物质的量教案

物质的量教案（一）教学背景分析物质的量这一课在现人教版化学教材中是必修一第一章的第二个内容。第一个内容实验基础是对初中化学学习的过渡，从实验也引出了化学学科发展对定量的必然要求，也正是本节课内容的意义之所在。物质的量这一节课可以认为是整个高中化学学习的第一个正式的新内容，同时，这一节课的内容将成为之后所有化学学习的工具；它是进入定量化阶段之后的化学科学的基本语言，也是化学渐入成熟的一个标志。这一节课的学习可以帮助学生从原有的初中化学学习状态拉出来，从识记为主的化学扫盲阶段转而进入对一门新的科学的学习，是对化学学科产生严格、科学的态度的开端。反之，如果这一节课不能给学生这种严格、科学的态度，将会导致学生对化学学科的定位产生混乱，不能将其视为科学，更难以科学的态度来对待化学学科的学习，也就更不用说激发对化学的兴趣或者培养化学素养了。如此重要的一节课，在教学中却存在着诸多障碍，要想真的教明白教懂这节课需要老师和学生都有足够的勇气逐一突破。但是相比这一内容在化学史和学生化学意识建立中的重要性，在考试中就显得单薄很多，北京高考中每年都会涉及到的关于物质的量的一道选择题，只是考查了对物质的量的使用，而回避了物质的量的建立。面对这一事实，我们也可以这样理解，物质的量作为化学的基本语言已经被确立，那么对其最根本的认识，就是这一确立的科学性保证了它的唯一性，我们不会再使用第二套计量单位来描述化学学科的研究内容，故在考查过程中，它的唯一性被“默认”的融入了考试的每个角落。但教学中，学生对这种“唯一性”的认同，不应该是教师、教材或者是化学家们的权威性所带来的，而是化学作为实验学科对这一内容必然要求以及科学推导过程中其真实的简便所带来的。这样的理解将会给这节课的教学以更强大的信念，教师应该——没有任何理由推诿地应该——给学生建立起物质的量的科学认识，建立起化学走入定量化、走入科学时代的信念。（二）教材背景分析关于教材要求的内容物质的量这一节内容包括物质的量、摩尔质量、摩尔体积、物质的量浓度这一系列的内容及其相互联系。这些内容共同搭建起了化学定量的基本语言，以物质的量为核心概念，对微观粒子有了更便于描述其真实状况也更便于连接已有宏观世界的单位系统。物理量及单位的诞生都是在人们探索世界的过程中必然出现的产物，从最初质量这一物理量的产生开始，人们对物质的多少就开始了追寻，用重量来衡量物质的多少是自古就存在的，从秦始皇统一中国度量衡到国际单位制的统一，人类在其活动范围扩大的同时，也不断地需要统一对物质多少的描述方式。物质的量，就是当人类探索到微观世界时，为了满足与已有的质量计量体系统一的需要而应运而生的一套计量体系。在宏观世界，已kg和kg的千分之一g来描述质量从而描述物质的多少，法国在1795年4月7日颁布了关于度量衡的法律，其中规定“克”为“在冰融化时的温度下，体积等于边长为百分之一米的立方体的水的绝对重量”。由于克是一个非常小的单位，日常的商贸生活中所涉及的物品质量远大于克；同时，基于特定体积的水定义的质量也难以方便与准确的复现，法律的实施需要一个基于该定义的实物基准。于是，人们专门制造了一件质量一千倍于克（即千克）的金属器临时作为千克基准。虽然，先前法律中对千克定义选取的特定体积水的温度点为0℃，这一温度点非常稳定，但是经过数年的研究，在1799年，法国化学家勒费贝-纪诺（LouisLefèvre-Gineau）和意大利博物学家法布罗尼（GiovanniFabbroni）决定修改定义，取水处于最稳定的密度点时的体积（即水在密度最大时的体积），而当时测定水的密度在4℃时达到最大。最终，他们的结论是一立方分米密度最大时的水的质量为4年前制造的千克基准器质量的99.9265%。