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碳和碳的氧化物 编写说明

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  • 人教版《义务教育课程标准实验教科书 化学》（九年级上）

    第六单元 碳和碳的氧化物 编写说明

     

    在引导学生走进化学世界，从化学角度认识了身边的物质，初步了解了物质构成的奥秘，学习了一些基本的化学概念和化学技能之后，本单元开始深入、细致地研究碳和碳的氧化物。本单元包括三个课题：课题1 主要介绍碳的几种单质：金刚石、石墨和C60分子等。课题2是引导学生探究实验室中制取二氧化碳的装置，并利用所设计的装置制取二氧化碳。课题3是通过实验探究碳的氧化物的性质。现就本单元的设计思想和教学中应注意的问题作一说明。

    一、           设计思想

    在《全日制义务教育化学课程标准（实验稿）》（以下简称《标准》）中，关于碳和碳的氧化物是分散提出的。例如，知道二氧化碳的主要性质和用途；初步学习在实验室制取二氧化碳；了解自然界中的碳循环；知道某些物质（如CO……）有损人体健康；认识物质的多样性，等等。本单元根据全书体系结构的设计，采取了集中编排、集中处理的方式。这样安排主要是基于以下设计思想：

    第一， 碳单质非常重要，有必要介绍。

    首先，从教材内容现代化、反映化学学科发展的角度来看，应该介绍碳的单质。

    1985年，英国科学家克罗托(H.W.Kroto)等人发现了C60。目前世界上关于C60的研究热潮一浪高过一浪，有关C60的研究在化学界、物理学界和材料科学界等是经久不衰。由于C60在超导领域、材料科学、催化剂研究，包括在治疗癌症、艾滋病等与人类健康关系非常密切的领域都有着广阔的应用前景，因此，美国和日本等经济发达国家为C60的研究提供了非常强劲的经费支持。我国北京大学、中科院物理所、浙江大学等在C60应用于超导领域的研究也达到了国际先进水平，取得了很多成果。

    不仅是C60，就是人们非常熟悉的碳的单质——金刚石的应用也有新的发展。自20世纪80年代以来，在金刚石的应用方面突破了一贯认为金刚石是坚硬无比的固体的概念，科学家把金刚石制成了薄膜，使得金刚石在高新科技领域的应用远远超出了人们所熟悉的范围。这就是说，有关碳单质的研究在科学技术领域取得了许多新成果，这些新的科技发展动态应该及时地反映到教材内容当中。但是旧教材中只介绍了碳的两种同素异形体：金刚石和石墨，而C60分子是作为阅读材料出现的。因此，从教材内容现代化、及时反映化学学科的发展趋势的角度应该介绍碳元素的三种单质：金刚石、石墨和C60。

    其次，从物质组成多样性的角度，应该介绍碳的单质。

    使学生认识物质的组成具有多样性，是初中化学的基本任务之一。认识物质组成具有多样性有两层含义：第一层含义，知道目前已知的3 000多万种化合物是由100多种元素组成的，不同种类、不同数量元素的原子按照特定的方式互相组合就组成了不同的物质；第二层含义，不仅使学生认识到不同元素可以组成不同的物质，还要使学生认识到同一种元素也可以组成不同的物质。在初中化学阶段，碳的三种单质——金刚石、石墨和C60是同一种元素组成不同物质非常好的例子。介绍碳的三种单质对学生初步建立化学元素观、认识元素在化学中的地位和作用是大有帮助的，这就是本单元安排课题1的原因。

    第二，碳的化合物种类繁多，尤其是有机化合物在国民经济的发展中起着非常重要的作用。而碳的氧化物（CO和CO2）不仅与学生的日常生活密切相关，同时也是初中化学元素化合物知识中非常重要的一部分：碳和碳的氧化物是以后学生学习许多化学反应的基础，初中化学的许多反应都与碳和碳的氧化物有关。因此，本单元课题3介绍CO2和CO的性质和用途，为学生后续阶段化学的学习打下坚实的基础。

    第三，《标准》将科学探究作为“课程改革的突破口”，明确提出“义务教育阶段化学课程中的科学探究，是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动”，“是一种重要的学习方式，也是义务教育阶段化学课程的重要内容”。

