“摩尔”概念难点成因及化解策略.doc
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1、“摩尔”概念难点成因及化解策略如果对中学化学里的所有概念进行排序,不管是以其在知识体系中的重要性为标准,还是以学习难度为标准,或是以教学难度为标准,再或是以科研关注度为标准,“摩尔”及其相关概念都会名列前茅。至今这一选题依然在热议中,笔者对这一教学难题的认识也在逐渐深入。 1 “摩尔”成为难点知识的表现形式 “摩尔”概念成为难点知识有很多表现形式。首先,学生易混淆相关概念,将“摩尔”等同于“物质的量”、“质量”、“阿伏伽德罗常数”、“微粒个数”、“气体分子数”,甚至认为“摩尔”是分子的性质。 其次,从化学史的角度来看,“摩尔”这一概念的明确界定和统一认识的历程波折而漫长。“摩尔”的最初定义与现
2、在的内涵是不一样的。1900年,俄德化学家奥斯特瓦尔德(Osrwald,Friedrich Wilhelm,18531932)首次提出“摩尔(mole)”这个名称,他把“摩尔”定义为以克为单位的质量1,而不是微观粒子的计数单位。在当时,奥斯特瓦尔德根本不可能把“摩尔”定义为微观粒子的计数单位。因为他反对道尔顿和阿伏伽德罗提出的原子分子学说,阿伏伽德罗用“molecule”一词表示分子,意为“small mass”,而奥斯特瓦尔德偏偏选用“mole”一词,意为“big mass”2。这说明,即使是化学家,他们对微观世界的认识、理解和接受也是有一定难度的。此外,“摩尔(mole)”这一名称诞生于1
3、900年,其对应的物理量-“物质的量(amount of substance)”于1961年才诞生3。也就是说,“摩尔”这一物理量单位的出现早于其表示的物理量“物质的量”。这种先有单位后有物理量的现象在科学界比较少见。直至1971年,在第十四届称量与测量大会(14th General Conference on Weights and Measures)上,科学界才正式定义“摩尔”、“物质的量”和“阿伏伽德罗常数”,将“摩尔”纳入国际单位制体系,作为七个SI基本单位之一。可见,经历了大半个世纪,科学界才明确和统一了“摩尔”这一概念的内涵和名称。然而,即使有了明确定义,在1971年后的相当长时间
4、内,科学界对“摩尔”一词的使用仍然存在争议,有的科学家还继续使用“当量(equivalent weight)”这一古老名称4。 再其次,“摩尔”概念在我国高中化学中刚被引入的时候,也曾难倒了很多老师。继国务院60号文件1977规定在我国推行SI制后,高一课本就引入了“摩尔”这一新单位,废除了过去采用的克分子、克原子、克离子、克分子体积等旧单位。1980年前后,摩尔概念及其应用在国内仍然很不统一5。那段时间关于如何理解“摩尔”、“物质的量”概念的介绍性、商榷类的文章比较多。这种现象说明很多教师当时也很难理解和掌握“摩尔”概念。如今三十多年过去了,关于“摩尔”及“物质的量”问题的探讨还在继续,但是
5、关注焦点已经由如何理解概念转移到如何讲授概念上来。 最后,与“摩尔”相关的误解广泛存在,比如误以为“阿伏伽德罗常数”的提出者和测量者是阿伏伽德罗本人(Avogadro,Amedeo,17761856)。这样的错误在土耳其的一本中学科学教材上曾出现过6。再比如,有很多学生误以为“摩尔”是一位化学家。还有,我们熟知的百度百科上也有科学性问题,在对“克分子”的介绍中,有这么一句描述“化学物质的量就是摩尔”7,这个错误十分明显。 2 “摩尔”成为学习难点的原因分析 “摩尔”成为学习难点至少有三个方面的原因:概念本身的原因;学生的原因;教师的原因。 2.1概念本身的原因 2.1.1与“摩尔”相关的知识与
