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1、1初中化学初中化学“碳及其化合物碳及其化合物”教学研究与案例评析教学研究与案例评析谢劲松（ 北京市第五十中学，中学高级 ） 一、该主题学科知识的深层次理解1该主题知识结构本主题知识包括碳单质 ( 金刚石、石墨 C60 ) 碳的氧化物 (CO、CO2 ) 碳酸盐（ CaCO3）的性质及用途。2该主题知识在整个中学课程体系中的地位和作用本主题知识在整个中学课程体系中的地位和作用。本主题知识打通了初三碳及其化合物、高一化学常见碳酸盐、高二有机化学的学习，利于学生掌握生产、生活中常见含碳元素物质性质、用途的学习。3本主题知识拓展3.1 碳循环地球上的几个碳库地球上最大的两个碳库是 岩石圈 和化石燃料，
2、含碳量约占地球上碳总量的 99.9% 。这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库大气圈库、水圈库和生物库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，容量小而活跃，实际上起着交换库的作用。碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在, 总量为 2.7 1016 吨；在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，总量有 2 1012 吨；在水圈中以多种形式存在；在生物库中，则存在着几百种被生物合成的有机物。这些物质的存在形式受到各种因素的调节。在大气中， 二氧化碳 是含碳的主要气体，也是碳参与物质循环的主2要形式。在生物库中，森林是碳的主要吸收者, 它固定的碳相当于其他植被类型的两倍
3、。森林又是生物库中碳的主要贮存者, 贮存量大约为 4.82 1011 吨，相当于目前大气含碳量的 2/3 。3.2 碳的地球化学循环 碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移, 而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。沉积物含有两种形式的碳：干酪根和碳酸盐。在风化过程中，干酪根与氧反应产生二氧化碳，而碳酸盐的风化作用却很复杂。含在白云石和方解石矿物中的碳酸镁和碳酸钙受到地下水的侵蚀，产生出可溶解于水的钙离子、镁离子和重碳酸根离子。它们由地下水最终带入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之类的海生生物摄取钙离子和重碳酸根离子来构成碳酸钙的骨骼和贝壳。这些生
4、物死了之后，碳酸钙就沉积在海底而最终被埋藏起来。二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处，由于风和波浪的作用而加强。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等，伴随着大气中二氧化碳量的增多或减少，海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。3.3 碳的生物循环在碳的生物循环中, 大气中的二氧化碳被植物吸收后, 通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合
5、物。植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后, 残体中的碳, 通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需 20 年。一部分（约千分之一）动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有3机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料煤、石油和天然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳氧化成为二氧化碳排入大气。如今，人类消耗大量矿物燃料对碳循环产生了重大影响。一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及
