基于化學史實認識物質世界的“質量守恒定律”

鄧海濤 魏 魏 陳 山

(1.巢湖市第六中學 安徽合肥 238000)(2.中國科學技術大學附屬中學 安徽合肥 230000)(3.濉溪縣第一實驗學校 安徽淮北 235100)

對客觀物質世界的認識包括對物質的組成、形態、屬性、運動變化等的認識。義務教育階段的化學教育旨在幫助學生正確認識并理解物質的組成、性質、結構與變化規律,是學生形成正確物質世界認識觀的關鍵階段。質量守恒定律作為化學中的一個基本定律,被納入初中九年級《化學》(人教版)上冊第五單元課題1的內容當中,屬于課程標準中的一個重要主題。此知識點主要包括質量守恒定律概念的介紹及其內在實質的解釋以及質量守恒定律的應用及其分析兩個方面。通過質量守恒定律的教學,教師引導學生進一步加深對物質世界化學變化的認識與理解,培養學生從宏觀到微觀尺度分析問題的能力、從“變”與“不變”中理解物質轉化的能力、從實驗模型構建到內在機理解釋的探究能力,進而形成對客觀物質世界的科學認識。

一、教學前期分析

(一)知識分析

質量守恒定律作為自然界最為基礎的一個守恒規律,是初中階段化學課程中的一個重點內容。從學科知識來看,質量守恒定律揭示了化學變化前后質量不變的客觀事實,構建了對于化學變化的宏觀認識;在微觀層面,質量守恒定律從原子級別解釋了化學變化的實質,拓展了對于化學變化認識的新維度。質量守恒定律的學習有利于學生形成系統分析化學變化的思路和方法,提升對于物質世界化學變化的科學認識。

(二)教材內容及考試要求

人教版教材中質量守恒定律的內容為:參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后各物質的質量總和。教材也對質量守恒定律進行了微觀層面的解釋:化學反應的實質是參加反應的各物質的原子重新組合形成新物質分子的過程,在化學反應前后,原子的種類沒有改變、數目沒有增減、原子的質量也沒有發生改變,因此參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后各物質的質量總和。

基于質量守恒定律這一知識點進行的考查包括多個方面:(1)根據質量守恒定律解釋一般化學現象,從質量、元素、原子等角度理解化學變化的實質內涵;(2)根據質量守恒定律確定化學反應方程式中某物質的化學結構式、相對分子質量或者某元素質量,配平化學方程式。總之,質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,是初中化學階段的重要知識之一。

(三)學情分析

學生在學習該課程之前已經對常見的化學現象有所了解,對于化學變化前后的質量變化具有感性認識,但對化學變化前后物質質量的一般變化規律仍然難以進行科學分析與合理解釋,這說明需要進一步從化學變化的實質來理解化學變化的質量變化規律。因此,需要圍繞常見的化學現象、歷史上的科學嘗試以及組織學生開展相關實驗,讓學生認識、理解并掌握質量守恒定律。

二、教學目標及教學設計

(一)教學目標

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

(2)通過質量守恒定律研究過程中的實驗探究,認識化學研究中的實驗設計思路與方法。

(3)拓展宏觀與微觀層面的科學研究思維,初步建立科學的物質世界認識觀。

(二)教學設計

1.教學流程

2.教學過程

本課設計思路為基于化學史實角度認識質量守恒定律概念,創設質量守恒定律發展史上的實驗復盤情境,通過實驗過程中的宏觀現象認知質量守恒定律,再結合實驗從微觀角度解釋質量守恒定律。考慮到實驗的可操作性、學生的可參與性以及實驗結果的可分析性,同時充分考慮到從宏觀與微觀角度理解質與量變化的關系,設計了如下的教學方案。

