从定量研究的化学史中挖掘教学资源

包慧

摘要：在学习了质量守恒定律的基础上，进一步引导学生运用定律思考问题、分析问题，能运用定律设计实验，在实验中收集数据，并利用数据分析推理，最终得出结论，培养学生自主学习能力。

关键词：质量守恒定律;拉瓦锡;教学设计

文章编号：1008-0546（2021）09-0055-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.014

2020年10月份我接到南通市教科院的任务，将和前来交流学习的连云港市海州区的老师同题异构一节化学课，结合当时的教学进度我们锁定了“质量守恒定律”一课。由于各种原因这一节课一直拖延到了11月底，而“质量守恒定律”一课早已经讲完，考虑到当初确定的课题，同时也想尝试一个全新的课题，于是诞生了“再探质量守恒定律”一课。

一、设计思路

在和同备课组老师们的反复讨论研究下我们确立了一条以拉瓦锡为线索的设计思路，整节课通过创设实验情境，引导学生学会从定性到定量的化学研究方法，会依据质量守恒定律的原理设计实验.并能对实验数据进行分析和处理。

《义务教育化学课程标准》中对于质量守恒定律的标准表述为：认识质量守恒定律，能说明化学反应中的质量关系;认识定量研究对于化学科学发展的重大作用。活动与探究建议为：实验探究化学反应前后的质量关系;用微粒的观点对质量守恒定律做出解释[1]。《标准》对于在教学中质量守恒定律的定位如下：利用质量守恒定律的研究让学生学习从定性向定量切换;利用科学探究研究质量守恒定律的宏观原因;从微粒的角度研究质量守恒定律成立的本质原因;拓展质量守恒定律的应用，认识定量研究对于化学学科发展的重大作用[2]。

在传统教学中，学生学习了质量守恒定律以后虽然能依据定律解决一些计算题，但一味的解题，被动的运用定律失去了质量守恒定律的学科意义，影响了学生化学学习的兴趣。本节课通过创设实验情境，巧妙地设置问题，让学生在解决一个个问题的过程中主动应用质量守恒定律，从而加深对定律的理解，感悟质量守恒定律对于化学研究的重要意义。

本节课从人教版课本上拉瓦锡对于空气组成的研究中得出质量守恒定律作为引入，过渡到书本上对于空气组成的实验，巧妙地提出实验中红磷的用量问题，引导学生应用质量守恒定律解决问题。接下来由人教版课本上拉瓦锡对于水的组成的探究实验，过渡到书本上演示电解水的演示实验，引导学生应用质量守恒定律分析推导水的化学式。本节课最后通过在石棉网上加热纳米铁粉的实验，通过实验现象提出问题，即该实验中的产物是什么？学生再次应用质量守恒定律设计实验方案、收集实验数据、最终通过对数据的分析推导得出生成物的化学式。

二、教学过程

引入：同学们，两百多年前拉瓦锡在探究空气组成的实验中用精确的定量实验研究了氧化汞的分解和合成反应中各物质质量之间的变化关系，他将45.0份质量的氧化汞加热分解，恰好得到了41.5份质量的汞和3.5份质量的氧气，他通过大量的定量实验最终得出了质量守恒定律。请一位同学回顾一下质量守恒定律的内容。

生：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。

师：化学反应遵循质量守恒定律的微观原因是什么？

生：原子的三不变。

过渡：拉瓦锡在探究空气组成的实验中发现了化学反应中各物质之间量的关系。在前面的学习中，我们也曾模仿拉瓦锡的实验原理利用红磷测定了空气中氧气体积分数。在这个实验中为确保集气瓶内的氧气被完全消耗，我们在实际实验时总会取过量的红磷，实验后我们发现燃烧匙上有大量的红磷的剩余，造成了浪费。从环保和节约药品的角度考虑，至少需要取用红磷的质量是多少？

师：要解决这个问题，你觉得需要知道反应中哪种物质的质量？如何得出集气瓶内氧气的质量呢？进行什么样的实验操作呢？下面就请大家以小组为单位进行讨论。

[小组讨论]

师：我们请一个组来汇报一下他们讨论的方案。

生：红磷的用量需要根据集气瓶内氧气的质量来确定。

师：如何获知集气瓶内氧气的质量呢？

生：测量集气瓶内氧气的体积，再乘以氧气的密度就可以得出。

师：如何测量集气瓶内氧气的体积呢？

生：测量集气瓶中空气的体积。

师：如何测量？

生：测量集气瓶的容积。

师：如何测量集气瓶的容积？

生：排水法。

[学生实验]用排水法测量集气瓶的容积。

师：同学们你们得出你们手中集气瓶的容积了吗？对于刚才的探究你觉得有不严谨的地方吗？

生1：当塞上橡皮塞后，集气瓶内空气的体积要除去这部分体积。

生2：做这个实验前会在集气瓶内留少量水，所以集气瓶内空气的体积要除去这部分空气的体积。

师：如何解决这样的问题呢？同学们有什么样的好办法？请再讨论讨论。

[小组讨论]

