化学史教学案例水的组成

化学史教学案例

质量守恒定律和阿伏加德罗定律是高一学生熟悉的两大基本定律，绝大多数学生，甚至是教师都认为这些定律无非是前人的经验总结而已。事实上质量守恒定律等基本定律的发现导致了原子学说的问世，阿伏加德罗定律的确立，对于确定分子组成、进而确定元素的相对原子质量具有重大意义。可以说没有阿伏加德罗定律就没有正确的相对原子质量、就没有周期律、没有近现代化学的发展。显然向学生揭示这些原理在学科发展中的重要作用极具教育价值。本案例以水为载体，把学生放在一个反思者的角度，在追寻元素、原子、分子等基本概念的历史生成过程中体会质量守恒定律、阿伏加德罗定律对化学发展的重大意义。

1水的组成元素的确定

疑问与反思：通过哪些实验能够确定水是由氢氧2种元素组成的?

学生：氢气与氧气燃烧的实验，以及电解水的实验都可以证明水是由氢氧2种元素组成的。

历史回眸：

1784年英国化学家凯文迪许发现氢气与氧气化合生成水；

1800年英国化学家尼科尔森电解水，在阴阳两级分别得到了氢气和氧气。

建立元素概念的艰难历程：

自古以来，人们一直认为水是组成世间万物的一种元素。例如：我国有“五行说”(金木水火土)，古希腊有“四元素说”(水土气火)。英国的物理学家一化学家罗伯特·波义耳最先认识到这种物质观是错误的。早在1661年波义耳就指出物质由元素组成，元素应该是不能用化学方法再分解为更简单的物质，这样一种实物。但是这种观点真正被人们接受是在100多年以后，1784年凯文迪许发现氢气与氧气化合生成水，1800年尼科尔森电解水实验的成功，人们才认识到水不是一种元素，逐步接受波义耳的元素观念。

历史的启示：

为什么在我们现在看来，再简单不过的一种常识性的知识，其发展历程却如此漫长而艰辛?

学生：启示1：要打破人们固有的认识是很困难的。启示2：人的认识是随着科学的进步尤其是实验技术的提高而发展的。

2水分子的确定

18世纪末至19世纪初，化学从定性研究转向定量研究，人们试图弄清化学反应中各反应物、生成物之间量的关系，由此化学计算被引入化学研究中，人们发现了很多化学基本定律。这些定律的发现，对于人们认识物质的组成有着怎样的帮助呢?

2.1化学计算的启示－近代原子学说的建立

疑问与反思：分析下面的计算，猜想科学家会从中发现哪些规律?

学生：科学家会从中发现质量守恒定律

教师：科学家不仅能从中发现质量守恒定律，而且还能发现各反应物与生成物之间质量比是恒定的。当时的科学家把这一定律称为当量定律。

教师：1803年道尔顿通过定量实验发现：碳的2种氧化物中碳与氧的质量比分别为5.4:7和5.4:14。同时发现与同质量的碳化舍的氧的质量比为1:2。由此提出倍比定律：当2种元素化合生成1种以上的化合物时，与一定质量的某种元素化合的另1种元素的质量之间成简单整数比。为什么在不同的化合物中同一种元素的含量比恰好为正整数呢?为什么反应前后物质的质量会守恒?科学家在思考这些问题时可能对物质的组成产生怎样的认识?

学生：科学家可能认识到物质是由原子构成的。只有认识到物质是由原子构成的，质量守恒定律、倍比定律、当量定律才能成立。

历史回眸：

(1)原子学说的发展

早在公元前5世纪，希腊哲学家德莫克里特就认为万物是由大量不可分割的微粒构成的，并把这种微粒称为原子。在我国的思想家墨翟和他的学生们留下的《墨子》这部著作中，也能找到与原子学说接近的认识。“非半弗斫则不动，说在端。”意思是说物质到了没有一半的时候，就不能再分了，这种情形可称之为“端”。端与原子的含义很接近。但是这些都是哲学意义上的推想和臆测，没有实验依据。直到2000多年后，19世纪初由英国科学家道尔顿进行实验并通过严密的逻辑推理才建立起科学的原子论。其中质量守恒定律、倍比定律、当量定律的发现成为确立原子论的重要基石。

(2)道尔顿的原子学说

1803年10月，道尔顿第一次讲述了他的原子论。

①元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成的，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。

②不同元素的原子质量和性质也各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一。

③不同元素化合时，原子以简单整数比结合。

历史的启示：

①原子论的确立过程对你有何启示?

