初中化学教材中实验功能的深层次解读

2017-04-14 19:36颜标峰
江西教育B 2017年3期
关键词:红磷铁钉总和

颜标峰

以实验为基础是中学化学教学的基本特征。化学实验现象直观具体、形象生动,既能帮助学生了解化学科学的基本事实,又能促进化学假设和理论的形成。化学实验在化学科学认识中所处的地位十分重要,具体表现在:“化学实验是联系认识主体和认识客体的中介;是沟通认识主体和化学科学认识的桥梁;是化学科学认识从一级上升到另一级的中间环节。”

在化学学习过程中,研究物质的性质及变化需要化学实验,学生观察实验现象并体验到变化的客观存在,进而由现象到本质进行分析和推理;对化学基本概念和基本理论的认识,学生更需要通过化学实验情境获取感性材料,概括出事物发展的规律和本质。

化学教材中选用的实验,设计得十分细腻和精巧,往往能将复杂条件进行简化和纯化,使需要认识的某种性质或关系以相对纯粹的形态表现出来。然而,在大多数时候,教师将教材中已有的实验弃之不用,或使用了实验却对其知之甚少,未能对教材中实验的功能进行充分挖掘,从而丧失了很多有意义的教学素材,这是非常令人惋惜的。

质量守恒定律是初中化学里为数不多的基本定律之一,教材在展开这部分内容时选择了四个实验,笔者对这四个实验进行了相对深入的分析。

一、质量守恒定律实验与化学史的关系

质量守恒定律在化学史的发展过程中经历了三个重要阶段:施塔尔以草木燃烧,燃素逸出,质量减小为例,认为化学反应后质量减小;波义耳煅烧金属后,发现质量增大,认为化学反应后质量增大;拉瓦锡在密闭容器内加热汞,发现化学反应前后质量不变。三位名家,三种不同的观点,穿越到现代课堂中,成了三种不同的假设。

教材中并未穿插化学史料,而是以实验的形式,将三种观点呈现在教材中。当然,教材在选择实验时,将三位科学家的复杂体系都简单化,在保留体现科学家实验设计思想的同时,简化了实验原理和体系,使得需要探究的质量关系以较为纯粹的方式得以呈现。代表施塔尔观点的实验是碳酸钠与稀盐酸反应的实验,是一个有物质逃逸的实验,与草木燃烧的实验异曲同工;代表波义耳观点的实验是镁带燃烧的实验,是一个有物质吸入的实验;代表拉瓦锡观点的实验有两个,一个是红磷在密闭体系中燃烧的实验,一个是铁钉和硫酸铜反应的实验。

教材中选择红磷燃烧的实验来做质量守恒定律的探究,还有另一个层面的考虑。拉瓦锡经典的“12天实验”,利用金属汞测定了空气中的氧气含量,教材中用红磷取代金属汞。质量守恒定律,其实是拉瓦锡在“12天实验”中的第二个发现,教材中選择之前使用过的红磷燃烧实验做模拟,更为流畅与自然,也隐含着两个发现之间的联系。

二、质量守恒定律实验与定律本体的关系

质量守恒定律是指“参加化学反应的各物质的质量总和,等于反应后生成的各物质的质量总和”。

质量守恒定律中的关键词有化学“反应”“质量”“总和”“参加反应的”,这四个关键词的理解与突破,是教材中选择的四个实验承载的重要任务。

“化学反应”如何在四个实验中得以体现?教材中选择的四个实验,现象分别为红磷燃烧的火焰、镁带燃烧的发光、铁和硫酸铜反应的变色以及碳酸钠和稀盐酸反应的气泡。这些明显的现象都指向同一个结论,这些反应都是化学反应。

“质量”在四个实验中体现得十分明显。四个实验在进行前后,都要将仪器及药品在托盘天平上称量。

质量守恒定律中较难理解的是第三个关键词:“总和”,这个关键词在实验中主要通过探究的形式予以凸显。碳酸钠和稀盐酸反应的实验以及镁带燃烧的实验,实验前后,质量均不守恒,问题出在哪里?学生很快会发现,碳酸钠与稀盐酸实验产生的大量气体外溢,并未称量;镁带燃烧时,通过原理分析,学生会注意到,吸入的氧气未称量,造成反应前后质量不守恒。如何将“不守恒”的装置改进为能够证明质量守恒定律的装置?围绕这一问题,学生深入探究,设计实验,称量反应前后的质量总和。在探究过程中,“总和”的意识不断在指导学生进行设计和改进,从而突破认知难点。

“参加反应的”是质量守恒定律中最难理解的关键词,也是最容易被忽略的关键词。在改进装置后,四个实验反应前后的质量总和不变,由此,学生在思维深处已经形成了质量守恒的意识。然而,这只是实验表观的质量总和不变,质量守恒定律中强调的是参加反应的和反应生成的物质质量守恒。在这一难点的突破上,铁钉和硫酸铜反应实验的潜在作用得以充分发挥。将铁钉与硫酸铜溶液反应后的试管稍加振荡,观察到铁钉表面的红色固体脱落,露出银白色的金属。一个简单的举动,引出了深入的思考,列表式分析如下:

上述列表分析后,得出最终结论:质量守恒定律需要强调参加反应的和反应生成的物质的质量。

理解质量守恒定律,关键在理解这四个词上;理解这四个词,关键在实验功能的发挥上。由此可见,质量守恒定律实验对定律本体重难点的突破意义重大。

三、质量守恒定律实验的其他细节

细节一:铁钉和硫酸铜溶液反应时,教材中用作反应容器的锥形瓶上口配了橡胶塞。这一处理主要有两个目的:1.与红磷在密闭体系中燃烧的实验呼应,提示学生注意体系的密闭性,为后续的实验改进做铺垫;2.由于铜离子水解,硫酸铜溶液显酸性,铁钉加入硫酸铜溶液后,可能会产生少量的氢气。为了实验的严谨性,实验中做了密闭处理。

细节二:镁带燃烧是一个相对其他三个实验来说更为复杂的反应体系。镁带会消耗空气中的氧气,还会消耗空气中的氮气和二氧化碳,吸入的物质有多种可能,质量变化关系复杂;另外,镁带燃烧时产生大量白烟,白烟逸散到空气中,影响生成物的质量称量。多重因素同时影响,使得关于镁带燃烧前后的质量变化讨论更开放,但由于涉及的知识点太多,初中学生难免浅尝辄止。笔者认为,复杂体系的多因素讨论实验,在此处有一些超出范围,建议使用简单体系的金属实验,比如加热铜片等 。

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