基于化学史实认识物质世界的“质量守恒定律”

对客观物质世界的认识包括对物质的组成、形态、属性、运动变化等的认识。义务教育阶段的化学教育旨在帮助学生正确认识并理解物质的组成、性质、结构与变化规律,是学生形成正确物质世界认识观的关键阶段。质量守恒定律作为化学中的一个基本定律,被纳入初中九年级《化学》(人教版)上册第五单元课题1的内容当中,属于课程标准中的一个重要主题。此知识点主要包括质量守恒定律概念的介绍及其内在实质的解释以及质量守恒定律的应用及其分析两个方面。通过质量守恒定律的教学,教师引导学生进一步加深对物质世界化学变化的认识与理解,培养学生从宏观到微观尺度分析问题的能力、从“变”与“不变”中理解物质转化的能力、从实验模型构建到内在机理解释的探究能力,进而形成对客观物质世界的科学认识。一、教学前期分析(一)知识分析质量守恒定律作为自然界最为基础的一个守恒规律,是初中阶段化学课程中的一个重点内容。从学科知识来看,质量守恒定律揭示了化学变化前后质量不变的客观事实,构建了对于化学变化的宏观认识;在微观层面,质量守恒定律从原子级别解释了化学变化的实质,拓展了对于化学变化认识的新维度。质量守恒定律的学习有利于学生形成系统分析化学变化的思路和方法,提升对于物质世界化学变化的科学认识。(二)教材内容及考试要求人教版教材中质量守恒定律的内容为:参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后各物质的质量总和。教材也对质量守恒定律进行了微观层面的解释:化学反应的实质是参加反应的各物质的原子重新组合形成新物质分子的过程,在化学反应前后,原子的种类没有改变、数目没有增减、原子的质量也没有发生改变,因此参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后各物质的质量总和。基于质量守恒定律这一知识点进行的考查包括多个方面:(1)根据质量守恒定律解释一般化学现象,从质量、元素、原子等角度理解化学变化的实质内涵;(2)根据质量守恒定律确定化学反应方程式中某物质的化学结构式、相对分子质量或者某元素质量,配平化学方程式。总之,质量守恒定律属于中考以及阶段性考试等各类考试中的核心考点,是初中化学阶段的重要知识之一。(三)学情分析学生在学习该课程之前已经对常见的化学现象有所了解,对于化学变化前后的质量变化具有感性认识,但对化学变化前后物质质量的一般变化规律仍然难以进行科学分析与合理解释,这说明需要进一步从化学变化的实质来理解化学变化的质量变化规律。因此,需要围绕常见的化学现象、历史上的科学尝试以及组织学生开展相关实验,让学生认识、理解并掌握质量守恒定律。二、教学目标及教学设计(一)教学目标(1)了解质量守恒定律的含义,能从化学变化中原子守恒的视角解释质量守恒定律,能够运用质量守恒定律解释化学变化。(2)通过质量守恒定律研究过程中的实验探究,认识化学研究中的实验设计思路与方法。(3)拓展宏观与微观层面的科学研究思维,初步建立科学的物质世界认识观。(二)教学设计1.教学流程2.教学过程本课设计思路为基于化学史实角度认识质量守恒定律概念,创设质量守恒定律发展史上的实验复盘情境,通过实验过程中的宏观现象认知质量守恒定律,再结合实验从微观角度解释质量守恒定律。考虑到实验的可操作性、学生的可参与性以及实验结果的可分析性,同时充分考虑到从宏观与微观角度理解质与量变化的关系,设计了如下的教学方案。环节一化学史上的实验复盘教学环节教师活动学生活动教学意图联系生活【讲述】生活中有很多物质可以燃烧,同学们能举出一些例子吗?你们认为物质燃烧后质量如何变化?联系生活和所学化学知识,回答问题。引出学生对反应前后质量变化的思考。构建模型燃素说物质燃烧氧化论【实验】首先,我们来做“滤纸燃烧”的实验,同学们注意观察。(请一位同学上台演示实验)【提问】据此,请你们预测物质燃烧后质量变化,是增加,还是减少?观察实验现象。思考问题,根据实验数据回答:纸张燃烧,产生白烟,化为灰烬,质量减轻。【追问】那么请大家思考:你们认为质量减轻的原因是什么?【讲述】没错,确实是某些可燃物减少了,你们的想法和16世纪的化学家们不谋而合,他们认为可燃物由燃素构成。燃素是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种微粒既能同其他元素结合而形成化合物,也能以游离方式存在。化学家认为燃烧是分解、释放燃素的过程,燃烧产物应该比可燃物质量轻。【设问】可燃物燃烧后质量一定都减少吗?回答:某些可燃成分减少了!【讲述】其实这样的疑惑同样存在于17世纪的英国化学家波义耳心中,为了探究可燃物燃烧后质量变化规律,他曾经做了一个著名的实验,他在敞口容器中加热金属,结果发现反应容器中固体的质量增加了。金属加热质量真的会变大吗?下面我们一起来验证波义耳的实验结论。【实验】教师演示铁丝棉燃烧实验,并测反应前后质量变化(邀请学生协助观察反应前后质量变化)。【设问】你能根据“燃素说”帮助波义耳解释质量变大的原因吗?观察实验和交流讨论。回答:空气中的某种燃素与铁丝结合,质量增重。【设问】究竟物质燃烧后质量变化的特征是什么呢?有没有规律呢?下面我们再继续通过红磷燃烧实验探究物质燃烧前后质量变化的规律。观察实验现象,回答:不科学严谨。