师：你们是怎么解决刚才的两个问题的？

生：集气瓶注满水后塞上橡皮塞，然后取下橡皮塞，再将集气瓶中大部分的水倒入量筒中，集氣瓶中最后留少量的水，并做上记号。

[学生实验]用改进后的方法再次测量集气瓶内空气的体积。

师：集气瓶内空气的体积有了，我们如何计算出集气瓶内氧气的质量呢？还需要查阅哪个物理量？

生：氧气的密度。

师：已知氧气的密度是1.429g/L，请同学们在下面动手算一算。我请一个同学到黑板上来算。

[学生板演]

师：在刚才的计算过程中，有些同学没能得出正确答案，请**分享一下自己错误的原因。

生：直接用集气瓶内空气的体积乘以氧气的密度，忘记氧气约占空气总体积的21%。

师：氧气的质量有了，现在你们能计算红磷的质量了吗？继续算一算吧。

[学生板演]

师：0.03g的红磷究竟是多少？我们一起来看一看图片。一药匙的紅磷大约是2.6g。所以在实验中，我们取满满一药匙的红磷肯定会有所剩余。

过渡：拉瓦锡通过定量实验不但成功地测定了空气中氧气的体积分数还得出了水的组成。让我们一起来看看他是如何做的。他让水蒸气通过一根烧红的铁制枪管，结果得到了氢气，同时枪管表面有黑色固体生成，主要是四氧化三铁。拉瓦锡通过对数据的分析和归纳得出了水的组成，你知道他得出实验结论的依据是什么吗？

生：质量守恒定律。

师：现在也请你利用我提供的实验数据进行分析：16.8g的铁与足量的水蒸气充分反应，得到23.2g四氧化三铁，同时生成9L的氢气，在该条件下氢气的密度是0.089g/L，你能推出水的化学式吗？

[小组讨论]

师：请这个组派一个代表到讲台上讲一讲你们是如何进行推算的。

[学生板演]（图1）

过渡：由拉瓦锡探究水的组成的实验反观我们课本上电解水实验，你们觉得要得出水的化学式，还需要查阅哪些信息？

生：氢气和氧气的密度。

师：已知氢气的密度是0.089g/L，氧气的密度是1.429g/L，请你们在下面推算水的化学式。

过渡：同学们有没有发现我们刚刚探究的两个实验都是在学习质量守恒定律之前学习的，今天我们像拉瓦锡一样应用质量守恒定律定量实验的思想对两个实验再次进行了探究，经过对数据思考和分析，我们对这两个实验都有了新的认识。拉瓦锡也正是对许多化学反应进行了定量的研究，归纳出了质量守恒定律，得出了许多宝贵的实验结论，这对于推动化学学科的发展起到了至关重要的作用。因此拉瓦锡被称为“定量化学之父”。下面请大家继续运用拉瓦锡研究问题的方法思考这样一个问题。

[演示实验]在石棉网上加热一定质量的纳米铁粉。

师：根据实验现象猜测纳米铁粉在空气中加热的过程中与空气中的哪种物质发生了化学反应？通过研究纳米铁粉的确是与氧气发生了反应，那么生成物究竟是什么呢？如何通过实验来测定呢？

[小组讨论]

师：请这组的同学说一说你们打算如何展开探究。

生：首先称量一定质量的铁粉和石棉网的质量，在空气中充分加热，然后称量反应后铁粉和石棉网的质量，增加的质量就是生成物中氧元素的质量。再根据铁氧元素的质量比得出铁氧原子的个数比，就可以得出生成物的化学式了。

师：如何得知铁粉已经完全与氧气发生反应了呢？

生：加热至固体质量不再增加。

[演示实验]充分加热铁粉至固体质量不再增加。

师：请根据实验的数据推算生成物究竟是什么？

[学生板演]（图2）

师：通过今天的探究同学们一定感受到了对于化学问题的研究，不但需要设计好实验，而且需要对数据进行合理的分析和处理，这样才能得到正确的结论。今天我们的课题是再探质量守恒定律，在拉瓦锡实验的指引下，在具体问题的探究过程中，我相信同学们对质量守恒定律一定有了更加深刻的理解。

三、教后反思

首先，本节课中两次引入了化学家拉瓦锡的故事，这不但丰富了本节课的教学内容，而且让学生感悟到科学发展中人们是如何通过系统地收集数据来分析归纳最终得出结论的过程。精心选择与学生认知、教学内容相匹配的化学史，不仅促进学生对知识的理解，还能发展学生证据推理、科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

其次，本节课的实验探究中学生对实验的研究从定性分析跨越到定量分析，实现了思维方式的提升。从定性到定量的科学方法使人类认识事物时由模糊变得清晰，由抽象变得具体。在化学实验探究中定量分析方法的运用，具有其特定的学科特点，将会助推学生理解科学本质，提高科学素养[3]。

最后，本节课的整个教学设计体现以学生为本的理念，以学情为起点，创设真实而富有价值的问题情境，使每一个学生以愉快的心情去学习生动有趣的化学，激励学生积极探究化学变化的奥秘，让学生有更多的机会主动地体验探究的过程，在知识的形成、相互联系和应用过程中养成科学的态度，学习科学的方法。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012

[2]陈欢.“化学反应中的质量关系”的教学素材选择研究[J].化学教与学，2020（11）：10-14

[3]闵蓉蓉.化学文化视角下定性定量分析方法的实践[J].数理化解题研究，2018（8）：77-78