    在化学课程改革中倡导科学探究，要和化学学科的特点即实验紧密结合起来。化学实验是进行科学探究的重要方式，学生具备基本的化学实验技能是学习化学和进行探究活动的基础和保证。制取气体实验技能是初中化学实验的重点和难点。根据《标准》，H2的制取实验不要求了，初中的气体制取实验只有O2和CO2。O2的制取在第二单元中已介绍过，所以本单元安排课题2二氧化碳制取的研究，在学生已学过的O2的制取的基础上，探究气体的制备问题。CO2和H2的制取无论是从反应物的状态，还是从反应条件等都有许多相似之处。由于H2的制取实验不要求，所以完全让学生探究CO2的制取是有困难的。因此，教材给出了实验室中制取二氧化碳的化学反应原理、确定气体发生装置和收集装置时应考虑的因素、CO2和O2制取实验及相关性质比较，在此基础上，给出了一些仪器，由学生自己来组装制取二氧化碳的装置，并利用装置制取二氧化碳。因此，课题2重在让学生掌握实验室中制取气体的思路和方法。

    二、教学中应注意的问题

    1． 关于碳的单质

    （1）要引导学生以发展的眼光来看待碳的单质。

    教材中不仅介绍了碳的3种单质：金刚石、石墨和C60分子，而且还提到了20世纪90年代初发现的一些以新的形态存在的单质碳如管状碳（碳纳米管），教参中还介绍了一些类似洋葱形状的碳等。其实，1985年C60的发现就引起了许多科学家的反思，像碳这样的在19～20世纪已经被化学家详细研究过了的元素，居然在它的基本研究领域还存在着如此重大的遗漏，应该引起研究工作者的奋起直追。教师可利用这些素材，引导学生认识随着科技的发展，碳单质的一些新形态也可能被发现，碳单质的用途可能将不断扩大，使学生以发展的眼光来看待碳的单质，从而增强对化学学习的兴趣，以及献身化学的信心。

    需要说明的是，教参中提供了许多关于C60的发现、C60的超导性、C60的命名和C60的潜在应用前景，以及碳单质研究的新进展等资料，这些资料是拓展教师视野的，不要将其引入课堂教学中，以免加重学生的学习负担。

    （2）在介绍碳的单质时，不要介绍同素异形体的概念（《标准》中不要求），重点是从物质组成多样性的角度来介绍。

    2．关于二氧化碳制取装置的探究

    在探究实验室中制取二氧化碳的装置时要注意两点：

    （1） 探究重在过程，以及思路和方法。

    课题2主要是让学生探究实验室中制取二氧化碳的装置，在探究过程中了解实验室中确定制取气体的装置（包括发生装置和收集装置）时应考虑的因素，如反应物的状态、反应条件、所要制取的气体的性质，等等。因此，探究的重点是让学生参与设计制取二氧化碳装置的过程，以及了解实验室中确定制取气体装置的思路和方法。

    （2） 探究要体现开放性。

    教学时，可以将学生分成几组，每组学生通过讨论（甚至辩论）、合作来组装一套制取二氧化碳的装置（可以不局限在教材中所列的仪器上），然后在教师指导下，组与组之间互相讨论装置的优缺点。另外，教材中列出了二种制取二氧化碳的装置，目的是保证制取装置学习的落实，教学时切不可将它作为唯一的、标准的装置，要鼓励学生创新，鼓励学生利用代用品来设计装置。

    3．关于二氧化碳物理性质的实验

    关于二氧化碳的物理性质（密度比空气的大、能溶于水，不支持燃烧）的实验非常多，教材中只选了2个：向盛有燃着蜡烛的烧杯中倾倒二氧化碳、向盛满二氧化碳的塑料瓶中加入水。教师在教学过程中可结合120页的习题4（设计实验证明二氧化碳的物理性质），让学生设计实验探究二氧化碳的物理性质。如向纸袋里倾倒二氧化碳；向二氧化碳气体中吹空气的肥皂泡（向收集满CO2气体的玻璃瓶中吹进空气的肥皂泡，肥皂泡会停留在瓶中的某一处，浮上浮下）；向装有二氧化碳的集气瓶（盖有玻璃片）中倒入少量水，将其倒置，玻璃片掉不下来等实验，充分发挥教师和学生的创造性。

