化學實驗改革建議之四

摘要：闡述了初等化學中金屬活動次序知識點的教育價值，指出金屬化學活動性和反應激烈程度沒有必然的相關(guān)性，分析了有關(guān)金屬物理性質(zhì)和某些化學性質(zhì)實驗體系的特點，并給出了教學建議。

關(guān)鍵詞：化學實驗；金屬；物理性質(zhì)；化學性質(zhì)

文章編號：1005—6629(2012)9—0003—03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

初等化學的主要任務是進行化學學科的啟蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究對象、研究方法和學生已經(jīng)學過的物理學、生物學、以及不很系統(tǒng)的天文學和自然地理學有所不同。化學以與人類社會物質(zhì)生活緊密相關(guān)的化學物質(zhì)為主要研究對象。這里所說的化學物質(zhì)，不僅包括已經(jīng)存在于自然界的化學物質(zhì)，還包括自然界并不存在的，由化學家以現(xiàn)有物質(zhì)為原料制造出來(或未來可能制造出來)的新物質(zhì)，而且后者的數(shù)量和所能體現(xiàn)的功能將遠遠超出前者。所以化學研究不僅著力于發(fā)現(xiàn)，還致力于創(chuàng)造，最能體現(xiàn)出人類的智慧和創(chuàng)造力!更為令人感到神奇的是，對于數(shù)量近于天文數(shù)字的化學物質(zhì)，其組成和結(jié)構(gòu)的研究可以歸結(jié)為對總數(shù)約百個左右化學元素性質(zhì)的認識和反應性能的調(diào)控。化學元素之間的結(jié)合規(guī)律——化學鍵理論并不復雜，當化學物質(zhì)的組成比較復雜時，組成元素原子之問的空間排布對原子之間相互作用的影響——化學結(jié)構(gòu)理論，也不很復雜。化學鍵理論和化學結(jié)構(gòu)理論可以幫助我們認識或預見化學物質(zhì)間存在差異性的物理因素，但是至今尚無法對這種差異導致的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的差別作出比較完備并可靠的判斷或推測。所以化學的學科研究工作中除去理論方法的研究外，無不依賴實驗工作來完成，這是化學至今仍然是一門實驗性科學的原因。

基于以上的原因，由于化學物質(zhì)數(shù)量龐大，反應類型雖然屈指可數(shù)，但是反應過程及產(chǎn)物對外界條件甚至反應物本身的狀態(tài)(例如固體的分散程度、溶液的濃度等)卻十分敏感，甚至接近幾乎無規(guī)律可循的情況。這從另一個角度表明了化學是一門正在發(fā)展中的科學，是一門基于百十個化學元素，而作為研究對象的化合物卻可能達到10¹⁴量級(目前已知的化合物數(shù)仍在10⁷的量級)的科學。因此從組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)問都存在差異的近乎天文數(shù)字的研究對象中，探索具有普適性的客觀規(guī)律是一項正在進行且遠未完成的艱巨任務。眾多的機會和嚴峻的挑戰(zhàn)，意味著化學是一門正在蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)科學，也正是化學引人入勝之處。但是對于初學者而言，雖然所涉及的化學知識和化學物質(zhì)并不很多，卻很難做到像初等物理學那樣依據(jù)為數(shù)不多的基本定律，就可以認識并探究大量相關(guān)的物理現(xiàn)象，初學者因此感到困惑的反映，應當認為是合理的。這是初等化學教學中必須著重研究和力求解決的問題。也許是為了減輕學生學習時出現(xiàn)的困惑，很多沒有經(jīng)過大量實驗事實證實的、以偏概全或概念模糊的所謂“規(guī)律”，在正式教材中雖然罕見，但在坊間出版的教輔一類學習材料之中卻屢見不鮮(有的甚至自詡為“應試寶典”)。這種做法，不僅不能真正解決初等化學教學中的困惑，而且由于模糊了對化學學科任務和方法的認識，對于化學教學特別是后繼課程的學習，將會導致不必要的困擾。把“例外”作為某些“規(guī)律”失效時的借口和師生們由此感到尷尬的心態(tài)，只會留下事與愿違的遺憾。我認為在解決這個問題的過程中，厘清學科概念和某些規(guī)律的理論或?qū)嶒炓罁?jù)是關(guān)鍵的一步，應當引起我們的重視。只要我們肯于面對問題，有關(guān)的實例并不難找到。把金屬活潑性和反應激烈程度想當然地直接相關(guān)聯(lián)，就是問題之一。

