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基于“水的组成”探究实验对阿伏伽德罗定律的教学思考

摘要：基于阿伏伽德罗定律被认可的历史考量，从描述方式一致性和证据推理的方法论角度，以电解水的探究实验为基础，引导学生深化认识阿伏伽德罗定律的内容和实质。分别在体积固定和体积可变的容器中呈现分子构建气体体积的过程，展现阿伏伽德罗定律“不同气体”的“不同分子尺寸”和“不同分子质量”的内涵，为学生完整地认识阿伏伽德罗定律提供可靠的途径。

关键词：阿伏伽德罗定律；电解水；水的组成;教学思考

1阿伏伽德罗定律被认可的历史考量

1.1阿伏伽德罗假设的提出与接受

自从人类产生意识以来，对物质的探究便一直伴隨着人类。约公元前624～546年，古希腊哲学家泰勒斯自觉地从神话宗教世界观中摆脱出来，提出“水是万物的根源”，具有不可再分性。然而18世纪末至19世纪初的一些实验否定了水的不可再分性，在这短短的几十年内［1，2］，英国科学家卡文迪许由氢气和氧气合成了水；英国化学家道尔顿发现1g氢气与8g氧气反应生成了9g水；法国化学家盖·吕萨克发现2体积氢气与1体积氧气反应生成了2体积水蒸气；英国化学家尼科尔森和卡莱尔发现电解水生成的氢气和氧气的体积比为2∶1。

道尔顿主要是从重量的角度探究氢气和氧气发生反应生成水的规律。基于倍比定律、同种电荷相斥理念以及具有猜测性的“最简法则”，道尔顿认为水的组成为HO，并写出了反应式：H+OHO。盖·吕萨克则是从体积的角度来探究氢气和氧气发生反应生成水的规律。当盖·吕萨克发现氢气和氧气反应的体积比也是简单的整数时，结合其他具有相似规律的反应，便将这种现象与倍比定律联系在了一起，并提出假设：同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的“原子”。盖·吕萨克提出的假设也是根据猜测性的“最简法则”：相同体积的不同气体含有“相同”（而非其他关系）数目的“原子”即为最简单的猜测。但这个假设遭到了道尔顿的强烈反对，道尔顿认为不同原子尺寸不同，必然占据不同的空间。而且，由于研究的都是同一个反应，依据盖·吕萨克的理论，2体积氢气与1体积氧气反应生成2体积水蒸气的反应应该写为：

2H+O2HO。这将导致HO中的O是“半个原子”的矛盾。此时，依据重量的“最简法则”与依据体积的“最简法则”产生了矛盾。

1811年，阿伏伽德罗仔细考察了以上实验，认为上述矛盾的产生来自于道尔顿原子论的不完善，并正式引入分子概念，提出了两个假设。第一个假设：同温同压下，相同体积的不同气体含有相同的分子数。第二个假设：一些基本气体分子由两个原子组成。阿伏伽德罗认为氢气和氧气各由两个原子组成，水分子则由两个氢原子和一个氧原子组成［3］。2体积氢气与1体积氧气反应生成2体积水蒸气“数量上”可表示为：2N氢气分子+N氧气分子2N水分子。阿伏伽德罗假设有效地解决了“半个原子”的矛盾，但此假说并不被彼时的科学界所认可。

1858年，意大利化学家康尼查罗根据阿伏伽德罗假设，将氢气和氧气的分子式分别设定为H2和O2，并将氢原子的质量定为单位1，计算出氧原子的相对原子质量为16。康尼查罗敏锐地认识到如果认可阿伏伽德罗假设的内容，道尔顿、盖·吕萨克、阿伏伽德罗三位科学家对氢气和氧气反应生成水的描述将会达到完美的一致性，“水的组成”争议便会得到解决，如表1所示［4］。

1860康尼查罗在第一届国际化学会议上介绍了阿伏伽德罗假设的价值，随后阿伏伽德罗假设被科学家们所接受，阿伏伽德罗假设也变成了阿伏伽德罗定律。

1.2阿伏伽德罗假设被接受的方法论思考

方法论是有关认识和改造世界方法的理论。在阿伏伽德罗假设被接受的过程中有以下两点值得注意。

第一，事物描述方式的一致性。描述方式一致性是指不同的描述方式都可以描述同一个事物的本质特征。各种描述方式之间具有相通性，可以相互补充、印证和转换，从而使人们能够从不同的角度深入理解此事物。在认识的不成熟阶段，各种描述方式之间往往会出现不一致性的现象。描述方式的不一致将推动着人们抛弃旧理论中的不合理因素，发展出新的理论以达到描述方式的一致性。“水的组成”被确定的过程正是如此。“水的组成”乃是规律世界的一部分，对生成水反应物的描述和电解水产物的描述都是对“水的组成”本质的描述，这些描述必然有着一致性。当盖·吕萨克从“体积化合”的角度与道尔顿从“重量化合”的角度描述“水的组成”出现不一致的时候，阿伏伽德罗提出了新的假说，以使各种描述方式达到了一致性。

第二，证据推理的重要性。作为一个从实验中总结出来的定律，阿伏伽德罗定律内容引起了科学家们极大的困惑。可以说，在某种程度上，当时的人们是通过证据（实验现象）“被迫”接受了这一事实。感性的“不同的原子尺寸不同，必然占据着不同的空间”理解起来毫无困难，但却不符合气体存在的实验现象。理性的“同温同压下，相同体积的不同气体含有相同的分子数”符合气体存在的