張亞琴

(江蘇省如皋初級中學,江蘇 如皋 226500)

本文選取與壓強有關的化學實驗作為復習專題,通過再現(xiàn)課本原型實驗,探尋密閉體系內壓強變化背后隱含的實驗原理,從宏觀與微觀的角度對其進行分析推理,分類解釋,歸納總結出引起壓強變化的因素,建構“與壓強有關的實驗”思維模型.

1 再識課本實驗,建構思維模型

壓強是物理概念,且與壓強相關的實驗分散在各個章節(jié)中,大多數學生尚不能自發(fā)融合各學科間的學科知識,更不能系統(tǒng)地、有規(guī)律地去分析解決相關的實際問題[1].

1.1 再現(xiàn)與壓強有關的課本實驗

現(xiàn)行義務教育教科書九年級化學上、下冊課本中就有很多涉及到壓強變化的實驗,如滴管吸取和滴加少量液體、檢查裝置的氣密性、氣體的性質實驗、驗證質量守恒定律等等.通過對課本實驗分類整理后發(fā)現(xiàn),對有關壓強變化實驗的安排遵循從單一因素過渡到多種因素,從物理原因過渡到化學原因,再逐漸上升到理化綜合原因,實驗體系由簡單到復雜,符合學生的認知規(guī)律,有利于提高學生證據推理能力.

1.2 尋找引起密閉體系中壓強變化的因素

大氣壓的本質是大量氣體分子做無規(guī)則運動時給予物體表面的撞擊力,氣體分子越密集,撞擊力越大,反之,則越小. 圖1是用膠頭滴管吸取和滴加少量液體的實驗(圖1上標注的箭頭方向為氣體或液體流向).圖2是“擠”與“松”膠帽過程的微觀模型圖,擠壓膠帽,氣體分子間間距變小,膠帽內氣體壓強(p1)變大,即p1>p0,液體由高壓向低壓移動;松開拇指,氣體分子間距變大,氣體壓強(p2)變小,即p2

圖1 膠頭滴管吸取和滴加液體 圖2 膠頭滴管使用過程的微觀示意圖

裝置氣密性檢查實驗(如圖3所示)是氣體制備和部分性質實驗必不可少的一個環(huán)節(jié)(圖3中箭頭方向為氣體或液體的流向).對比兩幅圖片發(fā)現(xiàn),“一握一松”兩種不同的實驗操作產生的實驗現(xiàn)象迥異.用雙手緊“握”試管外壁,給實驗體系提供能量,表現(xiàn)為溫度升高,而“松”則使溫度恢復至室溫.用分子的性質解釋,溫度升高,分子能量增大,運動加劇,分子間間隔變大(如圖4所示),試管內氣體壓強(p3)增大,即p3>p0,試管內氣體由高壓向低壓流動,導管口有氣泡冒出.當溫度降至室溫后,分子間間隔變小,且因氣體的逸出,氣體的量變少,試管內氣壓(p4)小于p0.當氣體的量和容器的體積一定時,壓強隨溫度的升高而變大,反之,則變小;當溫度和容器的體積一定時,壓強隨氣體的量減少而變小,反之,則變大.

圖3 檢查裝置氣密性 圖4 粒子受熱或降溫的微觀示意圖

對以上實驗的歸納整理可得,對于確定的密閉體系,引起壓強變化的因素有溫度、容器的體積、氣體物質的量等.通過一定的實驗操作如改變實驗體系的溫度或規(guī)范合理的實驗操作均可制造壓強差.

由生活經驗可知,二氧化碳能溶于水.為驗證二氧化碳的溶解性,課本實驗采用廢棄的軟塑料瓶做實驗容器,通過軟塑料瓶變癟這一現(xiàn)象指示瓶內壓強變小,推測氣體的量減少.因此,物質體系、適當的儀器裝置也會引起密閉體系內氣壓變化.

在密閉體系中,能引起氣壓變化的原因有物理原因與化學原因(如圖5所示).

圖5 影響密閉體系中壓強的因素

“與壓強有關的實驗”專題復習的主旨是基于證據的基礎上進行分析推理,緊扣影響壓強的因素,從物理和化學的角度充分挖掘壓強變化背后隱含的實驗原理,并對其進行分類解釋,以期培養(yǎng)學生對證據的分析推理能力,提高學生解決綜合問題的能力.

1.3 建構 “與壓強有關實驗”的思維模型

與壓強有關的課本實驗以驗證性實驗為主,即化學體系已確定,為了觀察到明顯的實驗現(xiàn)象,通常需要創(chuàng)設特殊的密閉體系,這種密閉體系的特殊性在于實驗裝置本身或經某操作后必須能夠引起壓強變化,如二氧化碳的溶解性實驗中用軟塑料瓶替代玻璃容器;二氧化碳制備實驗中提供的注射器等.因此,適當的儀器裝置與規(guī)范合理的實驗步驟是確保實驗成功的關鍵.

