守恒思想与微观模型相结合培养学生化学思维素养

摘 要：学习质量守恒定律不仅涉及物质质量的宏观变化，而且还要从化学反应的微观角度认识守恒的原因。在教学中逐步渗透“守恒思想”，让学生能用化学的思维去看待化学变化，认识物质性质。化学与其他学科最大的不同就是深入物质内部，从微观角度看待物质的构成，认识物质变化的实质，建立宏观、微观和符号之间的联系是化学学科的主要特点。

关键词：宏观辨识;微观探析;质量守恒

初中的化学是启蒙教育，带学生从化学的视角认识身边的物质及其性质、了解构成物质的微粒、物质间的转变关系、化学的基础思想方法等，化学与其他科学学科最大的不同就是：化学学习深入到物质的内部结构，从微观角度看待物质的构成、认识物质变化的实质。从化学角度认识看待物质，既要从宏观现象进行描述，还要能用微观过程来解释，最后还要用符号表征表示出这一变化。化学学科的重要特点之一就是建立宏观、微观和符号之间的联系。初中化学的学科核心素养之一就是“宏观辨识与微观探析”，在培养学生用科学的化学思维思考解决问题的同时，能建立微观的模型认知，用化学思维来分析解决问题。

初中化学研究的核心内容之一是化学变化。在化学变化，参加反应的反应物的质量总和等于生成物的质量总和，化学反应遵守质量守恒定律。守恒思想反映了在物质及其变化的本质属性和内在规律，是形成化学学科核心观念必备的知识。初中阶段主要认识反应过程的“质量守恒”，同时也为高中学习“得失电子守恒”“反应过程电荷守恒”“能量守恒”等打下基础。

最近几年的中考试题中的微观考题，常常将守恒思想与微观模型相结合，下面就以2020年全国各地的中考试题为例，进行分析。

类型一：以微观模型表示化学反应的过程

例题1 （广东深圳）我国化学家研究出一种新型催化剂，在太阳光照射下实现了水的高效分解。该反应过程的微观示意图如图：

下列說法错误的是（ ）

A. 表示的物质属于氧化物

B. 反应Ⅰ的化学方程式为H2O催化剂H2O2+O2↑

C. 反应Ⅱ中，反应前后原子的种类和数目均不变

D. 该成果对氢能源的推广应用有重要的实践意义

解析：A. 从右侧的原子示意图，可以推知分子结构模型表示的物质是水，水是由氢氧两种元素组成的，属于氧化物，因此A选项说法正确;

B. 由微观反应示意图可知，反应Ⅰ的化学方程式为2H2O催化剂H2O2+H2↑，B选项说法错误;

C. 由质量守恒定律可知，化学反应前后原子的种类和数目均不变，C选项说法正确;

D. 该反应在太阳能和催化剂的作用下可由水制备出氢气，对氢能源的推广应用有重要的实践意义。因此D选项说法正确。

试题通过微观粒子的过程反应模型图，考查了从微观角度对化学反应的认识。通过微观反应示意图把宏观物质和微观粒子联系起来，从微观的角度分析物质的变化原理是正确解答此类题的关键。解题的突破口是根据图示正确判断反应物与生成物，遵守质量守恒定律中宏观的“元素种类和质量不变”，微观的“原子种类、个数、质量不变”的原则。让学生能逐步树立“在变化过程遵循原子的三个不变”这一微观守恒观念，学会用微观的思维思考化学反应的实质。