同年，人们以尽可能的接近（在当时的科技条件的许可的情况下）4℃时一立方分米水的质量为目标，制作了一件纯铂的千克原器。该原器于六月被送交法国档案局，并于1799年12月被正式确认为“档案局千克”（KilogrammedesArchives），千克被定义为等于它的质量。该基准器使用了九十年。十九世纪七十年代，法国政府赞助了一系列的会议。人们在这些会议上意识到应该使用铂铱合金而不是纯铂来制作千克原器。1875年5月20日，17个国家在法国巴黎签署米制公约，建立公制体系（这一体系以后发展为国际单位制体系）。该公约产生了国际计量大会、国际计量委员会和国际计量局三个组织。在这之后人们制造了一批使用铂铱合金的千克标准砝码。1889年，依照公约召开了第一次国际计量大会，批准将其中最接近档案局千克的一件作为国际千克原器。不过，直到1901年的第三次国际计量大会上才将国际千克原器的质量定义为千克。国际千克原器于是作为千克的标准砝码一直使用到今天。而在微观世界，粒子都是由质子（1.6726231×10-27kg）、中子（1.6749286×10-27kg）、电子（9.109×10-31kg）所构成的，其中质子与中子的质量近似相等，而电子则为质子质量的1/1836可以忽略不计。由此，微观粒子的质量就都近似是质子质量的整数倍，而以质子质量作为微观粒子质量的计量单元就是最恰当不过的了，这个质量单位就是dal（为了纪念道尔顿，近代化学之父，提出了原子学说）。自然界中不存在单独的质子，所以需要一个实体的物质来作为1dal的标准，比如1H，1H由一个质子和一个电子组成，本来应该是天然的标准物，但氢在空气中含量小、同位素多、以气体形式存在等等特点都造成了其作为标准物对准确性的干扰。所以最终，选取了自然界含量大，分布广泛，性质稳定易与同位素剥离的12C作为标准物，12C中含有6个质子、6个中子和6个电子（电子质量可忽略不计），所以质量就是质子质量的12倍，因为以12C的1/12为1dal，就有适于微观粒子的质量计量单位。由此产生了相对原子质量和相对分子质量（=粒子真实质量/1dal）。质量描述的是所含物质的多少，在这个意义上1dal和1g有着同样的效力，那1dal或者1g到底含物质多少呢？显然1dal的质子就是含有1个质子，1g的质子就是含有（1g/1dal）个质子，这里面(1g/1dal)个粒子是宏观与微观世界联系中必然的纽带，由于(1g/1dal)个数量巨大，为了方便，我们便称其为1堆，这个堆便成为了一个新的物理量——物质的量，其单位摩尔（mol）在希腊文的原文中意思就是“堆”。1mol=(1g/1dal)个，(1g/1dal)经阿佛加德罗测得约为6.02*1023，这个数就被称为阿佛加德罗常数。在化学发展日趋成熟的今天，物质的量已经开始反馈的影响宏观的计量体系。120多年来，尽管国际千克原器很少被使用且被恰当保存保护着，人们还是发现，在不知不觉中，它已经发生了变化，轻了50微克，这给从事科学研究和数据统计等精密工作的人带来不少麻烦。于是，度量衡专家们已经提出了多项提议来重新定义千克标准，其中一项就是“阿佛加德罗计划”，计划的目的是要用精确的硅原子数量来精确定义千克标准。为此澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)让“阿佛加德罗计划”小组制造完美硅球，然而这一工作是一大挑战。此硅被前苏联的离心分离机提纯过，曾用于精炼制造核武器的铀。此离心分离机将这些硅从放射性元素中分离出来，让研究人员制造出最纯的硅28。之后，此材料从俄罗斯运到了德国国家度量衡学学会，通过为东德生产硅的成熟设备长成了一个巨大的晶体。