化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革建議之四

摘要：闡述了初等化學(xué)中金屬活動(dòng)次序知識(shí)點(diǎn)的教育價(jià)值，指出金屬化學(xué)活動(dòng)性和反應(yīng)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(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)體系的特點(diǎn)，并給出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn)；金屬；物理性質(zhì)；化學(xué)性質(zhì)

文章編號(hào)：1005—6629(2012)9—0003—03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

初等化學(xué)的主要任務(wù)是進(jìn)行化學(xué)學(xué)科的啟蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究對(duì)象、研究方法和學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)的物理學(xué)、生物學(xué)、以及不很系統(tǒng)的天文學(xué)和自然地理學(xué)有所不同。化學(xué)以與人類社會(huì)物質(zhì)生活緊密相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)為主要研究對(duì)象。這里所說(shuō)的化學(xué)物質(zhì)，不僅包括已經(jīng)存在于自然界的化學(xué)物質(zhì)，還包括自然界并不存在的，由化學(xué)家以現(xiàn)有物質(zhì)為原料制造出來(lái)(或未來(lái)可能制造出來(lái))的新物質(zhì)，而且后者的數(shù)量和所能體現(xiàn)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前者。所以化學(xué)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(duì)于數(shù)量近于天文數(shù)字的化學(xué)物質(zhì)，其組成和結(jié)構(gòu)的研究可以歸結(jié)為對(duì)總數(shù)約百個(gè)左右化學(xué)元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和反應(yīng)性能的調(diào)控。化學(xué)元素之間的結(jié)合規(guī)律——化學(xué)鍵理論并不復(fù)雜，當(dāng)化學(xué)物質(zhì)的組成比較復(fù)雜時(shí)，組成元素原子之問(wèn)的空間排布對(duì)原子之間相互作用的影響——化學(xué)結(jié)構(gòu)理論，也不很復(fù)雜。化學(xué)鍵理論和化學(xué)結(jié)構(gòu)理論可以幫助我們認(rèn)識(shí)或預(yù)見化學(xué)物質(zhì)間存在差異性的物理因素，但是至今尚無(wú)法對(duì)這種差異導(dǎo)致的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差別作出比較完備并可靠的判斷或推測(cè)。所以化學(xué)的學(xué)科研究工作中除去理論方法的研究外，無(wú)不依賴實(shí)驗(yàn)工作來(lái)完成，這是化學(xué)至今仍然是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)的原因。

基于以上的原因，由于化學(xué)物質(zhì)數(shù)量龐大，反應(yīng)類型雖然屈指可數(shù)，但是反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物對(duì)外界條件甚至反應(yīng)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(wú)規(guī)律可循的情況。這從另一個(gè)角度表明了化學(xué)是一門正在發(fā)展中的科學(xué)，是一門基于百十個(gè)化學(xué)元素，而作為研究對(duì)象的化合物卻可能達(dá)到10¹⁴量級(jí)(目前已知的化合物數(shù)仍在10⁷的量級(jí))的科學(xué)。因此從組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)問(wèn)都存在差異的近乎天文數(shù)字的研究對(duì)象中，探索具有普適性的客觀規(guī)律是一項(xiàng)正在進(jìn)行且遠(yuǎn)未完成的艱巨任務(wù)。眾多的機(jī)會(huì)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，意味著化學(xué)是一門正在蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，也正是化學(xué)引人入勝之處。但是對(duì)于初學(xué)者而言，雖然所涉及的化學(xué)知識(shí)和化學(xué)物質(zhì)并不很多，卻很難做到像初等物理學(xué)那樣依據(jù)為數(shù)不多的基本定律，就可以認(rèn)識(shí)并探究大量相關(guān)的物理現(xiàn)象，初學(xué)者因此感到困惑的反映，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是合理的。這是初等化學(xué)教學(xué)中必須著重研究和力求解決的問(wèn)題。也許是為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)的困惑，很多沒有經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證實(shí)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(xué)習(xí)材料之中卻屢見不鮮(有的甚至自詡為“應(yīng)試寶典”)。這種做法，不僅不能真正解決初等化學(xué)教學(xué)中的困惑，而且由于模糊了對(duì)化學(xué)學(xué)科任務(wù)和方法的認(rèn)識(shí)，對(duì)于化學(xué)教學(xué)特別是后繼課程的學(xué)習(xí)，將會(huì)導(dǎo)致不必要的困擾。把“例外”作為某些“規(guī)律”失效時(shí)的借口和師生們由此感到尷尬的心態(tài)，只會(huì)留下事與愿違的遺憾。我認(rèn)為在解決這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，厘清學(xué)科概念和某些規(guī)律的理論或?qū)嶒?yàn)依據(jù)是關(guān)鍵的一步，應(yīng)當(dāng)引起我們的重視。只要我們肯于面對(duì)問(wèn)題，有關(guān)的實(shí)例并不難找到。把金屬活潑性和反應(yīng)激烈程度想當(dāng)然地直接相關(guān)聯(lián)，就是問(wèn)題之一。

