初中化学实验专题复习模型建构——以“与压强有关的实验”为例

张亚琴

(江苏省如皋初级中学,江苏 如皋 226500)

本文选取与压强有关的化学实验作为复习专题,通过再现课本原型实验,探寻密闭体系内压强变化背后隐含的实验原理,从宏观与微观的角度对其进行分析推理,分类解释,归纳总结出引起压强变化的因素,建构“与压强有关的实验”思维模型.

1 再识课本实验,建构思维模型

压强是物理概念,且与压强相关的实验分散在各个章节中,大多数学生尚不能自发融合各学科间的学科知识,更不能系统地、有规律地去分析解决相关的实际问题[1].

1.1 再现与压强有关的课本实验

现行义务教育教科书九年级化学上、下册课本中就有很多涉及到压强变化的实验,如滴管吸取和滴加少量液体、检查装置的气密性、气体的性质实验、验证质量守恒定律等等.通过对课本实验分类整理后发现,对有关压强变化实验的安排遵循从单一因素过渡到多种因素,从物理原因过渡到化学原因,再逐渐上升到理化综合原因,实验体系由简单到复杂,符合学生的认知规律,有利于提高学生证据推理能力.

1.2 寻找引起密闭体系中压强变化的因素

大气压的本质是大量气体分子做无规则运动时给予物体表面的撞击力,气体分子越密集,撞击力越大,反之,则越小. 图1是用胶头滴管吸取和滴加少量液体的实验(图1上标注的箭头方向为气体或液体流向).图2是“挤”与“松”胶帽过程的微观模型图,挤压胶帽,气体分子间间距变小,胶帽内气体压强(p1)变大,即p1>p0,液体由高压向低压移动;松开拇指,气体分子间距变大,气体压强(p2)变小,即p2

图1 胶头滴管吸取和滴加液体 图2 胶头滴管使用过程的微观示意图

装置气密性检查实验(如图3所示)是气体制备和部分性质实验必不可少的一个环节(图3中箭头方向为气体或液体的流向).对比两幅图片发现,“一握一松”两种不同的实验操作产生的实验现象迥异.用双手紧“握”试管外壁,给实验体系提供能量,表现为温度升高,而“松”则使温度恢复至室温.用分子的性质解释,温度升高,分子能量增大,运动加剧,分子间间隔变大(如图4所示),试管内气体压强(p3)增大,即p3>p0,试管内气体由高压向低压流动,导管口有气泡冒出.当温度降至室温后,分子间间隔变小,且因气体的逸出,气体的量变少,试管内气压(p4)小于p0.当气体的量和容器的体积一定时,压强随温度的升高而变大,反之,则变小;当温度和容器的体积一定时,压强随气体的量减少而变小,反之,则变大.

图3 检查装置气密性 图4 粒子受热或降温的微观示意图

对以上实验的归纳整理可得,对于确定的密闭体系,引起压强变化的因素有温度、容器的体积、气体物质的量等.通过一定的实验操作如改变实验体系的温度或规范合理的实验操作均可制造压强差.

由生活经验可知,二氧化碳能溶于水.为验证二氧化碳的溶解性,课本实验采用废弃的软塑料瓶做实验容器,通过软塑料瓶变瘪这一现象指示瓶内压强变小,推测气体的量减少.因此,物质体系、适当的仪器装置也会引起密闭体系内气压变化.

在密闭体系中,能引起气压变化的原因有物理原因与化学原因(如图5所示).

图5 影响密闭体系中压强的因素

“与压强有关的实验”专题复习的主旨是基于证据的基础上进行分析推理,紧扣影响压强的因素,从物理和化学的角度充分挖掘压强变化背后隐含的实验原理,并对其进行分类解释,以期培养学生对证据的分析推理能力,提高学生解决综合问题的能力.

1.3 建构 “与压强有关实验”的思维模型

与压强有关的课本实验以验证性实验为主,即化学体系已确定,为了观察到明显的实验现象,通常需要创设特殊的密闭体系,这种密闭体系的特殊性在于实验装置本身或经某操作后必须能够引起压强变化,如二氧化碳的溶解性实验中用软塑料瓶替代玻璃容器;二氧化碳制备实验中提供的注射器等.因此,适当的仪器装置与规范合理的实验步骤是确保实验成功的关键.