環節一 化學史上的實驗復盤

教學環節教師活動學生活動教學意圖聯系生活【講述】生活中有很多物質可以燃燒,同學們能舉出一些例子嗎?你們認為物質燃燒后質量如何變化?聯系生活和所學化學知識,回答問題。引出學生對反應前后質量變化的思考。構建模型燃素說物質燃燒氧化論【實驗】首先,我們來做“濾紙燃燒”的實驗,同學們注意觀察。(請一位同學上臺演示實驗)【提問】據此,請你們預測物質燃燒后質量變化,是增加,還是減少?觀察實驗現象。思考問題,根據實驗數據回答:紙張燃燒,產生白煙,化為灰燼,質量減輕。【追問】那么請大家思考:你們認為質量減輕的原因是什么?【講述】沒錯,確實是某些可燃物減少了,你們的想法和16世紀的化學家們不謀而合,他們認為可燃物由燃素構成。燃素是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體。這種微粒既能同其他元素結合而形成化合物,也能以游離方式存在。化學家認為燃燒是分解、釋放燃素的過程,燃燒產物應該比可燃物質量輕。【設問】可燃物燃燒后質量一定都減少嗎?回答:某些可燃成分減少了!【講述】其實這樣的疑惑同樣存在于17世紀的英國化學家波義耳心中,為了探究可燃物燃燒后質量變化規律,他曾經做了一個著名的實驗,他在敞口容器中加熱金屬,結果發現反應容器中固體的質量增加了。金屬加熱質量真的會變大嗎?下面我們一起來驗證波義耳的實驗結論。【實驗】教師演示鐵絲棉燃燒實驗,并測反應前后質量變化(邀請學生協助觀察反應前后質量變化)。【設問】你能根據“燃素說”幫助波義耳解釋質量變大的原因嗎?觀察實驗和交流討論。回答:空氣中的某種燃素與鐵絲結合,質量增重。【設問】究竟物質燃燒后質量變化的特征是什么呢?有沒有規律呢?下面我們再繼續通過紅磷燃燒實驗探究物質燃燒前后質量變化的規律。觀察實驗現象,回答:不科學嚴謹。【設問】根據燃素說,紅磷燃燒后消失,說明燃素消失了,理論上質量應該變小,但是為什么質量不變呢?你認為可能的原因是什么?請你提出假設。【講述】沒錯,拉瓦錫也認為“燃素說”是錯誤的!他通過著名的氧化汞分解和生成實驗推翻了燃素說。拉瓦錫提出了物質燃燒氧化論。【設問】請你分析拉瓦錫的氧化汞分解和生成以及紅磷燃燒實驗,質量前后都不變的可能原因是什么。【提示】注意這兩個實驗中用到的反應裝置與前面實驗的區別,你能想到什么?回答:開放體系和密閉體系對反應前后質量的測量有影響。通過實驗引發學生思考并且使其認識燃燒前后物質的狀態和質量關系,通過燃素說初步建立微觀概念。使學生學會就已學的知識和實驗現象進行思維碰撞,積極思考。從燃素說過渡到波義耳實驗再到拉瓦錫實驗,從變小到變大再到不變,促使思維不斷轉變。

環節二 探究實驗開展

學生通過化學史上的實驗復盤,了解質量守恒定律的發現過程,將對定律感性的認識逐漸發展成為理性的認識;基于不同實驗條件下產生的不同結果的辨析,不斷透過實驗現象追尋科學結論。為了進一步加強學生對于定律的掌握與運用,繼續開展一系列探究實驗,讓學生在新的化學變化中理解質量守恒定律的本質以及化學變化的內涵。