1 金屬化學活動性和反應激烈程度沒有必然的相關(guān)性

金屬活動次序在初等化學中是一個有趣，而且運用時比較得心應手的重要知識點。首先因為元素周期表中金屬元素的數(shù)目遠遠超過非金屬元素，除去汞外，它們的單質(zhì)在通常條件下均呈固態(tài)，可以直接觀察和測量的方面比較多；其次因為它們的鹽溶于水中后大都會發(fā)生電離，這時將以離子形式存在。用簡單的試管實驗，就可以通過A金屬元素的單質(zhì)是否能夠與B金屬元素的離子發(fā)生置換反應來比較A和B金屬的氧化還原性(或日金屬活動性)的強弱。實驗要求的技能水平很低，實驗現(xiàn)象卻十分明顯。置換反應發(fā)生時，產(chǎn)物首先沉積在金屬性較強的金屬表面上，底物表面和沉積在反應區(qū)的置換產(chǎn)物的形貌、顏色，甚至于變化過程都可以清晰地觀察到，足以引起實驗者極大的興趣。由此擴展得出的包括十幾個常見金屬元素的金屬活動次序，不僅應用起來得心應手，讀來更是朗朗上口，便于記憶，因而成為初中化學中最為師生喜愛的一個知識點。

在綜合幾個典型的金屬置換反應的實驗現(xiàn)象時，教學中把金屬的活動性和置換反應發(fā)生時的“激烈程度”相關(guān)聯(lián)的做法很普遍，甚至認為二者存在必然的相關(guān)性。雖然實驗中確實可以觀察到金屬鈉和水作用時的“激烈”和鋅、鐵置換硫酸銅或硝酸銀中的銅或銀時的“平靜和緩”，以及在和鹽酸作用時，鋅片上產(chǎn)生氫氣的“激烈程度”可能高于鐵等等，似乎上述的關(guān)聯(lián)并沒有什么問題，反而有利于學生強化對金屬活動次序的記憶。但是從化學學科概念來看，盡管上述實驗現(xiàn)象都是事實，仍然應當承認這種關(guān)聯(lián)在基本概念上是不存在的，即反應激烈程度和金屬化學活動性沒有必然的相關(guān)性。先入為主的錯誤認識，會對后繼學習產(chǎn)生負面的影響。這值得引起我們的注意。

金屬活動次序是從實驗中得出的經(jīng)驗規(guī)律，在電化學完成了對氧化還原電勢的理論構(gòu)建和實驗測量方法的規(guī)范化之后，得到了證實和完善。不僅對原有順序作了必要的調(diào)整，而且使得一些無法通過簡單置換反應進入金屬活動次序的金屬元素找到了它們在序列中的“位置”。此外還可以通過簡單的計算確定金屬離子濃度、溫度和介質(zhì)酸堿性對金屬元素在序列中位置的影響。氧化還原電勢的差別，是推動電子發(fā)生定向轉(zhuǎn)移的推動力，也就是在初等化學中所說的活動性。但是反應速率(激烈程度)卻是由單位時間內(nèi)氧化劑從還原劑得到的電子數(shù)量決定的。亦即和固態(tài)反應物的表面狀態(tài)(包括少量外來或內(nèi)含的雜質(zhì)的種類及分布，產(chǎn)物形態(tài)等)有關(guān)，二者并不存在必然的相關(guān)性。例如(還原)鐵粉不僅在酸中能夠迅速溶解，甚至在空氣中可以自燃，改用質(zhì)量相同的鐵片或鐵屑時，在相同的條件下就觀察不到類似的現(xiàn)象。和電池放電情況很相似，兩極間的電流是由外電阻的大小決定的，并非電池兩極電勢差越大，電流值就一定越大。所以應當嚴格區(qū)分決定金屬元素的氧化還原電勢差的熱力學因素，和影響反應速率的動力學因素。類似的情形在日常生活中也可以找到，由此可見，區(qū)分事物的起因和過程，分別采取不同處理方法的思維訓練，有利于提高學生的科學素養(yǎng)。三維教育目標在此也得以體現(xiàn)。

