拨]能否用对比实验进行探究呢，想一想，试一试，然后交流过程、结果及分析。
[生]（展台投影）我们分别取了3 mL NaHCO3溶液和Na2CO3溶液于两支15×150洁净试管中，然后先分别向其中逐滴滴加0.1 mol/L稀盐酸5滴，之后又向碳酸钠中继续滴加了稀盐酸。
我们的分析是：如果生成CO2是主要反应的话，那开始加（稀）盐酸也应该和碳酸氢钠的反应类似，说明一加入稀盐酸时生成CO2不是主要反应。
[师]你为什么要向碳酸钠溶液中继续滴加稀盐酸呢？
[生]我们组有同学认为，碳酸钠和稀盐酸应该是生成了碳酸氢钠，就想试试。
[师]你的意思是：如果猜测正确，那么后来的现象应该和碳酸氢钠开始的现象相似，对吗？你认为现象相似吗？
[师]（针对为什么不相似）随溶液体积增大，过程中溶质的浓度是减小的，还有，难以确定碳酸钠何时恰好变成了碳酸氢钠呀。所以，现象很难达到预期。（实验过程方程式书写略）
[师]你能解释一下，为什么会有气泡吗（学生基础较好，故进行追问）？
[生]我认为是盐酸一下子电离出了较多氢离子，把碳酸根生成的碳酸氢根一下子又转变成了二氧化碳所致。
[师]很好。如果换个顺序，把碳酸钠溶液滴加到稀盐酸中，则碳酸根会迅速转变为CO2。实验中把滴管举高些就是想阻止氢离子局部过多，当然用管口较细的滴管（查看实验台）滴加，还可以将稀盐酸的浓度再配制小一些等，都是控制滴加量的常用手段。可见，碳酸钠溶液和稀盐酸的反应现象是有条件的。
2.3 探究氢氧化钠和碳酸钠与稀盐酸反应的先后
[师]下面我们继续设法考量“NaOH和Na2CO3中滴加稀盐酸的反应顺序”。大家为什么认定氢氧化钠会和稀盐酸先反应呢？
[生]因为氢氧化钠是强碱，而碳酸钠是盐，自然稀盐酸先和氢氧化钠反应。
[师]大家的意思是，碳酸钠溶液是中性的喽，是这样吗？能验证自己的猜想吗？
[生] ……（实验），发现碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液均呈碱性，且前者碱性较强。
[师]为什么它们会呈碱性？课本第57页告诉大家，“它们呈碱性的原因需要到选修模块找答案，实际生活中还常用碳酸钠的碱性去油污”，这些今天暂不讨论。
[生]我们小组有个考量方案，在3 mL混合溶液中逐滴滴加等体积的稀盐酸，然后再加入氯化钙溶液，如果出现白色沉淀，就说明稀盐酸先和氢氧化钠发生了反应。
[师]能说说原理吗？
3 教学反思
物质在变化中呈现出的现象，既是其结构的显性表达，又是对其性质的解释。如果说，现象是对微粒存在或变化的揭示，数量则隐含着对微粒存在及数量的确认，体现了自然科学对量变与质变关系的解读。本教学有效促进了学生对结构和性质间的依存关系的理解，如氢氧化钠和碳酸钠混合溶液中滴加稀盐酸反应顺序的实验设计，充分反映出学生真切地感受到了“微观粒子”的性质，从实验培养了其理性的思维。这为选修4将探究视角转向溶液pH打下了坚实的基础。同时，“一次性加入、逐滴滴加”，“细滴管”、“正滴、反滴”等实验手段（隐含）体现了对控制实验变量的操作意义。
宋心琦先生在“化学学科的现状及基础化学教育改革问题”[3]一文中明确提出：“要警惕化学教学和化学教材中的‘数学化倾向”，主张“结合化学运动自身的更为基本的规律进行研究”，反对“化学实验只停留在对表面现象做一般性的观察”。上述实践就是在演示实验基础上（凸显学科特色），通过计算的工具理性聚焦物质的结构（学科研究领域），让计算过程融入了化学的学科意义，则有效回避了“泛数学化”现象。同时，对学生“微粒观、变化观和实验观”等基本化学观念的融合起到积极的推动作用。
参考文献：
[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）（第 3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56，57.
[2][3]化学课程教材研究中心编著.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）教师用书（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：39，44，120～128.
