拉瓦锡测定空气组成实验的赏析

拉瓦锡测定空气组成实验的赏析

2012-08-26 06:44:16宋心琦

说明：本讲座中的很多内容宋心琦先生还没有发表，有些内容已编入新修订的教材中，正在送审，还未公开发表。请老师们注意知识产权问题，只能阅读，不要转载或发表在网络上，谢谢！

理解和把握化学学科的定义是初等化学教学的要点，它包含了最基本的化学概念和理论。组成：元素的种类和原子、离子的数目（以及形态、化学环境和结合方式）。典型元素的教学应当突出它们的特点和差别，特别是它们的典型性。教学实验的要点亦在此。

物质由微粒构成是化学的最基本概念，化学以原子分子为核心概念。处于稳定结构的原子分子，是了解和预见所有不稳定物种，如自由基、分子离子、原子分子的激发态等的基础。研究化学结构的要点是全部组成元素原子核的排布方式。分析化学反应时，从静态结构出发，基于动态结构的概念。就能够比较容易地解决学习诸如H2SO4、HNO3、CH3COOH 、C2H5OH 、两性氢氧化物等在不同条件下的不同变化方式。并且把握住化学键的作用力本质。分子的化学结构不仅可以代表分子组成各部分的拓扑关系（静态），而且可以预示分子发生化学变化时的所有可能性（动态）。

课程标准提出的基本观念，从学科角度可以简化为以下 4 个方面，即元素观、微粒观、结构观（静态）和组分动态观（决定了变化的可能起因和途径）。

化学实验体系三要素：服务于教学和探究目标的实验体系，可以大致地区分为三个必要的组成部分, 即（ 1 ）经过优选后确定的化学体系，通常以影响因素或变量尽可能少的实验体系为首选，因为实验现象或结论的不确定性越低，越有利于初学者获得比较确定的结果，以便认知过程更好地符合循序渐进和少而精的原则；（ 2 ）合理并有明确探究目标的实验步骤和安全措施；（ 3 ）

必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术，三者缺一不可。但是就学习和探究化学而言，化学体系的选定往往起着关键的作用。因为在选定化学体系时，往往要求事先对于探究目标的化学本质或预期现象进行深入而全面的思索和实验设计（这也是化学实验要求预习的原因之一），涉及到的方面很多，这个过程将十分有利于学习化学。所以，通过实验学习化学原则的体现，首先应当提高对这个过程的重视程度。即使在比较简单的经典教学或演示实验中，也可以举出许多实际的例子。

例如对金属的观察，中外教材都比较偏爱单质钠。钠是一个常见元素，但是人们熟悉的主要是它的化合物。金属钠和食盐中的“钠”所形成的极大差异，对于初学者来说，具有振聋发聩的作用。

其次金属钠在存放期间所发生的外观变化，和金属钠被切开后所呈现的非常典型的金属光泽，可以使学生知道，为什么化学要以纯净物为研究对象（何况金属钠比较柔软，容易观察到它的未经氧化的真面目）。通过和此前已经熟悉的铁、铜、镁等金属单质的对比，学生对金属的部分共性的了解将得到进一步的深化。更重要的是，加深了对它们之间不仅存在着差异，而且这些差异正是人们在生活中用于认识和识别物质的基础。

有关科学实验设计的优劣和运用基础知识与方法水平的分析与评价，对于初学者可以起到示范的作用。从而可以得出如下的认识：寻找影响因素最少的化学体系；选取适当的仪器设备；和确定与探究思路相关的实验步骤，是进行探究性学习，特别是探究性实验设计的重要组成部分。它的质量决定了探究活动是否安全有序，和能否获得不确定性较少的结论。原子、分子从假说、学说到理论的发展过程，以及原子结构模型在科学实验事实的“逼迫”下，不断修正的历史，其中所包含的教育元素也都并非仅限于科学知识本身。所以充分发掘这类化学史料所包含的教育元素，对于提高学生的科学素质将能够起到