【设问】根据燃素说,红磷燃烧后消失,说明燃素消失了,理论上质量应该变小,但是为什么质量不变呢?你认为可能的原因是什么?请你提出假设。【讲述】没错,拉瓦锡也认为“燃素说”是错误的!他通过著名的氧化汞分解和生成实验推翻了燃素说。拉瓦锡提出了物质燃烧氧化论。【设问】请你分析拉瓦锡的氧化汞分解和生成以及红磷燃烧实验,质量前后都不变的可能原因是什么。【提示】注意这两个实验中用到的反应装置与前面实验的区别,你能想到什么?回答:开放体系和密闭体系对反应前后质量的测量有影响。通过实验引发学生思考并且使其认识燃烧前后物质的状态和质量关系,通过燃素说初步建立微观概念。使学生学会就已学的知识和实验现象进行思维碰撞,积极思考。从燃素说过渡到波义耳实验再到拉瓦锡实验,从变小到变大再到不变,促使思维不断转变。环节二探究实验开展学生通过化学史上的实验复盘,了解质量守恒定律的发现过程,将对定律感性的认识逐渐发展成为理性的认识;基于不同实验条件下产生的不同结果的辨析,不断透过实验现象追寻科学结论。为了进一步加强学生对于定律的掌握与运用,继续开展一系列探究实验,让学生在新的化学变化中理解质量守恒定律的本质以及化学变化的内涵。教学环节教师活动学生活动教学意图证据推理模型认识宏观辨识微观探析【讲述】直到道尔顿提出了原子论,我们才可以用化学反应的微观变化来解释反应前后质量的变化关系。请同学们看电解水的微观变化。【视频】模拟水电解反应过程:H2O通电→H2+O2【问题】反应前后有哪些不变,又有哪些改变?观察角度不变改变宏观微观【小结】实质:在化学反应中,反应前后原子的种类没有改变,数目没有增减,原子的质量也没有改变。观察并思考。改变:宏观———物质的种类;微观———分子种类。不变:微观———原子种类、数目和质量。【提问】明白了质量守恒定律后,新的问题又来了:刚刚我们做实验中纸张和铁丝燃烧为什么反应前后质量不相等,难道这种说法有特例?你们的看法是什么?相互讨论,提出想法。使学生从宏观到微观、从定性到定量地认识化学反应前后的变化情况。科学探究创新意识【过渡】虽然我们通过燃烧发现了质量守恒定律,但是其他化学变化是否也遵循质量守恒呢?下面请大家小组合作来验证。【提问】你们能根据今天所学的内容来预测化学反应前后质量如何变化吗?你们的依据是什么?如何完成该实验?实验一:铁钉与硫酸铜溶液的反应Fe+CuSO4→Cu+FeSO4实验二:碳酸钠与盐酸溶液的反应Na2CO3+HCl→NaCl+H2O+CO2↑分组讨论,设计方案;小组实验,给出解释,得出结论。以实验为基础培养学生分析问题能力和创新意识。科学论证形成结论【结论】质量守恒定律: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。微观本质:在化学反应中,反应前后原子的种类没有改变,数目没有增减,原子的质量也没有改变。【讲述】今天我们从燃素说到物质燃烧氧化论再过渡到原子论,从现象到本质、从宏观到微观,认识了化学反应前后质量的变化关系。学了这么多,你们又有哪些收获呢?联系所学归纳总结,发表观点。使学生学会归纳总结所学知识并会运用已学的知识解决某些问题。三、总结与升华——构建正确的物质世界认识观(一)科学史追溯质量守恒定律作为化学这座学科大厦的地基之一,建立在大量科学实验的基础之上,涉及物质“质”与“量”的宏观与微观变化,是科学家通过多个理论的提出以及反复多次论证才得以确立的。16世纪末德国化学家施塔尔提出“燃素说”,他定义“燃素”是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。燃素的微粒既能以游离方式的存在,也能与其他元素结合而形成化合物。因此,施塔尔认为物质在空气中燃烧是物质失去燃素、空气得到燃素的过程,燃烧产物的质量必然减轻。“燃素说”体现了当时的科学家依据物质燃烧这一现象尝试解释化学变化一般伴随质量变化方向规律,然而受到当时认识与实验手段的限制,表现出的是一种最朴素的物质世界认识观。17世纪英国化学家波义耳设计在一个敞口的容器中加热金属,结果发现反应后容器中固体的质量增加了,这有效地驳斥了“燃素说”,但是他并未提出全新的理论来解释已有的实验现象。18世纪法国化学家拉瓦锡在密封容器中研究氧化汞的分解与生成时,发现反应前后体系中物质的总质量不变,这就在宏观层面初步提出了化学反应前后质量守恒的概念。从施塔尔的“燃素说”发展到拉瓦锡的“物质燃烧氧化论”,初步建立了质量守恒定律的实验雏形,但仅从宏观层面揭示了“量”的不变,并没有给出更深层次的“质”的理解。直到19世纪英国化学家道尔顿提出“原子论”,认为物质都是由原子组成的,这才从微观层面上解释了质量守恒定律的内在实质——化学反应前后原子的质量、数量与种类保持不变,因而反应前后的物质质量之和必然不变。纵观质量守恒定律的确立,经历了朴素的物质世界认识观到科学的物质世界认识观的发展过程,对质量守恒定律发现史的学习,有助于学生建立科学的物质世界认识观。(二)化学史实验复盘以化学史发展为情境主线,以实验复盘为手段,以问题线索为辅助来探究化学反应前后的质量变化关系,构建化学反应前后表观质量三种不同的变化结果(质量减少、质量增加与质量不变),帮助学生更深刻地认识化学反应的内在本质,发现自己的认识误区,更深刻地理解化学反应中物质质量的关系,掌握质量守恒定律,并通过所掌握的规律分析,解释相应的化学物质变化问题。