教學環節教師活動學生活動教學意圖證據推理模型認識宏觀辨識微觀探析【講述】直到道爾頓提出了原子論,我們才可以用化學反應的微觀變化來解釋反應前后質量的變化關系。請同學們看電解水的微觀變化。【視頻】模擬水電解反應過程:H2O通電→H2+O2【問題】反應前后有哪些不變,又有哪些改變?觀察角度不變改變宏觀微觀【小結】實質:在化學反應中,反應前后原子的種類沒有改變,數目沒有增減,原子的質量也沒有改變。觀察并思考。改變:宏觀———物質的種類;微觀———分子種類。不變:微觀———原子種類、數目和質量。【提問】明白了質量守恒定律后,新的問題又來了:剛剛我們做實驗中紙張和鐵絲燃燒為什么反應前后質量不相等,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。使學生從宏觀到微觀、從定性到定量地認識化學反應前后的變化情況。科學探究創新意識【過渡】雖然我們通過燃燒發現了質量守恒定律,但是其他化學變化是否也遵循質量守恒呢?下面請大家小組合作來驗證。【提問】你們能根據今天所學的內容來預測化學反應前后質量如何變化嗎?你們的依據是什么?如何完成該實驗?實驗一:鐵釘與硫酸銅溶液的反應Fe+CuSO4→Cu+FeSO4實驗二:碳酸鈉與鹽酸溶液的反應Na2CO3+HCl→NaCl+H2O+CO2↑分組討論,設計方案;小組實驗,給出解釋,得出結論。以實驗為基礎培養學生分析問題能力和創新意識。科學論證 形成結論【結論】質量守恒定律:參加化學反應的各物質的質量總和,等于反應后生成的各物質的質量總和。微觀本質:在化學反應中,反應前后原子的種類沒有改變,數目沒有增減,原子的質量也沒有改變。【講述】今天我們從燃素說到物質燃燒氧化論再過渡到原子論,從現象到本質、從宏觀到微觀,認識了化學反應前后質量的變化關系。學了這么多,你們又有哪些收獲呢?聯系所學歸納總結,發表觀點。使學生學會歸納總結所學知識并會運用已學的知識解決某些問題。

三、總結與升華——構建正確的物質世界認識觀

(一)科學史追溯

質量守恒定律作為化學這座學科大廈的地基之一,建立在大量科學實驗的基礎之上,涉及物質“質”與“量”的宏觀與微觀變化,是科學家通過多個理論的提出以及反復多次論證才得以確立的。

16世紀末德國化學家施塔爾提出“燃素說”,他定義“燃素”是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體。燃素的微粒既能以游離方式的存在,也能與其他元素結合而形成化合物。因此,施塔爾認為物質在空氣中燃燒是物質失去燃素、空氣得到燃素的過程,燃燒產物的質量必然減輕。“燃素說”體現了當時的科學家依據物質燃燒這一現象嘗試解釋化學變化一般伴隨質量變化方向規律,然而受到當時認識與實驗手段的限制,表現出的是一種最樸素的物質世界認識觀。17世紀英國化學家波義耳設計在一個敞口的容器中加熱金屬,結果發現反應后容器中固體的質量增加了,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驗現象。

18世紀法國化學家拉瓦錫在密封容器中研究氧化汞的分解與生成時,發現反應前后體系中物質的總質量不變,這就在宏觀層面初步提出了化學反應前后質量守恒的概念。從施塔爾的“燃素說”發展到拉瓦錫的“物質燃燒氧化論”,初步建立了質量守恒定律的實驗雛形,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”的理解。直到19世紀英國化學家道爾頓提出“原子論”,認為物質都是由原子組成的,這才從微觀層面上解釋了質量守恒定律的內在實質——化學反應前后原子的質量、數量與種類保持不變,因而反應前后的物質質量之和必然不變。縱觀質量守恒定律的確立,經歷了樸素的物質世界認識觀到科學的物質世界認識觀的發展過程,對質量守恒定律發現史的學習,有助于學生建立科學的物質世界認識觀。

(二)化學史實驗復盤

以化學史發展為情境主線,以實驗復盤為手段,以問題線索為輔助來探究化學反應前后的質量變化關系,構建化學反應前后表觀質量三種不同的變化結果(質量減少、質量增加與質量不變),幫助學生更深刻地認識化學反應的內在本質,發現自己的認識誤區,更深刻地理解化學反應中物質質量的關系,掌握質量守恒定律,并通過所掌握的規律分析,解釋相應的化學物質變化問題。本課從敞開體系中濾紙燃燒后的表觀質量減少以及紅磷燃燒后表觀質量增加到封閉體系下電解水反應前后的質量不變,引發學生對于化學反應前后質量變化認識方面的矛盾,激發學生對于化學反應實質的探討。通過原子論的引入,從宏觀到微觀地解釋化學反應的內涵,揭開化學反應質量變化的規律,提高學生對于質量守恒定律的認識。通過開展化學史實驗復盤讓學生置身于科學規律的發展中,不僅可以提升學生對于化學學科的學習興趣、鉆研能力、思考精神,更能夠全面地科學地建立起他們的物質世界認識觀。