6、技能不仅多,而且难 与“摩尔”学习相关的知识与技能有很多。其前序知识有原子、分子、质量、相对原子质量、相对分子质量、碳-12原子、H2、H2SO4等具体的物质概念、物理量及其单位、国际单位制的SI基本单位、常数、宏观与微观等。并序知识有物质的量、阿伏伽德罗常数;后续知识有摩尔质量、气体摩尔体积及标准状况、摩尔浓度、阿伏伽德罗定律等。 化学技能方面,化学式、化学方程式的书写与计算不仅是“摩尔”概念的学习基础,而且是深入理解概念的重要手段和有效途径。以“摩尔”为核心的计算又是这部分的学习重点和学习难点,公式很多,对计算能力的要求很高。很多教师都发现,学生对“摩尔”概念的掌握最终还是通过大量做题来实
7、现的,计算能力不强的学生很难学好这部分内容。 可见,与“摩尔”相关的概念与知识都十分抽象,其概念本身就难以理解,具有较大的学习难度。加上它们在“摩尔”学习过程中又密集出现,就会产生叠加效应。可以说,“摩尔”概念的学习难度很大程度上来自于这些相关知识和技能的难度。 2.1.2 “摩尔”概念的不合常理之处 “摩尔”概念除了在内涵意义上较难理解以外,它还有很多不合常理之处,让人不可思议。 首先,“阿伏伽德罗常数”的提出和测量者不是阿伏伽德罗本人。最先提出“阿伏伽德罗常数”这一名称的是法国科学家佩兰(Jean Baptiste Perrin,18701942)。1908年,他将通常情况下1克分子(即1
8、摩尔)气体中所含有的分子数定义为阿伏伽德罗常数8。最早对阿伏伽德罗常数测量有贡献的科学家是奥地利化学家洛喜密脱(Joseph Loschmidt,18211895)以及匈牙利化学家泰安(Karoly Than,18341908)9。1865年,洛喜密脱估算出,在通常情况下1立方厘米气体中所含有的分子数为1.831018;1889年,泰安测出通常情况下,1克分子(即1摩尔)气体所占的体积为22330立方厘米。于是,最早的阿伏伽德罗常数的值是1.83101822330=4.091022。化学史上,人们把阿伏伽德罗常数的测量归功于洛喜密脱和泰安10。 可见,阿伏伽德罗常数的提出和测量都是阿伏伽德罗去
9、世以后的事情,与他本人没有直接关系。人们以他的名字命名这个数主要源自两个原因:(1)阿伏伽德罗提出了分子假说,这为阿伏伽德罗常数的测定奠定了理论基础;(2)阿伏伽德罗于1811年提出分子假说,但由于学术权威的反对以及其他原因,该理论被埋没了近半个世纪,直至1860年的首届卡尔斯鲁厄国际化学会议,在他的同胞康尼查罗的大力宣传下,他的分子假说才被学术界接受和认可。这一年阿伏伽德罗已经离世。后人为了纪念这位科学家,将“阿伏伽德罗常数”以他的名字命名。 其次,在科学上,很多物理量单位的名称都采用科学家的名字来命名,以示纪念。然而当年奥斯特瓦尔德选用“摩尔”一词的用意是为了反对原子分子论,与科学家的姓名
10、无关。但巧合的是,“摩尔”一词在西方国家确实也是一种人名,这就容易使学生产生误解,常常有学生把“摩尔”作为外号来称呼自己的化学老师。 再次,从单位换算的角度来看,“摩尔”与“个”这一单位换算的数值不仅不是整数,而且是一个大得让学生无法想象的数字6.021023。这个数值从何而来很难跟学生解释清楚。其准确值至今科学家还在研究。 最后,单位物理量通常是可以观察到的。比如1克有多重,1毫升有多少,1米有多长,1秒有多快等,学生都可以感知到。但是1摩尔是多少?学生只能通过质量或者体积来间接地感知,并且同为1摩尔的物质,可能在质量上和外观上差距甚远。也就是说,1摩尔这个单位很难给学生一致性的直观量化的感
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