化学体系的选择应为实验体系的重要环节,这也是综合实验考查的必考点,以测定空气里氧气含量实验的化学原理为例:拉瓦锡研究空气成分实验中选择汞消耗曲颈甑中的氧气;课本实验则用红磷替代汞进行实验;2015年江苏省南通市中考化学试卷的第24题探究题中采用脱氧剂替代红磷,上述三个实验的化学体系中虽然选择的物质不同,但其实验原理基本一致,都是选择一种物质仅能与氧气反应,使密闭体系内气体压强变小,从而达到实验目的.

“与压强有关的实验”专题复习需综合考虑化学实验体系三要素与压强变化、实验现象以及实验结论之间的关系,形成与压强有关实验的一般思路和方法(如图6所示).

图6 “与压强有关的实验”思维模型

具体实验方案的设计和实施过程:选择正确的化学体系,将其置身于特定的实验装置,经规范合理的操作后,对观察到的实验现象进行分析推理,归纳总结得出结论.其中,明显的实验现象指示着密闭体系中压强的变化,是进行实验分析的重要证据,但不一定是有效证据,还需将压强变化情况与化学原理进行联系,并对其进行分类分析,筛选出与引起气压变化因素相关的有效证据,从而得出实验结论.

2 解决实际问题,应用思维模型

题目1 为了帮助同学们更好地理解空气中氧气含量测定的实验原理,老师利用传感器技术定时测定了实验装置(如图7所示)内的压强、温度和氧气浓度,三条曲线变化趋势如图8所示.下列说法错误的是( ).

图7 测定空气里氧气含量实验 图8 压强、温度、氧气浓度变化曲线

A．图7使用电烙铁发热引燃物质红磷,使实验结果更精确

B．图8中曲线X表示压强变化,Y表示温度,Z表示氧气浓度

C．AB段变化的原因是由于温度升高所增加的气压大于氧气消耗所减小的气压

D．据图8,t时刻才打开K,此时装置降至原温度、氧气耗尽、水进入集气瓶

分析本题是在已知实验体系、实验现象、实验结论的基础上考查密闭体系中气体压强随温度及氧气浓度实时变化的情况.

本题选项C是对实验体系中压强变化情况的分析,紧扣化学实验体系的三要素,寻找引起压强变化的因素.实验开始,实验装置及实验操作不变,化学体系中,反应物氧气的量减少,气压变小;温度升高,气压变大;综合比较,AB段明显增加的原因是温度升高所增大的气压大于氧气消耗所减小的气压.

本题采用传感器技术实时采集数据、处理数据,并实时绘制实验过程中压强变化的曲线图,解题的关键在于将曲线变化情况与化学实验体系的三要素进行联系,找出实验体系中的气压变化的因素,并进行分类处理、对比分析、综合比较,从而得出结论.

3 自主设计方案,深化思维模型

题目2 化学是一门以实验为基础的学科.根据如图9回答问题:

图9 实验室里制取气体的一些装置图

实验室制取二氧化碳,发生装置要能达到“随开随起,随关随停”,需要选用的仪器和用品有____;检查该装置气密性的方法是:____,则气密性良好.反应的化学方程式为____;若选用的收集装置是C,则二氧化碳应从____(填“m”或“n”)进入.

分析本题对实验室制取二氧化碳的实验进行了考查,涉及到装置气密性的检查、实验装置的选择等知识点.其中二氧化碳发生装置的设计和评价是本题的难点.

本题考查二氧化碳发生装置的设计与评价,可运用“与压强有关的实验”思维模型进行分析,首先考虑化学体系,化学反应是有条件,两种反应物需接触才可能发生反应,否则不能发生或停止反应.实验室通常用石灰石与稀盐酸为原料制取二氧化碳气体,稀盐酸呈液态,可通过制造压强差控制液体的上升或下降,实现石灰石与稀盐酸的随时接触或分离.选用FHG进行组装,打开止水夹,石灰石与稀盐酸接触,反应发生;关闭止水夹,试管内气压变大,酸液被压回长颈漏斗,达到“随开随起,随关随停”的目的[2].

学生借助思维模型能够运用科学的思维方式有序的、理性的自主设计实验方案,还能有效避免描述不清、答案不全等现象,从而逐渐养成解决复杂问题的能力.