“潜移默化”和“循循然善诱人”的作用。

合理并有明确探究目标的实验步骤和安全措施同样重要，但是它依从于所选择的化学体系。包含着实验者对化学体系的探究目标；过程的设想或推测；以及对于所用试剂、产物和仪器装置性能的了解。这时的学习范围虽然局限于选定的化学体系，但是所考虑的方面却比较广泛，涉及到某些物质的动态性质、包括反应的剧烈程度（过程）、反应产物的特性（包括毒性和后处理）等方面。这方面的化学知识和经验通常只有亲身实践过的人，才能真正得到。也许可以作为重视实验、重视过程方法的教育的注解之一。必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术也是不可或缺的组分之一，前者关系到完成实验工作的物质条件，后者就广义的教育价值而言，可以视为学习使用工具的方法。各个领域和各种行当常用的工具也许并不相同，但是都有使用工具的要求。学会使用工具，进而做到灵巧和熟练，本来就是人类和其他动物的主要区别之一，工具的使用促进了人类的手和脑的发展，从而形成生产力中最为重要、能够自动地发展和改善的要素之一。化学实验基本操作训练的教育价值也在于此，此外还有培养科学作风、科学习惯、学会观察实验现象和学习“见著而知微”的化学思维方法的作用。

对化学实验教学重要性的认识：化学是一门实验的科学，它在原子分子水平上通过对物质的组成、结构、性质和变化的研究，促进了人们对物质世界形成和发展的认识；通过对物质构成及稳定性等关系的了解，大量复杂天然产物以及自然界原来不存在的新物质的合成，使得物质世界的内涵日益丰富。和其他基础科学相比，化学更注重物质的个性，个性的发现、认定和鉴别已成为实验化学家的主要工作。虽然近年来理论化学方法得到了长足的进步，但是所得结论仍然需要通过精心设计的实验数来验证。从而说明了化学仍然是一门实验性科学。这就确定了化学实验在化学教育和教学中不可替代的地位。

实验教学改革要从实验预习开始，实验预习的要求。（略，请大家关注近期《化学教育》将要发表的宋心琦先生的论文）什么是好的化学实验——案例1.1: 拉瓦西测定空气组成实验的赏析

拉瓦锡测定空气组成实验是一个在18 世纪就已经完成了的经典实验，在大多数初等化学教材中都可以找到。经典实验何止千万，它之所以被选入教材，不仅因为空气属于化学启蒙阶段，必不可少的重要化学物质体系，也不仅因为空气组成已经成为人们普遍具有的基本常识。因为发现空气组成实验的研究，可以充分体现化学学科的特点（尽管这里所说的组成并非纯物质的化学组成，而是由多种纯物质混合而成的混合物的组成。）其实这个著名的化学实验所包含的化学教育内容十分丰富，遗憾的是，在教学中往往被当成一个历史事件一带而过。

拉瓦锡测定空气组成实验赏析：这个实验值得着重提到的有两个方面。一个是化学体系的选择。因为空气是一个由多种气体组成的混合物，要测定其中氧气的百分率，最佳选择应当是，挑选出一种只和氧气起反应的化学物质，而且反应产物容易分离。可以和氧气直接作用的物质很多，中学化学涉及到的至少有：大多数金属；氢、碳、硅、磷和硫等非金属；此外还有碳氢化合物及许多有机物。但是只和氧气反应，而且产物不溶或部分溶解的可选对象并不多。拉瓦锡所选用的汞，应当认为是上上之选。汞在常温下呈液态，所以除去用作反应物外，还可以通过连通器直接用于测量反应器（曲颈甑）内空间体积的变化。其次汞的沸点为356.6℃, 源源不断气化的汞原子和空气中的氧分子发生的反应属于气相反应，而且远远超过化学计量比的要求，反应可以达到完全。反应生成的氧化汞，在这个温度下呈固态，且不溶于汞。因为密度低于液态汞，所以浮在汞的液面上，很容易分离。你还能找到具有类似优点的反应体系吗？HgO 为红色固体，于500℃左右可以分解，同一曲颈甑即可完成它的分解。