类型二：通过微观模型判断物质或相关反应的量

例题2 （重庆A卷）工业生产硫酸中的某一步反应用微观模型图表示如下，下列说法正确的是（ ）

A. 反应前后硫元素的化合价从+2价变成+3价

B. 参加反应的反应物间分子个数比是1∶1

C. 反应前后分子数目不变

D. 该反应属于化合反应

解析：从右侧的原子示意图可以判断，反应前的框中有两种分子，二氧化硫分子和氧分子，反应后的框中也有两种分子，三氧化硫分子和氧分子。

A. 反应前二氧化硫中硫为+4价，反应后变为三氧化硫，硫显+6价，因此A选项错误;

B. 要判断参加反应的反应物分子个数比，从反应前后微粒图可以判断，反应前有2个氧分子，反应后还剩余1个氧分子，则参加反应的氧分子个数只有1个，所以二氧化硫分子与氧分子个数比为2∶1，因此B选项错误;

C. 反应前有4个分子，反应后分子有3个，数目发生了改变，因此C选项错误;

D. 二氧化硫和氧气反应生成三氧化硫属于化合反应，因此D选项正确。

例题3 （贵州安顺节选）在宏观、微观和符号之间建立联系是化学学科的特点。

（2）近年来，我国科研人员在“甲烷二氧化碳重整和Ni基催化剂”的研究方面取得突破。如图是甲烷与二氧化碳反应的微观示意图。

①在框内补充C的微观模型图 。

②该反应利用两种温室气体，兼具环保和经济价值;反应难点之一是破坏甲烷分子、二氧化碳分子的稳定结构，分为 （填微粒名称）并重新组合。

③写出该反应的化学方程式 。

解析：（1）①根据不同原子的图示可以判断，A是1个甲烷分子，B是1个二氧化碳分子，D是2个一氧化碳分子。则根据质量守恒定律，反应前后原子的个数不变可知，反应前有2个碳原子、4个氢原子、2个氧原子，反应后有2个碳原子、2个氧原子，还少了4个氢原子。则C物质为两个氢分子。故答案为：;②化学变化的微观实质是分子分裂、原子重组。该过程是甲烷分子分裂成碳原子、氢原子，二氧化碳分子分裂成碳原子、氧原子，每两个氢原子重新组合形成氢分子，一个碳原子和两个氧原子结合生成一氧化碳分子。故答案为：氢原子、碳原子、氧原子;③根据题②的分析可知，该反应是甲烷和二氧化碳在催化剂的催化作用下反应生成氢气和一氧化碳。则反应的化学方程式为：CH4+2O2催化剂2H2+2CO。

这两道题通过反应前后的物质微观图对反应过程物质量的关系、物质种类、反应类型等进行考查。在判断的时候，除了紧扣住反应前后各原子种类不变，个数不变，质量不变，还要注意质量守恒概念中的几个关键词，如“参加反应”“质量总和”“相等”。

从今年的中考试题中可以看出，微观题型的考查常常与质量守恒定律相结合，题型变化不仅体现化学中的“宏观辨识”——判断物质的类别、组成、反应类型、对生产生活实际意义，而且也体现“微观辨析”——物质構成的微粒个数比、化合价判断、参加反应的物质的质量比、化学式判断等。将“守恒思想”贯穿题目中，体现宏观角度的“元素种类、质量不变”，微观角度的“原子种类、个数、质量不变”。

在微观教学中，除了用模型思想让学生逐渐树立微粒观念外，还可以在教学中渗透化学史教学，让学生逐渐梳理“微粒形成”“质量守恒”的化学思想，在学习中用化学的思维去看待变化，解决问题。例如在《分子》教学中，可以从古代庄子提出的“一尺之椎，日取其半，万世不竭”说起。在《原子》教学中，可以从公元前5世纪古希腊的德谟克利特提出的原子学说，到1803年道尔顿提出“原子论”，再到1811年阿伏伽德罗提出的“分子学说”。通过科学家对物质构成的微粒不断认识与探索过程，学生可以深刻感受到科学的进步发展。

在“质量守恒定律”的教学过程中，通过课堂设计的“探究实验”让学生感受质量守恒定律，但不是为了“发现”质量守恒定律，而是要深刻理解、认识化学反应中物质质量的关系。课堂教学更应该侧重分析和推导，在计算反应物、生成物的质量时，应该是参加反应的反应物的总质量、所有生成物的总质量，不能遗漏任何一种反应物和生成物质量，特别是气体状态的物质，这是经常被忽略的;同时还有注意的是参加反应的物质质量才能计算，而参加反应的过量的物质、杂质等不能将其质量计算在内。在教学中不仅要引导学生从定量的角度加深对化学反应的认识，还要从微观的角度去进行宏观现象的解释。质量守恒定律不仅涉及物质质量宏观变化，而且还要从化学反应的微观角度认识学习。在教学中逐步渗透“守恒思想”，让学生能用化学的思维去看待化学变化，认识物质性质。

在平常的教学中，应该通过宏观现象与微观结构模型，架起宏观与微观的桥梁，将守恒思想贯穿于物质变化过程;通过化学特有的微观视角看待化学变化，培养学生用化学思维以及所学化学知识解决问题的能力，让初中学生通过一年的化学学习具备基本的化学核心素养。

参考文献：

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[5]刘升斌.例谈控制变量思想在中考复习中的渗透：从2017年福建省中考化学实验探究题谈起[J].化学教学，2017（12）.

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作者简介：张彦，福建省福州市，福建省福州第十九中学。