在6次实验失败之后，此纯晶体最终制成2块5公斤的晶体块，并运送到了澳大利亚。为加工成这对硅球，澳大利亚精确光学中心（ACPO）不让一辈子加工精确球的光学工程师阿其姆·雷斯特勒退休，让他最终制成了这一对硅球，成为他的晚年杰作。澳大利亚精确光学中心采用300年前的牛顿望远镜地面透镜的类似技术，制造出了这对直径为93.75毫米的硅球。这对“完美硅球”球体非常接近理想球体，由球体中心至表面任何一点的距离误差不超过0.3纳米，其弯曲率为60-70纳米，且每一个球的质量都和澳大利亚的千克相符。这对球体99.99%％是由硅28构成的，其晶体结构近乎完美。然而，即使“阿佛加德罗计划”小组让每一个球达到了同样数量的硅原子，国际重量与测量委员会也将不能早早地采纳他们的定义。这是因为一些度量衡学家认为“阿佛加德罗计划”小组的精确硅球只是简单地取代了一个境况不佳的物理标准。他们提议用其它办法来和这一方法比试一下，比如所谓的瓦特平衡方法（即用磁场和电力来精确定义千克）。美国国家标准技术学会的理查德·斯坦勒支持这一方法，认为能量测量比物理属性的测量球体直径的误差更小。2.关于单元联系物质的量的内容是高中化学的第二课，在第一课的实验之后很自然的转入了化学对定量的要求，从而有了本部分内容的教学，同时本部分内容是整个高中化学乃至之后所以化学计量的基础，是最基本的化学语言之一，之后所有的教学内容无不涉及本课内容。本课内容的一个重要基础就原子的结构，初中所学已经可以作为本课学习的基础。但仍然建议将本课调至原子结构之后讲授。12C这样的写法是没有在初中系统学习的，12C作为标准的出现，如果是一个生僻的表达，会造成学生理解的障碍和畏难情绪，其中同位素的概念也需要另外补充。同时，由于本课设计概念繁杂，难度较大，在原子结构中渗透课本中未出现的dal的单位，会给本课减轻很大压力，所以本课放在后面讲授预期效果会更好。（三）学情分析1.知识内容可以引起怎样的意识本课内容将帮助学生形成化学的科学意识，更深入地理解质量与物质多少的关系，在物质的量的概念建立的同时更坚定其现在定义的正确性，以致将物质的量默认为微观计量的唯一体系。这节课将彻底改变学生对初中化学的印象，从认识世界、观察现象转入严密的逻辑推理，虽然真正的化学学习还未展开，但已经开始给学生以严格、科学的态度的强烈冲击，而这是在初中化学中所欠缺的。从最初的g推导出mol，再到现在阿佛加德罗计划由mol反馈对kg标准的修正，可以使学生产生对科学的敬畏感，也真正意义上的感受到科学的严格、对真理的不断追求。反之，如果这一节课不能给学生这种严格、科学的态度，而已教师、教材甚至科学家自身地位的权威性来使学生获得物质的量的确定性，用强行灌输的方式让学生把物质的量扎在脑子里而不是种在意识里将会导致学生对化学学科的定位产生混乱，不能将其视为科学，更难以科学的态度来对待化学学科的学习，也就更不用说激发对化学的兴趣或者培养化学素养了。内在意识前提本节课其实是教学中非常困难的一节课，要想真的教明白这节课，有很多的障碍需要克服，学生的内在意识前提在本课的设计过程中非常遗憾的大都起负作用。尽管是负作用，它们仍是学生内在意识已有的组成部分。关于度量衡度量衡在不同的地域有着更为符合自己历史文化习俗的体系，学生知道斤和公斤的换算，也知道“磅”和“盎司”等不同的质量单位。由此，可以引领学生进而推知，在一个新的领域中，往往需要一套新的质量单位，同时，这套单位应该可以同原来的进行换算。这恰恰就是阿佛加德罗常数的存在意义。关于质量质量是物体所含物质的多少，是初中物理课的内容，物理的研究对象是物体，化学的研究对象是物质，质量刚好是二者之间的连结。