6、其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的 环境 有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。二、该主题核心内容的教学策略教学重点 1: 形态各异的碳单质：了解金刚石和石墨的物理性质和主要用途，体会结构决定性质、性质决定用途的科学方法。知道碳单质的化学性质：碳跟氧气及某些氧化物的反应。教学难点：金刚石石墨 C60 的结构，碳跟某些氧化物的反应。各教学环节的具体教学策略如下：环节一、联想质疑：大家对氧气比较熟悉，臭氧也听说过，其实它们是一家人，它们都是氧元素形成的单质。一
7、种元素形成几种不同单质的现象还有许多，如红磷和白磷等等。提起碳的单质，大家一定会想到煤、木炭这些黑呼呼的东西，其实，煤并不是碳的单质，如果我说璀璨夺目的钻石也是碳的单质，大家一定会感到惊讶。高贵的钻石怎么可能与木炭是一家人呢？环节二、交流思考：研究表明，透明的金刚石、灰色的石墨和足球状的C60 都是由碳元素组成的单质。请你列举金刚石和石墨的主要用途？推断其物理性质？4教师引导学生完成下表：金刚石是天然存在的最硬的物质，纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体。可用于制备玻璃刀、钻石、轮锯、钻头等。石墨是深灰色有金属光泽、不透明的细鳞片状固体。石墨很软，有滑腻感，有优良的导电性。生活中，还有一
8、些物质的主要成分是石墨，它们是由石墨的微小晶体和少量杂质构成的，如木炭、焦炭、活性炭、炭黑等。由于木炭具有疏松多孔的结构，因此它具有吸附能力。活性炭的吸附能力更强。能吸附毒气、色素和有异味的物质。用于制糖、食品、净水，制防毒面具等。C60 用途：材料科学、医学、超导体等。环节三、启发讲授：金刚石和石墨都由碳元素组成，元素是具有相同核电核数的同一类原子的总称。金刚石和石墨都由碳原子构成，你认为它们的排列方式有多少种？发挥想象力，可以是线状、层状、或网络状、笼状等多种可能的碳原子的排列方式。这种不同的排列会导致怎样的后果？学生分组讨论，并阅读教材。因为构成它们的碳原子的排列方式不同（结构不同） ，
9、从而导致金刚石、石墨、C60 的物理性质和用途存在很大差异 。这也体现了化学学科结构决定性质、性质决定用途的学科思想。环节四、实验演示：木炭跟氧化铜的反应。该反应是学生学习的难点。实验时，要引导学生着重观察两个问题：(1) 石灰水发生了什么变化？(2) 试管里的粉末发生了什么变化？ 根据实验现象，由学生自己分析木炭跟氧化铜反应生成了什么物质，教师加以指导写出反应的化学方程式。然后分析这个反应中反应物和生成物的关系，引出还原反应。5最后，小结：1. 一种元素可以形成多种单质。2. 碳的几种单质由于原子的排列方式不同，物理性质有很大的差异。3. 碳的化学性质：稳定性，可燃性，还原性。教学重点 2
10、：知道二氧化碳的主要性质和用途，实验探究二氧化碳的性质。教学难点：二氧化碳与水、与石灰水的反应。1由二氧化碳用途推测其可能具有的性质，并对性质进行分类。2. 启发讲授二氧化碳的物理性质。教师结合学生在上一个教学环节中抽提出的一部分二氧化碳的物理性质，加以补充，教师指导学生完成如下学习笔记：二氧化碳的物理性质：（ 1 ）通常状况下，无色的气体；（ 2 ）密度比空气大；（ 3 ）能溶于水；（ 4 ）有“三态”的变化。我们平时打开汽水或啤酒盖时，常有大量的气体产生，这是什么气体呢？这是利用哪一点性质呢？用什么方法来检验？ 该气体是二氧化碳，在通常状况下， 1 体积的水大约能溶解 1 体积的二氧化碳，
11、增大压强还会溶解得更多。 生产汽水、可乐等碳酸型饮料就是利用了二氧化碳的这一性质。3. 实验探究二氧化碳的化学性质。6教师由生活情景引入二氧化碳化学性质的教学：检验可乐瓶中溢出的二氧化碳可用澄清石灰水。教师演示实验：向澄清石灰水中通入二氧化碳，澄清石灰水变浑浊。分析： CO2 与石灰水反应生成白色沉淀，落实化学方程式。学以致用： 日常生活中，为了装饰我们的房子，我们给墙壁扫石灰水，当石灰水变干时墙壁会被一白色的物质覆盖，变得很白。在这过程中，为了使效果更好，人们常在房中放一盆炭火，这是为什么呢？利用你所学到的知识解释一下。因为二氧化碳可以与石灰水反应生成白色沉淀碳酸钙，放一盆炭火可以使室内的二
