從化學史看定量實驗研究法的學科價值

薛麗娟

摘要：由拉瓦錫定量研究化學反應的這段史實，結合初中化學教學，得出從假說到實驗、從定性到定量、從部分到整體、從分解到化合等相關學科思想和方法的重要性。

關鍵詞：化學史；定量研究；質量守恒定律；拉瓦錫

文章編號：1008—0546（2017）11—0024—02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008—0546.2017.11.008

上教版九年級化學第四章第2節“化學反應中的質量關系”的活動與探究中引入波義耳和拉瓦錫對化學反應進行定量研究的史實，進而啟發學生通過設計定量實驗得出質量守恒定律。如果說化學教材嘗試還原化學史實的話，質量守恒這節內容其存在的目的除了知識本身的價值之外，必然也是希望學生可以逐步從定量的角度研究化學，并且知道如何進行定量的研究。回顧質量守恒定律被發現的這段史實，對幫助老師深入理解教材的設計理念和培養學生相關學科精神和方法具有較深遠的意義。

一、從假說到實驗：真理需建立在實驗基礎之上

17世紀，是科學世界空前繁榮的世紀，在這之前科學研究方法只有假說，而這一時期科學研究的方法開始改變，實驗開始受到科學家們的重視。波義耳被稱為化學之父，是因為他首先認識到化學必須是為真理而追求真理的化學。為了達到這個目的必須拋棄自古以來的空想的方法并立足于嚴密的實驗基礎之上。在這種思想的指導下，波義耳對各種假說進行了研究并且留下了很多功績。在學習第4章之前，學生其實也接觸了很多“假說”，比如化學反應前后元素種類不變；化學變化的實質是分子分解成原子，原子重新結合成新的分子等。對于這些老師“授予”的知識，嚴格來講在學生那里只是“假設”或“猜想”，任何猜想都需要實驗去驗證，這是學生首先必須樹立的科學素養。

二、從定性到定量：揭示化學變化的本質特點

對燃燒現象的認識和探索，是推動化學發展的一個非常重要的環節。“燃素說”是其中影響最深的一個學說，持有這種觀點的人認為物質具有可燃性，是因為這些物質中含有燃素，燃燒的過程就是燃素釋放的過程，燃素釋放得越多燃燒現象就越劇烈。失去燃素的物質如果和富含燃素的物質相互作用（即金屬的冶煉），則可以重新變得可燃。有限的空間內可燃物之所以不能繼續燃燒，是因為該空間內的燃素已經達到飽和，可燃物中的燃素無法釋放。這是從定性的角度解釋燃燒這一變化，似乎很有說服力，但若從定量的角度深思，則燃素說就無法解釋一些現象了，比如說：金屬燃燒釋放了燃素但為何它的質量卻變重了。當然對此燃素說信奉者有自己的詭辯，但卻很難自圓其說了。

那個時期很少有人從定量的角度思考化學變化，就更別說如何從定量的角度去研究了。拉瓦錫被稱為定量化學之父，就是因為在那個時期他用定量研究的手段擊敗了統治百年多的燃素說，并且得出了質量守恒定律。上教版九年級化學也是首先通過認識各種化學現象幫助學生開啟化學之門的，這些現象主要是一些不需要借助相關儀器“觀察”到的現象，如：發光、發熱、有刺激性氣味、有沉淀生成等。在學習第4章之前，學生還沒有真正意義上面臨這種從定性到定量的學習“沖突”或“矛盾”，若借助“燃素說”這段化學史引入、啟發也許可以很好地解決“為什么學”的問題。

三、從“部分”到“整體”：系統的定量既要明確的實驗對象也要排除任何可能干擾

拉瓦錫是如何揭開燃燒的本質的呢？首先，他將天平作為不可缺少的武器，并充分發揮了它的效能。其次對待實驗他細致嚴謹，排除任何可能的影響因素。金屬燃燒后質量增加，那么其他物質燃燒是否也同樣如此呢？通過實驗他給出了肯定的答案。非金屬物質的燃燒其產物一般為氣體或粉末（如碳燃燒和磷燃燒），所以實驗時必須密閉才能得出物質燃燒之后產物的質量增加這一普遍現象。由于是在密閉環境中進行的該實驗，所以其增加部分必然來自空氣。

很多初中化學老師在講解質量守恒定律的實驗設計時，都會指出設計實驗時如果有氣體參加或生成，裝置必須密閉，言外之意是若沒有氣體參與或生成則不需要密閉。其實在密閉容器中研究是實驗設計必須有的思想，這與化學變化是否有氣體參加或氣體生成，并無直接關系。

四、從分解到化合：研究物質組成的常用思路

拉瓦錫在揭示燃燒變化同時發現氧氣的存在。其實拉瓦錫還要感謝普里斯特列給他帶來的啟發，相傳當時普里斯特列對氧氣的制取、性質已經做了很多實驗。但他認為他所發現的這種氣體是不含燃素的氣體。

拉瓦錫重復了普里斯特列的實驗，在密閉的曲頸甑中加熱汞，觀察到銀白色的汞變成紅色，曲頸甑中的空氣減少了1/5，將紅色粉末放入另一曲頸甑中加熱，紅色粉末變成了原來的水銀，并且產生了普里斯特列所說的那種氣體，體積與原來空氣中失去的那一部分氣體完全相同，質量則為水銀到紅色粉末所增加的質量，這種氣體與剩余的4/5氣體混合，又變成普通的空氣。

初中化學在研究物質組成時，最常用的實驗設計方法就是化合或分解。如上教版九年級化學第4章之前，用分解法認識銅綠的組成，并推斷出銅生銹的條件；分別用分解和化合的方法認識了水的組成等。在初中所學的四大基本反應類型中，化合反應和分解反應相對簡單易懂，但其在認識物質組成上的作用和意義是老師和學生常常忽略的要點。

五、總結

在目前的一線教學中，由于網上資源的龐大和易獲取，使得老師們無意之中拋棄了最基本的教學資源——教材，也就失去了對教材深入思考的機會。另一方面，初中化學教材作為化學學習的啟蒙書籍，其設計思路貫穿了很多化學史的痕跡，而化學史的發展是推動化學發展的最有說服力的邏輯線。endprint