有關初中化學定量計算的兩點思考

王寶權

摘要：從“定量計算對實驗探究的指導作用”和“定量計算須源于客觀事實”兩個角度展開論述，借助教材案例闡述了定量計算在初中化學教學中的重要作用。

關鍵詞：初中化學；定量計算；實驗；客觀事實

文章編號：1008-0546（2017）07-0069-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.020

一、定量計算指導實驗藥品用量

初中化學實驗大多是定性實驗。但筆者認為化學教師應該對實驗藥品用量進行計算，一方面可以對實驗做到心中有數，提高實驗的重現率。另一方面，教師在演示實驗中通過選用適量藥品也可以向學生傳遞節約藥品的理念。筆者在化學教學中從引導學生測量所用實驗儀器容量入手，通過化學方程式計算確定實驗藥品的理論用量，再確定實驗用量，從而使得對實驗的改進有的放矢。

案例1：空氣成分測定實驗中紅磷用量的確定。九年級化學滬教版課本（上冊2016版）第13頁有一個“測定空氣中氧氣體積分數”的實驗。這是一例半定性半定量的演示實驗。從課本上的圖示比例可見所用燃燒匙是一支普通的燃燒匙，所用集氣瓶為實驗室常見的250mL規格的。根據250mL的空氣可以推算出約含有50mL的氧氣（通常狀況下，氧氣的密度是1.429g/L），根據化學方程式計算如下：

設250mL集氣瓶中50mL的氧氣完全反應，至多能反應掉的紅磷的質量為x。

經計算可知，理論上需要紅磷的質量為0.05537g， 實驗時可用電子天平稱量。而如果教師不進行定量的計算，只是按照課本演示實驗的要求“在帶橡皮塞和導管的燃燒匙內裝滿紅磷”，而一支普通的燃燒匙所盛放的紅磷的質量約為4g，是理論計算量0.05537g的72倍。筆者選用250mL的集氣瓶，稱量 0.11g紅磷于燃燒匙內進行實驗，取得了成功。

案例2：一氧化碳還原氧化鐵實驗中氧化鐵用量的確定。九年級化學滬教版課本（2016版）124頁編排了“一氧化碳與氧化鐵的反應”的實驗，對于實驗中氧化鐵的用量沒有具體說明，教材的表述是“放入少量氧化鐵粉末”，這個少量是多少呢？學校實驗室常用的硬質直玻璃管的容積約為150mL，按照教材圖示比例，裝入氧化鐵粉末的量約為5g左右。這一用量是否合適？

用化學方程式計算如下：

設直玻璃管中150mL的一氧化碳完全反應，至多能反應掉氧化鐵的質量為x。

經計算可知，理論上最多需要氧化鐵粉末的質量為0.357g，可以用電子天平精確稱量，由于量比較少，也便于平鋪在直玻璃管中，有利于與一氧化碳充分接觸而完全反應。這個實驗中由于CO是不斷補充為稍過量，故Fe2O3用量稍多于理論計算量也可。但圖示用量是實際計算量0.357g的十多倍（5g/0.357g=14），顯然不利于演示實驗的進行。

筆者選取容積約為150mL的硬質直玻璃管，稱取0.4g氧化鐵粉末攤薄，通入CO氣體 120個/分鐘氣泡，用酒精噴燈加熱，見到氧化鐵在3分鐘內轉變為黑色。

由此可見，真實的化學方程式的計算在我們的實驗設計和演示實驗中可以發揮重要的理論指導作用，因此實驗前先計算，對我們的實驗教學大有裨益。

二、計算題編制須符合客觀事實

化學計算是從量的方面研究物質及其變化規律的，它不是單純的數學運算，而是與基本概念、化學用語、元素及化合物、化學實驗等融為一體的。化學計算教學的目的在于使學生通過數量關系去理解并掌握化學概念，基本理論和元素化合物的知識。故不能為了計算而任性的編制題目，必須要符合客觀的實驗事實。筆者在教學的過程中，發現有的化學計算題的編制值得商榷。

案例1：計算石灰水能吸收多少二氧化碳氣體的實驗題。某教材上有這樣一道題目：把干燥的二氧化碳氣體通入盛有石灰水的小燒杯中，若稱得燒杯內物質的總質量增大2.5g，那么被吸收的二氧化碳氣體是多少克？你是怎么推算的？