12、氧化碳的浓度增大，而且室内的温度也会升高有利于反应的进行。由日常生活我们知道鱼能在水中生存，是由于水中溶解有少量的氧气，氧气溶于水是物理变化还是化学变化呢？由上面的实验探究我们得知 CO2 也能溶于水，那么它溶于水时究竟有没有发生化学变化呢？二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊试液变成红色。CO2 + H2O = H2CO3但是碳酸很不稳定容易分解生成二氧化碳和水。H2CO3 = H2O + CO2 拓展讲二氧化碳的用途：可做致冷剂，保存食品和人工降雨；可做灭火剂；可做气体肥料，促进光合作用；可做化工原料，制纯碱、汽水。教学重点 3 ：初步学习在实验室制取二氧化碳：包括了解实验室中制取二
13、氧化碳的反应原理、探究实验室中制取二氧化碳的装置、了解实验室中制取气体的思路和方法。7教学难点：探究实验室中制取二氧化碳的装置。为了落实这些教学重点、突破难点，建议采取如下教学策略：1主动思考实验室中制取二氧化碳的反应原理。教师可以应用以下的教学情景，帮助学生思考什么化学反应才最适合实验室中制取二氧化碳。反应物中有气体导致和生成物的气体混合在一起无法分离、反应条件高温在实验室不好做到，最后只能选取碳酸盐和酸反应。教师追问：实验室用哪种碳酸盐和哪种酸制备二氧化碳比较好？提供药品：碳酸钠粉末、碳酸钙粉末、块状大理石、稀盐酸、稀硫酸。经过对比实验分析，发现只有块状大理石和稀盐酸反应制取二氧化碳反应速
14、率适中，适合在实验室制取二氧化碳。 为什么不能用稀硫酸和碳酸钙起反应来制取二氧化碳？如果用稀硫酸跟碳酸钙起反应来制取二氧化碳，在反应开始时生成不易溶解的硫酸钙薄膜，会包住碳酸钙，使它不能接触到稀硫酸，因而反应很难继续进行。2探究实验室中制取二氧化碳的装置并自己制备二氧化碳。探究实验室中制取二氧化碳的装置时要体现开放性。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。教材中给出了一种制取二氧化碳的装置，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。学生首先
15、需要确定气体发生装置和收集装置的因素，然后从反应物的状态、反应条件、气体密度与空气的大小比较和是否与8水反应等方面来比较实验室中制取二氧化碳和氧气的异同。下图列出了其他几种制取二氧化碳的装置。三、学生常见错误与问题的分析与解决策略1 “碳”和“炭”的含义和用法学生容易混为一谈。学生在书写物质名称时，对于“碳”和“炭”认识不够到位。 “碳”是指碳元素，是核电荷数为 6 的一类原子的总称，在描述物质组成时用“碳” ，例如碳原子、碳元素、碳单质、碳的化合物。而“炭”是指具体的物质，例如 木炭、焦炭、活性炭、炭黑。2学生误认为碳元素组成的物质是纯净物。本章学习的金刚石和石墨混合在一起，虽然只含碳元素，
16、但却是不同的物质，混合在一起就属于混合物而非单质。因此由同种元素组成的物质可能是单质也可能是混合物。学生对于纯净物的概念理解不够透彻，纯净物是指只含一种物质，有固定的组成。而学生往往错误地认为由同种元素组成的物质是纯净物，而忽略了由同种元素也可以组成不同的物质。学生对于单质的概念理解不够透彻，学生认为只要是一种元素组成的物质在进行归类时就属于单质。而单质的概念是由同种元素组成的纯净物，而只含有一种元素，但却是混合物就不再是单质。 例如：下列各组物质一定属于纯净物的是 A 臭氧（O3）B 仅含氢、氧两种元素的物质 C 仅含碳元素的物质 D 仅含碳、氧两种元素的物质 臭氧是纯净物，有固定的组成（ O3 ） 。由氢氧两种元素可以组成的物质是 H2O 或 H2O2 或两种混存，可能是化合物，也可能是混合物。仅含碳元素的物质可能是金刚石或石墨或 C60，或几种物质混存。含碳氧两种元素的物质是 CO 或 CO2 或两种物质混存，所以可能是化合物，也可能是混合物。3学生在组装制取二氧化碳的装置时容易出现以下几处错误：9（ 1 ）长颈漏斗下口没有伸入液面