学生1：没有想到我们习以为常的质量守恒定律居然能够帮助科学家认识到物质是由原子组成的。这让我们重新认识到了质量守恒定律的价值。

学生2：科学家根据宏观物质之间的定量关系推测出物质是由微观的看不见的原子组成的，这种思维方法值得我们学习。

②道尔顿被世人称为近代化学之父，他是这样评价自己的：“如果我比我周围的人获得更多的成就的话，那主要不，我可以说，几乎单纯地是由于不懈的努力。一些人比另一些人获得更多的成就，主要是他们对放在他们面前的问题比一般人更加专注和坚持，而不是由于他的天赋比别人高多少”。请谈一谈你的感想。

学生：我们没有想到这样伟大的科学家把成就归于勤奋和专注而不是天赋。

2.2“分子”概念的建立及水分子组成的确定历史回眸：

1805年法国化学家盖一吕萨克、德国自然科学家亚历山大·冯·洪堡特精确测定水的组成：他们用电火花点燃氢气和氧气的混合物，发现氢气、氧气、水蒸气的体积比永远是2:1:2。盖吕萨克做了大量有关气体反应的实验，又归纳了其他化学家所做的气体实验得出规律：气体在相互化合时，参加反应的气体体积间呈一个简单的整数比。

盖吕萨克认为由于化合时原子的整数比才能导致体积的整数比，于是提出假说：在同温同压下，相同体积的气体(无论是单质还是化合物)中含有相同数日的原子。盖-吕萨克认为这将是支持原子论的又一有力证据。然而最先反对这一假说的恰恰是道尔顿。道尔顿认为原子论与盖-吕萨克假说之间存在不可调和的矛盾

疑问与反思：你认为原子论与盖一吕萨克假说之间存在怎样的矛盾?

事实：2体积氢气+1体积氧气→2体积水蒸气

推理想象：2个氢气原子与1个氧气原子如何形成2个水原子?

矛盾：要想生成2个水原子，必须将1个氧气原子分为两半，配到两个“水原子”中，这与原子不可分割的观点是对立的。

矛盾的解决-阿伏加德罗定律的产生

1811年意大利科学家阿伏加德罗为了合理解释道尔顿原子论与盖－吕萨克气体简比定律的矛盾，提出了分子的概念，纠正了盖－吕萨克假说的谬误之处。阿伏加德罗指出：在同温同压下，相同体积的气体(无论是单质还是化合物)中含有相同数目的分子。阿伏加德罗认为简单气体的分子由2个原子构成。

学生活动：

依据阿伏加德罗定律确定水的分子式

2h2+o2=2h2o2

3水的相对分子质量的测定

3.1道尔顿的对与错

道尔顿的原子论认为，每一种元素的原子都具有一定的重量。他是化学史上第一个测定原子量的人。他是怎样测定的呢?以水为例：他首先把氢原子的相对重量定为1，作为比较其他元素原子相对重量的基础。根据水的重量组成分析结果(拉瓦锡测得)氢占15％，氧占85％进行计算：

假设氧的相对重量为x，

15:85=1：x计算得x=5.5因此水的相对重量为：1+5.5=6.5

疑问与反思1：为什么科学家不直接测定原子的质量?对比人们将6.02×1023个微粒的集体定为1mol，道尔顿把氢原子的相对重量定为1，你认为二者在思想方法上有何共同之处?

学生：原子看不见摸不着，质量微小无法直接测定，将氢原子的相对重量定为1，作为比较其他元素原子相对重量的基础，这是采用了化小为大的方法。

疑问与反思2：道尔顿的计算思路正确吗?具体计算错在那儿?

学生：道尔顿的错误在于，他武断地认为水分子就是由1个氧原子和1个氢原子构成的，这是他出错的根本原因。

教师：正因为道尔顿不接受阿伏加德罗定律，将原子分子混为一谈，导致水乃至很多物质的化学式、元素的相对原子质量长期处于混乱状态。由此可见阿伏加德罗定律对确定物质组成、元素的相对原子质量具有重大意义。

3.2依据阿伏加德罗定律测定水的相对分子质量学生活动：

疑问与反思：阿伏加德罗认为，只要把水变为气体并测定其比重就能计算出水的相对重量了。你认为对吗?为什么?

学生：根据阿伏加德罗定律可推知：同温同压下，气体的密度比等于气体分子的相对重量比，因此2(氢气的相对重量)：水分子的相对重量一氢气比重：水蒸气比重，只要测出氢气、水蒸气的比重就能计算出水分子的相对重量了。