2 金屬活動次序知識點的化學教育價值

如果對于金屬活動次序的認識，僅限于比較金屬單質(zhì)及其離子氧化還原能力的強弱，以及對給定的置換反應是否能夠?qū)崿F(xiàn)做出判斷是不夠的。它還可以用于無機制備方案的設(shè)計，例如利用金屬置換反應制備氫氣時，什么時候可以選擇水作為氫源，什么時候可能要用鹽酸或稀硫酸，以及哪些金屬是無法實現(xiàn)這個反應的等，都和金屬在活動次序中的位置直接相關(guān)。其次，初中化學對金屬單質(zhì)的制備方法是分別進行的，如水溶液中實現(xiàn)的置換法(水法冶金工藝之_)；用碳在高溫下還原金屬氧化物的方法(火法冶金工藝之_)；以及在水溶液或非水溶液中通過電解制備金屬的方法，前者如電解硫酸銅溶液制銅，后者如電解溶于冰晶石熔融液中的氧化鋁制鋁或電解熔融氯化鈉制鈉等(電冶金工藝)。以上大致涵蓋了制取金屬的幾類基本方法。如果把這些個例和金屬活動次序相關(guān)聯(lián)，不僅可以對零散知識進行整合，還可以對這幾種方法還原能力的強弱獲得初步的認識。在遇到那些在金屬活動次序表中沒有列入的金屬元素時，由制備工藝可以推測它的活動f生和表中哪些金屬大致相近；反之，從某個金屬元素在周期表中的位置，可以由鄰近元素的制備方法獲得啟示。應當注意到，在上述制備方法中，電解法是一種普遍適用的方法。電解方法的氧化還原能力源于與化學物質(zhì)無關(guān)的外加電勢，它并非來自“天賜”，而是人類智慧的產(chǎn)物。科學技術(shù)對社會進步的價值在此體現(xiàn)得最為突出。由此可見，金屬活動次序?qū)τ谟嘘P(guān)化學知識和氧化還原反應的理解應用，可以起到以綱舉目張的作用。

3 回到實驗活動——金屬的物理性質(zhì)和某些化學性質(zhì)

金屬的物理性質(zhì)和某些化學性質(zhì)實驗體系的特點是：這個簡單的實驗活動是為了幫助學生對金屬(主要是常見金屬，如鈉、鎂、鋁、銅、鐵)的物理性質(zhì)及化學性質(zhì)形成初步的認識。由于實驗條件所限，涉及的物理性質(zhì)僅限于能夠用肉眼觀察、觸摸、以及簡單儀器能夠完成的幾種，要求不可能太高。化學性質(zhì)則限于和空氣、水及某些酸堿鹽之間的作用。具體內(nèi)容可以根據(jù)當?shù)貤l件選定。

在物理性質(zhì)上，可以選擇以下內(nèi)容：金屬的外觀(包括已氧化和新鮮表面的對比)、硬度、彈性、延展性和導電性等。

在化學性質(zhì)上，根據(jù)實驗條件，可以從以下內(nèi)容中選擇常溫和高溫下金屬單質(zhì)在空氣中的穩(wěn)定性，和稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸、稀氫氧化鈉溶液的作用，金屬氧化物的還原(如氧化銅、氧化鐵和氧化鋁用碳粉還原的對比)，部分常見金屬活動次序的確定等。

