高一化学计量·物质的量学案

2010-08-02 11:30

进入高中，如果以轻松的心态学习化学，高中三年的化学学习就比较轻松！
今天，是进入高中的第三次化学课。
高中开始文理分科，文科是六科（语数英，史地政，不含化学），理科也是六科（语数英，理化生）。理科的六科中，化学的学习时间最短（4年，初三和高中三年；物理其次），化学的题量也最少。到了高考时，虽然化学的分数吃点亏，只有100分，但是相比较而言还是划算的。
本博的第一次课，是初高中化学的衔接课（《上好高中化学第一课》），我们回顾了一下初三化学的知识点和考点，初高中化学的异同，初高中化学的学习方法区别。
本博的第二次课，教材上的第一次课，是《化学实验基本方法》，我们在学案中学习了化学实验室的安全、化学实验的基本操作方法（过滤、蒸发、蒸馏、萃取），重点在于，理解原理，理解操作，理解化学实验的重要性。
本次课，开始学习“化学计量”，学习“物质的量”这样一个单位，从本次课开始，直到会考、高三毕业、高考，我们都离不开这样一个量——“物质的量”了。
下面就是《化学计量在实验中的应用》的学案。如果你在学校学习这一课之前阅读，可以帮助你听课的时候事半功倍；如果你在学习了这一课之后阅读，可以帮助你理解这一课的精髓。
一、高中化学的两大支柱
高一化学学习，按照顺序进行的话，第一课是“化学实验基本方法”（简称“化学实验”），第二课就是“化学计量在实验中的应用”（简称“化学计量”）。
高中学习，逐渐开始出现一些抽象的概念。
抽象？怎么个抽象法？就是看不到（无法看到），摸不到（无法感知），只有用脑子去想象才可以理解的概念。“化学计量”就是要引进这么抽象的几个概念。
化学本身就很抽象，化学实验就是用来解决抽象问题、帮助学生理解化学的一个重要手段，化学实验已经成为中学化学的两大支柱之一（另一个支柱是“分类”的概

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念，时时想着物质分类、体系分类、化学反应分类等等概念），高考占比不低于20分，大约为20% - 30%。
二、化学计量在实验中的应用
化学计量，在高中化学中非常重要。怎么个重要法儿？
2.1 计量的概念
计量，说起来这词儿不怎么熟悉。但是，生活中到处都有“计量”的存在，家里面的酱油、醋、酒“一瓶两瓶”、大米和面粉“三袋两袋”的，就是“计量”问题。
那个“几瓶”的“瓶”、“几袋”的“袋”就叫做度量单位。
还有，从小学语文就开始学习的“数量词”的概念（小学一二年级），现在用上啦！不知道经过了七八年的时间，小学一二年级的知识还记住了多少？
例题1： 三千克、八只、60米、九小时，这些都是什么词？（小学二年级，语文）
答：数量词，由数词和量词组成。
这些词的最后一个字，是量词，是计量单位；这些词前面的那些数字，是数词。
三千克：三千是数词，克是量词。量词就是计量单位。
类似地，“克、只、米、小时”都是计量单位。克是质量的计量单位，米是长度的计量单位，
小时是时间的计量单位，我们在初中物理中是常常见到的。
2.2 化学中的计量
例题1中的这些计量单位，生活中也常见，物理课里面也常见，我们都不陌生了，或者说都学会了。既然大家在生活中都熟悉了，物理课里面就没有专门去讲计量，没有“物理计量的应用”这样犯傻的课程。但是，化学就不同，化学上，光用这些计量单位就不够用了。
例题2：普通计量中，可以进行简单的加减法运算。5 kg大米加上 5 kg大米，等于 10 kg；120 m长加上23 m，等于 143m长。
我们看看，在化学中这样做成不成？
例题3：化学上如何计量更科学？能不能用“质量”作为化学的计量单位。下面，我们看看32克氧气与C、S、氢气等物质的完全燃烧反应。