化學體系的選擇應為實驗體系的重要環(huán)節(jié),這也是綜合實驗考查的必考點,以測定空氣里氧氣含量實驗的化學原理為例:拉瓦錫研究空氣成分實驗中選擇汞消耗曲頸甑中的氧氣;課本實驗則用紅磷替代汞進行實驗;2015年江蘇省南通市中考化學試卷的第24題探究題中采用脫氧劑替代紅磷,上述三個實驗的化學體系中雖然選擇的物質不同,但其實驗原理基本一致,都是選擇一種物質僅能與氧氣反應,使密閉體系內氣體壓強變小,從而達到實驗目的.

“與壓強有關的實驗”專題復習需綜合考慮化學實驗體系三要素與壓強變化、實驗現(xiàn)象以及實驗結論之間的關系,形成與壓強有關實驗的一般思路和方法(如圖6所示).

圖6 “與壓強有關的實驗”思維模型

具體實驗方案的設計和實施過程:選擇正確的化學體系,將其置身于特定的實驗裝置,經規(guī)范合理的操作后,對觀察到的實驗現(xiàn)象進行分析推理,歸納總結得出結論.其中,明顯的實驗現(xiàn)象指示著密閉體系中壓強的變化,是進行實驗分析的重要證據,但不一定是有效證據,還需將壓強變化情況與化學原理進行聯(lián)系,并對其進行分類分析,篩選出與引起氣壓變化因素相關的有效證據,從而得出實驗結論.

2 解決實際問題,應用思維模型

題目1 為了幫助同學們更好地理解空氣中氧氣含量測定的實驗原理,老師利用傳感器技術定時測定了實驗裝置(如圖7所示)內的壓強、溫度和氧氣濃度,三條曲線變化趨勢如圖8所示.下列說法錯誤的是( ).

圖7 測定空氣里氧氣含量實驗 圖8 壓強、溫度、氧氣濃度變化曲線

A．圖7使用電烙鐵發(fā)熱引燃物質紅磷,使實驗結果更精確

B．圖8中曲線X表示壓強變化,Y表示溫度,Z表示氧氣濃度

C．AB段變化的原因是由于溫度升高所增加的氣壓大于氧氣消耗所減小的氣壓

D．據圖8,t時刻才打開K,此時裝置降至原溫度、氧氣耗盡、水進入集氣瓶

分析本題是在已知實驗體系、實驗現(xiàn)象、實驗結論的基礎上考查密閉體系中氣體壓強隨溫度及氧氣濃度實時變化的情況.

本題選項C是對實驗體系中壓強變化情況的分析,緊扣化學實驗體系的三要素,尋找引起壓強變化的因素.實驗開始,實驗裝置及實驗操作不變,化學體系中,反應物氧氣的量減少,氣壓變小;溫度升高,氣壓變大;綜合比較,AB段明顯增加的原因是溫度升高所增大的氣壓大于氧氣消耗所減小的氣壓.

本題采用傳感器技術實時采集數據、處理數據,并實時繪制實驗過程中壓強變化的曲線圖,解題的關鍵在于將曲線變化情況與化學實驗體系的三要素進行聯(lián)系,找出實驗體系中的氣壓變化的因素,并進行分類處理、對比分析、綜合比較,從而得出結論.

3 自主設計方案,深化思維模型

題目2 化學是一門以實驗為基礎的學科.根據如圖9回答問題:

圖9 實驗室里制取氣體的一些裝置圖

實驗室制取二氧化碳,發(fā)生裝置要能達到“隨開隨起,隨關隨?！?需要選用的儀器和用品有____;檢查該裝置氣密性的方法是:____,則氣密性良好.反應的化學方程式為____;若選用的收集裝置是C,則二氧化碳應從____(填“m”或“n”)進入.

分析本題對實驗室制取二氧化碳的實驗進行了考查,涉及到裝置氣密性的檢查、實驗裝置的選擇等知識點.其中二氧化碳發(fā)生裝置的設計和評價是本題的難點.

本題考查二氧化碳發(fā)生裝置的設計與評價,可運用“與壓強有關的實驗”思維模型進行分析,首先考慮化學體系,化學反應是有條件,兩種反應物需接觸才可能發(fā)生反應,否則不能發(fā)生或停止反應.實驗室通常用石灰石與稀鹽酸為原料制取二氧化碳氣體,稀鹽酸呈液態(tài),可通過制造壓強差控制液體的上升或下降,實現(xiàn)石灰石與稀鹽酸的隨時接觸或分離.選用FHG進行組裝,打開止水夾,石灰石與稀鹽酸接觸,反應發(fā)生;關閉止水夾,試管內氣壓變大,酸液被壓回長頸漏斗,達到“隨開隨起,隨關隨?！钡哪康腫2].

學生借助思維模型能夠運用科學的思維方式有序的、理性的自主設計實驗方案,還能有效避免描述不清、答案不全等現(xiàn)象,從而逐漸養(yǎng)成解決復雜問題的能力.