這道題設置在“化學反應中的質量關系”一節之后，根據質量守恒定律推算出被吸收的二氧化碳氣體的質量是2.5g，好像沒有什么問題，但這題沒有認真考慮實驗的真實情況及石灰水的性質。

筆者為了探尋這道題的真實情景，做了以下的實驗探究：用50mL的小燒杯盛裝約50mL 的石灰水，放在電子天平上先稱量質量為69.040g，然后不斷向其中通入二氧化碳氣體，可見石灰水中有大量氣泡不斷冒出，很快石灰水變渾濁了，繼續通入后又變澄清，幾分鐘后，制取裝置中的反應逐漸減慢，石灰水中的氣泡越來越少，直至消失。取走導氣管，發現電子天平的示數不升反降為69.033g。這是怎么回事？筆者又重復上述實驗2次，現象同上。筆者分析產生以上現象的主要原因是：CO2氣體的逸出帶走部分水蒸氣；伸入石灰水的玻璃導氣管內壁附著的水隨玻璃管的取出而導致質量減小。

查閱資料可知：已知20℃ 時氫氧化鈣溶解度為0.18g；在常溫常壓下，二氧化碳溶于水形成的飽和的水溶液里二氧化碳的濃度為0.035mol·L-1[1]。

理論計算：

20℃ 時50mL澄清石灰水的質量約為50g，設其中的Ca（OH）2能吸收的CO2 的質量為x

2CO2 + Ca（OH）2 ■ Ca（HCO3）2

88 74

x 0.09g

x=0.107g

其中的水假設為50mL，能吸收的CO2 的質量為：0.035mol·L-1 × 0.050L=0.00175g

則50mL石灰水理論上共能吸收的CO2的質量為 0.107g+0.00175g=0.10875g

結論：因為 0.10875g遠小于2.5g，所以該題目的設想不成立。

由此可見，該題目無論是理論推算還是實驗探析，均不合理，值得商榷。

化學計算教學中，教師需依據初中化學現有的實驗儀器以及提供的可查閱的真實數據，結合情景真實的可操作的實驗，編制真實可信的能反映化學學科特點的簡單計算題目。

案例2：計算小蘇打中混有少量碳酸鈉的有關質量分數的實驗題。某教材上還有這樣一道計算題：某小蘇打中混有少量碳酸鈉。為了測定樣品中碳酸鈉的質量分數，取2.0g樣品加熱到質量不再減小時，共收集到二氧化碳0.44g。求該樣品中碳酸氫鈉的質量分數。（碳酸氫鈉受熱分解：2NaHCO3■Na2CO3+H2O+CO2，碳酸鈉受熱不分解）。

該題中的二氧化碳的質量為0.44g， 計算起來很方便，但其實此處有湊數字之嫌。0.44 g的二氧化碳是怎樣收集的呢？又是怎樣稱量的呢？是先用濃硫酸除去水蒸氣，然后再采用濃的氫氧化鈉溶液吸收嗎？有研究證明[2]：在常溫常壓下，用質量分數為20%的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，其吸收率僅為25%左右，大量的氣體因為外逸而損失掉，既然有大量的氣體損失，從而導致測定的質量分數因不準確而不合理。如果采用固體減量法，那么水蒸汽和二氧化碳是同時減少的，又怎樣單獨計量二氧化碳的質量呢？

蘇州市教育科學研究院中考命題組將上述題目改編成一道中考題[3]，采用簡捷的實驗裝置，提供可操作的計量數據，通過將產生的二氧化碳氣體和水蒸氣的質量之和作為固體減少的質量進行計算，這樣編制的題目是基于真實實驗情景、“可計量”、“可操作”計算的典范。

參考文獻

[1] 陳明元.中學化學中二氧化碳溶于水的問題[J].化學教學，2014（9）：93-94

[2] 田長明.用酸溶法測定市售碳酸鈣純度的實驗探究[J].化學教學，2014（9）：62-64

[3] 毛明.初中化學“可計量計算”試題的命題策略[J].中學化學教學參考，2015（3）：63-65