洪 璐

(合肥市第七中學(xué),安徽 合肥 230088)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中在第四部分“課程內(nèi)容”主題1化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究中提出:了解物質(zhì)的量及其相關(guān)物理量的含義和應(yīng)用,體會(huì)定量研究在化學(xué)學(xué)科中的重要作用[1].由物質(zhì)的量為核心概念,以摩爾質(zhì)量、濃度、阿伏加德羅常數(shù)等化學(xué)概念為次要概念以及這些概念之間的相關(guān)聯(lián)系,共同構(gòu)成了物質(zhì)的量概念體系.

因此本文對(duì)高中化學(xué)“物質(zhì)的量”進(jìn)行單元內(nèi)容整合,指出物質(zhì)的量作為一種化學(xué)計(jì)量的工具,其過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)都體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程和延續(xù),從而確定單元主題為——發(fā)展中的化學(xué)計(jì)量.

1 單元深度學(xué)習(xí)目標(biāo)

該單元的教學(xué)目標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 單元教學(xué)目標(biāo)

2 單元教學(xué)設(shè)計(jì)——以“氣態(tài)粒子的那些事”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

環(huán)節(jié)一:探究物質(zhì)體積大小的影響因素

【問(wèn)題情境】根據(jù)所給數(shù)據(jù)算出對(duì)應(yīng)體積,每組同學(xué)算一種物質(zhì),小組討論,尋找體積與物質(zhì)的量之間的關(guān)系.

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生自己操作并記錄數(shù)據(jù).

【成果匯報(bào)】1 mol任何氣體,無(wú)論是純凈氣體還是混合氣體,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,氣體體積都約為22.4 L.注意到只要溫度和壓強(qiáng)一定時(shí),氣體摩爾體積是個(gè)定值,與氣體種類無(wú)關(guān).

【設(shè)計(jì)意圖】這部分幫助學(xué)生喚起前一課時(shí)的關(guān)于物質(zhì)的量和氣體摩爾體積所學(xué)內(nèi)容,學(xué)生通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)可以直觀感受到氣體摩爾體積與氣體種類無(wú)關(guān),與溫度和壓強(qiáng)有關(guān),并存在定量關(guān)系,引出下一環(huán)節(jié)的探究活動(dòng)[2].

環(huán)節(jié)二:探究影響物質(zhì)體積的因素

【問(wèn)題引導(dǎo)】當(dāng)溫度和壓強(qiáng)一定時(shí),氣體摩爾體積是個(gè)定值.那么固體、液體的摩爾體積有什么規(guī)律呢?

【學(xué)生活動(dòng)】觀察石墨烯的高分辨圖像按相同比例模擬下的氣體圖,并從微觀粒子的角度思考影響這些物質(zhì)體積的因素.

【問(wèn)題引導(dǎo)】影響不同狀態(tài)下物質(zhì)體積的主要因素是什么?

【交流匯報(bào)】對(duì)于固體物質(zhì)而言,微粒之間排列非常緊密,微粒本身的大小遠(yuǎn)大于微粒間距,因此在微粒數(shù)目一定時(shí),影響固體物質(zhì)體積的主要因素是微粒本身的大小,而微粒間距可以忽略不計(jì),液體物質(zhì)由于和固體物質(zhì)一樣都是緊密堆積,因此影響液體物質(zhì)體積的因素與固體物質(zhì)是一樣的.

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生通過(guò)觀察固、液、氣三種微觀圖片,體會(huì)在微粒數(shù)目相同時(shí),微粒間距與微粒大小對(duì)物質(zhì)體積的影響.這種教學(xué)情境有助于學(xué)生由宏觀模型聯(lián)系到化學(xué)的微觀世界,便于想象和理解“影響物質(zhì)體積大小的因素”.好的教學(xué)情境可以調(diào)動(dòng)積極的學(xué)習(xí)氛圍.

環(huán)節(jié)三:探究影響氣體體積的主要因素

【問(wèn)題引導(dǎo)】結(jié)合前面內(nèi)容,影響氣體體積主要因素——微粒間距,是如何受溫度和壓強(qiáng)影響?氣體體積與溫度、壓強(qiáng)之間的定量關(guān)系是什么?

【學(xué)生活動(dòng)】分組實(shí)驗(yàn),用蓋子堵住針筒出口,形成密閉體系,分別擠壓和抽動(dòng)活塞,觀察針筒體積大小.再將針筒分別放在熱水、冷水中,觀察氣球體積變化.

【實(shí)驗(yàn)展示】在探究氣體體積與溫度、壓強(qiáng)的定量關(guān)系時(shí),可以借助手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀器,驗(yàn)證波義爾定律和蓋·呂薩克定律.

【實(shí)驗(yàn)2】用熱水澆灌針筒外壁,使用溫度傳感器測(cè)量流過(guò)針筒外壁水的溫度,記錄針筒的刻度變化,待針筒外壁自然冷卻后再記錄針筒的刻度,可以得到氣體體積與溫度之間的關(guān)系:V∝T.

【實(shí)驗(yàn)3】將兩個(gè)分別裝有一定量的氯氣和空氣針筒,用帶開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)接管連接,記錄氣體刻度后,打開(kāi)開(kāi)關(guān),觀察現(xiàn)象及針筒刻度的變化.觀察到,混合前后兩端針筒的刻度讀數(shù)并沒(méi)有改變,說(shuō)明在恒溫恒壓下,任何氣體的微粒間距都是相同的,因此不反應(yīng)的氣體體積與物質(zhì)的量的關(guān)系:V∝n.