(1)初中化學在這部分的教學要求，以獲得對不同金屬元素的單質(zhì)物理性質(zhì)相似，而化學性質(zhì)間存在巨大差異的初步認識為目的。從穩(wěn)定性和反應性兩個方面來認識金屬單質(zhì)及其氧化物，屬于初等化學的任務。從單質(zhì)和化合物中元素形態(tài)及性質(zhì)的變化，可以對化學元素論有比較全面的了解。

(2)常見金屬元素的天然存在形式、冶金工業(yè)由礦石制取金屬單質(zhì)的方法、金屬表面處理技術(shù)的方法和作用等話題，可用要求學生從網(wǎng)站或有關(guān)書籍獲取信息的課外探究活動的方式處理。通過交流作為課堂教學和本實驗的補充。

(3)可以建議學生思考和探究的問題：

①(某種)金屬元素的原子和它的離子有什么共同點，它們之間的差別源于何處?請舉出你想到的實例。

②是否活潑金屬的單質(zhì)一定比活潑性差的更不穩(wěn)定(在干燥的大氣中和／或在濕潤的環(huán)境中)?你所依據(jù)的實驗事實或生活經(jīng)驗是什么?

③為什么自然界中以單質(zhì)形式存在的金屬元素屈指可數(shù)?常見的只有金、汞，銅則屬于偶見。

④科學界認為，在地表外大氣形成之前，海洋底部都是金屬鐵。它使得植物光合作用產(chǎn)生的氧氣消耗殆盡。直至鐵被全部轉(zhuǎn)化為氧化鐵之后，大氣中氧氣的體積分率才開始逐漸上升，直至目前的占約21％的水平。從中可以得到什么啟示?

⑤為什么金屬置換反應過程是否激烈和它們之間化學活潑性差別的大小并不直接相關(guān)?觀察到支持這個結(jié)論的實驗現(xiàn)象嗎?請設(shè)計幾個實驗來探究這個問題。

⑥如果你同意上面的說法，能夠聯(lián)想到日常生活中與此相似的事例嗎?通過對這個問題的思考和探索，主要收獲是什么?

4 兩點補充

(1)事件發(fā)生的原因相同，過程并不—定相同，因為后者是可以通過外力調(diào)控加以改變的。這類事例，唾手可得。通常屬于生活經(jīng)驗或教訓。如果這個認識同時植根于科學，通過提升對自然規(guī)律的認識，對提高學生認識和處理問題及事件的能力會有潛移默化的作用。因為自然規(guī)律具有不以人們主觀意志為轉(zhuǎn)移的屬性，所以印象更為深刻。

(2)雖然在初中化學課程標準中，沒有把金屬單質(zhì)的制備列入，但是在課程中，金屬冶煉工藝的基本原理都已涉及。如水法冶金(金屬置換)、火法冶金(鐵的冶煉)和電解法(電解法制鋁)。如果加以整合，可以得到兩方面的認識：①這3種方法的還原能力依次遞增，后者可以代替前者；②這3種方法的順序和金屬活動次序大致相對應。至于為什么最強的還原手段一一電解法并不是冶金工藝的唯一方案，這是因為科學著重解決的是“可能與否”的問題；而技術(shù)(工藝)不僅要考慮可能，還要考慮“可行與否”(包括資源、能源、環(huán)保、產(chǎn)品質(zhì)量標準、成本和市場等方面)的問題，有時后者起決定性作用。由此可以進一步認識科學和技術(shù)之間的關(guān)系。

參考文獻：

[1l宋心琦，關(guān)于中學化學教學實驗改革問題的思考[J]，化學教學，2008，(4)：1.