但物理由于学科的侧重点不同，对质量是所含物质多少并没有强调，这将导致学生意识里直接将质量与密度和体积相连，甚至与重力相连，却忽略了其最本质的意义：所含物质的多少。恰恰是这个最本质的意义是物质的量的生长点。关于相对原子质量相对原子质量是初中化学的内容，学生对以12C的1/12为标准的讨论可以直接应用于本课，直接理解12g12C所含原子数是1mol。关于语言习惯本课的又一难点是学生难以适应长久以来的汉语习惯。在汉语中“**的**”常表示偏正短语，的字前面起修饰作用，的字后面才是真正的实意部分，如“小明的猫”是猫，“红的拖鞋”是拖鞋，但是“物质的量”是一个完整的专用名词，这需要学生适应。其实，也有很多人认为amountofsubstance翻译成“堆量”会更符合汉语习惯，更便于接受。关于化学科学与初中化学启蒙教育化学在初中是启蒙阶段，只是简单的认识世界是物质的，物质是多种多样的，多种多样的物质是有共同基础的。这样一些最浅显的知识由于中考的压力，会被过分夸大，变成毫无意义的锱铢必究。本来实验的现象是要求学生更为科学准确地进行探究，所以蓝色和淡蓝色是要区分的，但有些老师是过渡种要求，甚至让学生在默写实验现象的时候连一个“的”字都不可以少，使化学的启蒙教育变成了“非经典说明文背诵”，这严重阻碍了高中化学教学中科学意识的培养。由于熟悉了初中的模式，学生在本节课可能会非常不适应，这也恰恰是本课的机遇所在。（四）教学目标制定本课内容的讲授大致分四个过程，第一个过程由原子结构决定微观粒子的质量单位为1个质子的质量，及1dal与初中相对原子质量相连接，使学生感受到单位的制定，化学计量的存在的科学依据及必然合理性。进而，进一步深化质量本身内蕴的“所含物质的多少”的意义，并在此过程中，发现设置“物质的量”这一物理量的必要性，由此掌握物质的量及摩尔的知识。对物质的量的存在及其定义产生认同感和信任感。上一过程中遗留下“所含物质究竟是多少”的问题，由阿佛加德罗测得，称为阿佛加德罗常数，学生推导出物质的量、微粒数目与阿伏伽德罗常数的关系。深化对阿伏伽德罗常数的认识，认识到它既是宏观与微观质量又是数量之间的换算关系。这样双重的身份恰恰是化学计量在发展过程中严格科学态度的体现。最后一个过程，通过最新的度量衡研究，使学生将各知识综合起来，形成化学计量意识，同时再次感受科学的严格追求。（五）设计教学过程1．关于重点、难点、考点和基础知识本课重点：理解物质的量、阿伏伽德罗常数的意义及制定原因本课难点：由于内容本身的繁杂造成的在理解过程中逻辑链断裂，如学生理解了以为什么12C为标准后没有跟上为什么需要一个标准学生内在意识前提造成的诸多障碍需要克服（如前所述）2．实施过程（1）上课调整状态，“上课”（2）导入新课【讲授】前两天网上流传了一个谣言，说三星把要赔付给苹果10亿美元专利侵权费用，以5美分的硬币形式支付。换句话说，这10亿美元需要满满30辆卡车硬币。谣言一起，大家纷纷转发，都觉得非常过瘾，30辆卡车的硬币啊，苹果得数到哪辈子去啊！当然了，这只是一个谣言，我们抛开谣言不管，如果真的是我们中的哪位同学哪天突然收到了这样一笔钱，比如一袋子的一分钱硬币，大家有没有什么好的办法帮他尽快数出到底是多少钱呢？【学生】——称质量，除以每个硬币的质量【提问】质量是什么？（密度乘以体积、重力除以g）【学生】物体所含物质的多少【讲授】质量表示物体所含物质的多少，质量越大，所含的物质就越多，1kg铁就比1g铁所含的铁多【提问】除了g和kg大家还知道什么表示质量的单位？【学生】斤、公斤、两、磅、盎司等等……【提问】谁知道盎司和两的准确换算关系？【学生】……【讲授】为什么不知道，因为盎司不是我们生活中常用的。