【討論匯總】從微粒角度來(lái)看,壓強(qiáng)或溫度改變,使氣體微粒間距發(fā)生變化,氣體體積發(fā)生改變;若溫度和壓強(qiáng)一定,任何氣體的微粒間距都相同,混合氣體體積可以直接加和.由此,形成數(shù)學(xué)定量關(guān)系式V∝nT/p,代入1 mol不同氣體在不同溫度和壓強(qiáng)下的體積數(shù)據(jù),得到一個(gè)常數(shù)R,形成公式pV=nRT.

【科學(xué)史展示】這個(gè)公式在1834年就被發(fā)現(xiàn),稱之為“理想氣體狀態(tài)方程”,也稱克拉伯龍方程.

【問(wèn)題引導(dǎo)】請(qǐng)同學(xué)們利用pV=nRT,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀況下(T=273 K、p=101.325 kPa,n=1 mol,R=8.314 kPa·L3·mol-1·K-1)下的氣體摩爾體積,并考慮是否只有在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,氣體摩爾體積才是22.4 L·mol-1?

【學(xué)生活動(dòng)】代入數(shù)據(jù),計(jì)算出標(biāo)況下氣體摩爾體積≈22.4 L·mol-1,根據(jù)V=nRT/p知道,當(dāng)壓強(qiáng)和溫度同時(shí)增大或減小時(shí),V也可能是22.4 L·mol-1.

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生從課堂活動(dòng)和生活常識(shí)粗略的了解到“壓強(qiáng)越大氣體體積越小”“熱脹冷縮”等原理,而手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加精確地認(rèn)識(shí)到壓強(qiáng)、溫度與氣體體積的定量關(guān)系,從感性認(rèn)知上升到理性思維,從定性研究轉(zhuǎn)變到定量研究,為后面學(xué)習(xí)阿伏加德羅定律做好鋪墊.通過(guò)引入科學(xué)史,帶領(lǐng)學(xué)生循著科學(xué)家的腳步探索,讓學(xué)生充分體會(huì)到科學(xué)探究的樂(lè)趣[3].

環(huán)節(jié)四:推導(dǎo)阿伏加德羅定律、學(xué)習(xí)阿伏加德羅常數(shù)的歷史發(fā)展

【問(wèn)題引導(dǎo)】根據(jù)公式pV=nRT,請(qǐng)描述T、p、V、n之間存在哪些定量關(guān)系.

【學(xué)生討論】相同溫度、壓強(qiáng)時(shí),氣體的體積之比等于物質(zhì)的量之比.

【原理揭示】阿伏加德羅定律揭示了微觀原子或分子的性質(zhì)與物質(zhì)的宏觀特性之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系.

【問(wèn)題引導(dǎo)】阿伏加德羅定律與阿伏加德羅常數(shù)有什么關(guān)系呢?

【科學(xué)史展示】很多人會(huì)誤以為阿伏加德羅常數(shù)是阿伏加德羅本人提出的,其實(shí)不然.阿伏加德羅只提出了阿伏加德羅定律,并沒(méi)有提出阿伏加德羅常數(shù).1811年,阿伏加德羅提出,在同溫同壓下,相同體積的任何氣體都含有相同數(shù)目的分子.

這句話啟示人們,可以通過(guò)測(cè)定氣體體積來(lái)間接測(cè)定氣體分子數(shù).1909年,法國(guó)物理化學(xué)家佩蘭用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“分子”的客觀存在,為了紀(jì)念阿伏加德羅的貢獻(xiàn),他測(cè)出并命名了“阿伏加德羅常數(shù)”這一名詞.

【討論匯報(bào)】阿伏加德羅常數(shù)是對(duì)阿伏加德羅定律的一個(gè)繼承和證明,而這中間相隔了近百年的時(shí)間,科學(xué)發(fā)展不是一帆風(fēng)順的,也感受科學(xué)家在探索科學(xué)時(shí)的毅力與艱辛.

【問(wèn)題引導(dǎo)】為什么人教版(2019)化學(xué)必修1中,定義阿伏加德羅常數(shù)的數(shù)值時(shí),刪除了“與0.012 kg12C所含有的碳原子數(shù)相同”這句話?

【討論總結(jié)】科學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)展,阿伏加德羅常數(shù)如果一直依賴于12C質(zhì)量的測(cè)量將永遠(yuǎn)存在誤差.

【科學(xué)史展現(xiàn)】2018年11月,國(guó)際計(jì)量大會(huì)更改摩爾的定義,其定義將不再依賴于物質(zhì)質(zhì)量存在,而直接定位確定的量綱.

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程,逐步推導(dǎo)出阿伏加德羅定律及其推論,從阿伏加德羅定律的意義體會(huì)到阿伏加德羅在當(dāng)時(shí)提出時(shí)的偉大貢獻(xiàn),但是經(jīng)歷了近一個(gè)世紀(jì)才被后來(lái)的科學(xué)家證明并命名出阿伏加德羅常數(shù),讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)的發(fā)展不是一蹴而就的,需要幾代人的繼承和努力[4].

【課后作業(yè)】請(qǐng)模仿阿伏加德羅定律,根據(jù)pV=nRT及“三同定一同”“二同定比例”的數(shù)學(xué)思想,試著推導(dǎo)出其他有關(guān)p、V、n、T的推論.

3 教學(xué)反思(略)