    4．关于实验【6-6】

    二氧化碳与水的反应比较抽象，是课题2教学难点之一。旧教材中的实验，学生往往认为是二氧化碳使石蕊变成红色。为突破这个教学难点，这个实验设计为五步：(Ⅰ) 向干燥的紫色石蕊小花（纸花）喷稀醋酸；(Ⅱ) 向干燥的紫色石蕊小花喷水；(Ⅲ) 直接把干燥的紫色石蕊小花放入二氧化碳中；(Ⅳ) 将干燥的紫色石蕊小花喷水后放入二氧化碳中；(Ⅴ) 将(Ⅳ)中的小花取出后小心加热。(Ⅰ) 、(Ⅱ)、(Ⅲ)是独立的，是为（Ⅳ)作铺垫的，目的是使学生认识到是二氧化碳与水反应生成的碳酸使紫色石蕊变成红色，(Ⅴ) 是说明碳酸的不稳定性。通过观察实验现象，可以得出以下结论：

    (1) 石蕊是一种色素，遇酸变成红色。

    (2) 水不能使紫色石蕊变成红色，二氧化碳也不能使紫色石蕊变成红色。

    (3) 二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊变成红色。

    (4) 碳酸不稳定，容易分解成二氧化碳和水。

    该实验除教材中的设计以外，还可作如下改进：

    (Ⅰ) 把干燥的紫色石蕊小花放入二氧化碳中；(Ⅱ) 将(Ⅰ)中的小花喷水，观察，然后将其放入二氧化碳中；(Ⅲ) 向干燥的紫色石蕊小花（纸花）喷稀醋酸； (Ⅳ) 将(II)中的小花取出后小心加热。

    改进后的实验探究性增强，思维难度加大，教师在教学过程中要适当加以引导。

    5．氟氯代烷

    氟氯代烷就是人们熟悉的“氟利昂”，氟利昂是英文“Freon”的音译。由于“Freon”是现今仍保留专利注册的外国商品名，所以“氟利昂”在教材中不宜使用。氟利昂实际是一类多卤代烃，主要是含氟和氯的烷烃衍生物，其中最常用的是一氟三氯甲烷（CCl3F，商品名叫氟利昂-11）和二氟二氯甲烷（CCl2F2，商品名叫氟利昂-12）等。因此教材中把氟利昂改称为学名——氟氯代烷。

    需要注意的是，破坏臭氧层是氟氯代烷中的氯，而不是氟。氟氯代烷的化学性质很稳定，它进入大气后随气流上升，在平流层中受紫外线的照射，发生分解产生氯原子，氯原子可引发损耗臭氧的反应。

    氯原子破坏臭氧层的反应为：

    Cl+O3=ClO+O2

    ClO+O=Cl+O2

    总反应为：O+O3=2O2

    在反应中，Cl原子并没有消耗，而臭氧分子变成了氧气分子，Cl原子在其中起了催化剂的作用，每个Cl原子能参与大量的破坏臭氧分子的反应。因此，即使逸入平流层中的氟氯代烷不多，但由它们分解出来的Cl原子可长久地起着破坏臭氧的作用。

    为了保护臭氧层，人类签订了以减少并逐步停止生产和使用氟氯代烷为目标的《保护臭氧层维也纳公约》、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》等国际公约。

    6. 关于实验【6-8】

    实验时，应首先向烧杯中加入100 mL 4%的柠檬酸钠溶液，作为血液的抗凝剂。然后倒入20 mL左右的新鲜鸡血，搅动，使鸡血与抗凝剂充分混合。然后向两支试管中各加入5 mL鸡血，其中一支试管内的血液作对比用，向另一支试管中通入一氧化碳气体，可以看到血液与一氧化碳接触后变成鲜红色（樱桃红）。注意，必须连续不断地通入一氧化碳气体，这是实验成败的关键。

    7．关于联系生活和社会实际

    本单元中联系生活和社会实际的内容非常多。例如，金刚石和石墨的用途；二氧化碳的性质（利用溶解性来制汽水、干冰用于人工降雨等），二氧化碳的用途（灭火、气体肥料等），二氧化碳对生活和环境的影响（温室效应）等。另外，教材中还设计了3个家庭小实验和1个调查与研究。这些内容或活动都是紧密联系学生的生活和社会实际的，教师在教学过程中应充分利用这些素材来激发学生的学习兴趣，使学生学以致用，从而体会化学学习的重要价值。

    （作者单位：课程教材研究所化学课程教材研究开发中心---乔国才）
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