每一个不同的环境都会产生更适应它的计量体系，今天我们就一起走进微观世界来看一下这个世界里适用的计量体系。dal——微观世界的质量单位【提问】在微观世界，我们需要描述的是谁？【学生】原子、分子【提问】物质是由分子组成，或原子直接构成，分子又是原子构成的，那原子是由什么构成的呢？【学生】质子、中子、电子【PPT】质子：1.6726231×10-27kg中子：1.6749286×10-27kg电子：9.109×10-31kg【讲授】质子与中子的质量近似相等，电子是质子质量的1/1836，可以忽略不计，所以原子的质量可以近似看做质子与中子质量的和【提问】如果假设1个质子的质量为△，那么中子的质量近似也是？【学生】△【提问】那只含有1个质子的原子质量为？【学生】△【提问】那含有8个质子,10个中子的原子质量为？【学生】18△【讲授】我们不难发现，如果我们以一个质子的质量为标准，我们所有的原子质量都可以近似成一个正整数，而且非常的好算，就是质子与中子数量和。于是，在微观世界，我们就把刚才的△也就是一个质子的质量作为单位。于是硅28的质量是？【学生】28△【讲授】你也可以把△换成随便什么别的东西，方块或者五角星，或者换成“李雅婷”，都是一个意思，总之它是28什么，比如28李雅婷。大家不能乱叫一气啊，单位都有个统一的说法，其实李雅婷就挺好，但是李雅婷对化学的贡献不都大，大家不认识，就换了一个大家都认识的化学家，道尔顿。微观粒子就有了自己的单位。我们来试一下：【提问】氮14的质量？【学生】14dal【提问】氯35的质量？【学生】35dal【提问】用dal（1个质子）作为微观粒子的单位好不好？好在哪？【学生】好，简便【提问】下一个问题，如果我们选择1个质子做标准的话，那我们该去哪找这个质子呢？世界上存在着1个独立的质子吗？【学生】不存在，但是有1H,1个质子和1个电子【讲授】很好，但氢做标准存在局限性。为了突破这些局限性，我们选了C（原因略）【提问】如果以12C的质量是方块，那质子质量是多少？【学生】1/12方块【讲授】所以，我们用12C的1/12作为微观世界质量的单位，称为1dal摩尔与物质的量【提问】找到了微观世界适用的质量单位，质量是描述什么的？【回答】所含物质的多少【提问】1dal质子含有多少物质？【回答】1个质子【提问】那1g呢？【回答】1g/1dal个质子【提问】18dal18O含有多少物质【回答】1个氧原子【提问】那18g呢？【回答】18g/18dal个氧原子（=1g/dal）【提问】每次都说（1g/dal）个是不是特别麻烦？最好能省事一点，（1g/dal）个不就是很多很多很多个嘛，那说很多很多很多个的时候我们一般怎么说？【回答】一堆【讲授】科学家们也这么想，不过他们用了个更文艺的称呼，他们用了外文！还是很特别的外文，英文法文德文都太俗！他们用了希腊文mol，什么意思呢？堆……【提问】一堆怎么说？【回答】1mol【讲授】我们得给这个多少堆也起个名字啊，它是描述多少的，就叫他物质的量。注意，这四个字是一个词，是翻译造成的，如果觉得别扭，可以暂时叫它物质的堆儿~阿佛加德罗常数【提问】一堆究竟有多少呢？【讲授】阿佛加德罗帮我们测了，约等于6.02*1023个/堆，因为是阿佛加德罗测的，所以我们叫它阿佛加德罗常数，用NA表示【提问】如果有6.02*1023个微粒，是几堆？【回答】1堆【提问】文艺点【回答】1mol【提问】如果有12.04*1023个微粒呢？【回答】2mol【提问】如果有3.01*1023个微粒呢？【回答】0.5mol【提问】如果有N个微粒呢？【回答】N/NA【总结】得到公式n=N/NA【总结】含有质量：所含物质的多少数量含有(1/12)12C→1dal1个质子（1个质子的质量）