可以看到这样的结论，同样与 32g 氧气反应：
1）生成产物的质量不同：同样是与 32g 氧气反应，所需要的C、S、氢气的质量却各不相同，生成产物的质量也各不相同。
2）剩余的反应物的质量不同：分别用 32g 碳、32g 硫去反应，在 32g 氧气完全消耗之后，硫会反应殆尽，生成 64g二氧化硫，但是碳的情况就不行了，如果只生成二氧化碳，最多有 12g 碳可以消耗，最后要剩下 20g 碳。
因此，质量，是不方便作为化学反应的计量单位。
化学需要新的计量，化学需要新的计量单位。这，就称作化学计量。
从例题3可以得到的启示是：一个氧分子，都是与相应数量的其他物质分子（或原子）发生化学反应。例如，一个氧分子，可以与1个碳原子反应，那么3个氧分子就可以和3个碳原子反应，分子（或者原子）的个数，倒可以作为化学计量的一个单位啊。
所以，按照物质分子（或原子）的个数来进行化学计量，更加合理，更加科学。
2.3 物质的量 n
物质的量，这个新的度量单位的引入，可能在学校的课堂上讲得比较突兀，可能在你还没有在脑袋里面转几转呢，老师就就那么把“物质的量”引出来了。这样的效果不怎么好。
其实，在学习“物质的量”之前，最好有个铺垫。
回忆一下初中化学模拟题、中考试卷的34题和35题，都是关于化学方程式的计算题，就象这个博客里面的“例题3”。比如例题3的第一个化学方程式，本身的含义是：
1）发生化学反应的粒子数：1个碳原子和一个氧分子发生化学反应，生成了1个二氧化碳分子。
（化学方程式的直接含义，看各个物质化学式前面的系数）
2）粒子的概念：在化学里的意思是体积很小、肉眼看不到、质量也很小的微粒。中学化学里，包括原子、分子、离子、质子、中子、电子、原子团等七种微粒。
3）发生化学反应的粒子质量：12个碳单位的碳原子和32个碳单位的氧分子发生了反应。
（化学方程式的间接含义，看各个物质的相对分子(原子)质量）
4）化学计算时候的转义：但是，我们在课堂练习、做化学计算的时候，都是用了“12g碳 与 32g氧气”发生化学反应。
解决这个问题，恰恰好好在200年之前。
当时，有位意大利的神人叫做阿伏加德罗，他发现了分子的存在，这是化学史上的第二大发现，仅次于原子量（相对原子质量）的发现。分子和原子的发现，乃至原子量、分子量的出现，引起了科学家的广泛关注。
为什么？

2.4 物质的量 n
有了阿伏加德罗常数NA，问题就变得异常简单。国际上就定义NA个原子（分子）为一个化学计量单位，称之为1摩尔（1摩），记作 1mol。
物质含有多少摩尔（摩尔数），就叫做物质的量，记作n。需要用物质的量计量的粒子，就包括我们上面所说的七类粒子，原子、分子、离子、质子、中子、电子、原子团。
现在我们知道了，阿伏加德罗常数不仅仅是巧合，更确切地说是规定。
规定：
12g 碳（0.012 kg）为 1 mol，这 1 mol 碳恰好含有 NA 个碳原子。
（1个碳原子的相对原子质量是12碳单位）
32g 硫（0.032 kg）为 1 mol，这 1 mol 硫恰好含有 NA 个硫原子。
（1个硫原子的相对原子质量是32碳单位）
………………
18g 水（0.018 kg）为 1 mol；这 1 mol 水恰好含有 NA 个水分子。
（水的相对分子质量是18碳单位，等于2个氢原子和1个氧原子的相对原子质量之和）
44g 二氧化碳(0.044kg)为1 mol；这1 mol二氧化碳恰含 NA 个二氧化碳分子。
（二氧化碳相对分子质量是44碳单位，等于1个碳原子和2个氧原子的相对原子质量之和）
………………
三、“物质的量”在化学中的应用
物质的量，这四个字是一个专用的名词，它的单位是摩尔，这个名词不可拆开。
教材中的题目“化学计量在实验中的应用”不太确切，化学计量、物质的量、摩尔等概念和计量，远远不止用于化学实验中，而是贯穿中学的整个化学课程学习，化学反应、溶液的浓度、理论计算等等，都离不开这个“物质的量”。所以，应该说是“物质的量在化学中的应用”。
3.1 物质的量的意义
物质的量（符号为 n），有微观和宏观两层含义。
微观含义：多少多少摩尔（也称为“摩尔数”），是从微观上定义的，就是某种粒子的数量为NA那么多的时候，为 1mol。可以进行物质所含粒子数与摩尔数之间进行换算。
物质含有的粒子数用 N 表示，则物质的量 n 的计算公式为：

（1）
宏观含义：摩尔数虽然来自于微观上的定义，在宏观上应用得更广泛，就是进行物质的质量与摩尔数的之间的换算。教科书、参考书中有很多类似的换算。
物质的质量为 m （单位是g），其相对分子质量为M，则物质的量 n 的计算公式为：

（2）
可以看出，物质的量 n 是宏观和微观之间的桥梁。
3.2 物质的量在高考中的份量
物质的量，至少占高考的一个选择题（6分），在化学计算中也会多次用到这个概念和公式。
3.3 练习
就是那两个公式，（1）和（2），一个简单的乘除法，三两个题就熟悉了，关键是对“物质的量”、“摩尔数”的理解。
* * *
学了化学计量这一次课，可以更深刻地理解化学，“计算是简单的，意义是深刻的”。
只要掌握了“摩尔数计算”、“物质的量计算”这两个小小的公式，就扼住了“高中化学”的喉咙。反过来说，如果这块儿有一丝马虎，后面的三年就都马马虎虎了，高考那就更马虎了，呵呵。
这次就到这里，下次的事，下次再说。
2010年8月2日·北京西三环