1 金屬化學(xué)活動(dòng)性和反應(yīng)激烈程度沒有必然的相關(guān)性

金屬活動(dòng)次序在初等化學(xué)中是一個(gè)有趣，而且運(yùn)用時(shí)比較得心應(yīng)手的重要知識(shí)點(diǎn)。首先因?yàn)樵刂芷诒碇薪饘僭氐臄?shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(cè)量的方面比較多；其次因?yàn)樗鼈兊柠}溶于水中后大都會(huì)發(fā)生電離，這時(shí)將以離子形式存在。用簡(jiǎn)單的試管實(shí)驗(yàn)，就可以通過(guò)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(yīng)來(lái)比較A和B金屬的氧化還原性(或日金屬活動(dòng)性)的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)要求的技能水平很低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻十分明顯。置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)物首先沉積在金屬性較強(qiáng)的金屬表面上，底物表面和沉積在反應(yīng)區(qū)的置換產(chǎn)物的形貌、顏色，甚至于變化過(guò)程都可以清晰地觀察到，足以引起實(shí)驗(yàn)者極大的興趣。由此擴(kuò)展得出的包括十幾個(gè)常見金屬元素的金屬活動(dòng)次序，不僅應(yīng)用起來(lái)得心應(yīng)手，讀來(lái)更是朗朗上口，便于記憶，因而成為初中化學(xué)中最為師生喜愛的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

在綜合幾個(gè)典型的金屬置換反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，教學(xué)中把金屬的活動(dòng)性和置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)的“激烈程度”相關(guān)聯(lián)的做法很普遍，甚至認(rèn)為二者存在必然的相關(guān)性。雖然實(shí)驗(yàn)中確實(shí)可以觀察到金屬鈉和水作用時(shí)的“激烈”和鋅、鐵置換硫酸銅或硝酸銀中的銅或銀時(shí)的“平靜和緩”，以及在和鹽酸作用時(shí)，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(wèn)題，反而有利于學(xué)生強(qiáng)化對(duì)金屬活動(dòng)次序的記憶。但是從化學(xué)學(xué)科概念來(lái)看，盡管上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是事實(shí)，仍然應(yīng)當(dāng)承認(rèn)這種關(guān)聯(lián)在基本概念上是不存在的，即反應(yīng)激烈程度和金屬化學(xué)活動(dòng)性沒有必然的相關(guān)性。先入為主的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，會(huì)對(duì)后繼學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)面的影響。這值得引起我們的注意。

金屬活動(dòng)次序是從實(shí)驗(yàn)中得出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，在電化學(xué)完成了對(duì)氧化還原電勢(shì)的理論構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的規(guī)范化之后，得到了證實(shí)和完善。不僅對(duì)原有順序作了必要的調(diào)整，而且使得一些無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單置換反應(yīng)進(jìn)入金屬活動(dòng)次序的金屬元素找到了它們?cè)谛蛄兄械摹拔恢谩薄４送膺€可以通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算確定金屬離子濃度、溫度和介質(zhì)酸堿性對(duì)金屬元素在序列中位置的影響。氧化還原電勢(shì)的差別，是推動(dòng)電子發(fā)生定向轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力，也就是在初等化學(xué)中所說(shuō)的活動(dòng)性。但是反應(yīng)速率(激烈程度)卻是由單位時(shí)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(yīng)物的表面狀態(tài)(包括少量外來(lái)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(shí)，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(shì)差越大，電流值就一定越大。所以應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格區(qū)分決定金屬元素的氧化還原電勢(shì)差的熱力學(xué)因素，和影響反應(yīng)速率的動(dòng)力學(xué)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(guò)程，分別采取不同處理方法的思維訓(xùn)練，有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。三維教育目標(biāo)在此也得以體現(xiàn)。

2 金屬活動(dòng)次序知識(shí)點(diǎn)的化學(xué)教育價(jià)值

如果對(duì)于金屬活動(dòng)次序的認(rèn)識(shí)，僅限于比較金屬單質(zhì)及其離子氧化還原能力的強(qiáng)弱，以及對(duì)給定的置換反應(yīng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)做出判斷是不夠的。它還可以用于無(wú)機(jī)制備方案的設(shè)計(jì)，例如利用金屬置換反應(yīng)制備氫氣時(shí)，什么時(shí)候可以選擇水作為氫源，什么時(shí)候可能要用鹽酸或稀硫酸，以及哪些金屬是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)反應(yīng)的等，都和金屬在活動(dòng)次序中的位置直接相關(guān)。其次，初中化學(xué)對(duì)金屬單質(zhì)的制備方法是分別進(jìn)行的，如水溶液中實(shí)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(guò)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(gè)例和金屬活動(dòng)次序相關(guān)聯(lián)，不僅可以對(duì)零散知識(shí)進(jìn)行整合，還可以對(duì)這幾種方法還原能力的強(qiáng)弱獲得初步的認(rèn)識(shí)。在遇到那些在金屬活動(dòng)次序表中沒有列入的金屬元素時(shí)，由制備工藝可以推測(cè)它的活動(dòng)f生和表中哪些金屬大致相近；反之，從某個(gè)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(yīng)當(dāng)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(xué)物質(zhì)無(wú)關(guān)的外加電勢(shì)，它并非來(lái)自“天賜”，而是人類智慧的產(chǎn)物。科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)進(jìn)步的價(jià)值在此體現(xiàn)得最為突出。由此可見，金屬活動(dòng)次序?qū)τ谟嘘P(guān)化學(xué)知識(shí)和氧化還原反應(yīng)的理解應(yīng)用，可以起到以綱舉目張的作用。

3 回到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)——金屬的物理性質(zhì)和某些化學(xué)性質(zhì)

金屬的物理性質(zhì)和某些化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)體系的特點(diǎn)是：這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是為了幫助學(xué)生對(duì)金屬(主要是常見金屬，如鈉、鎂、鋁、銅、鐵)的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)形成初步的認(rèn)識(shí)。由于實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單儀器能夠完成的幾種，要求不可能太高。化學(xué)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(dāng)?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(duì)比)、硬度、彈性、延展性和導(dǎo)電性等。

在化學(xué)性質(zhì)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)比)，部分常見金屬活動(dòng)次序的確定等。

(1)初中化學(xué)在這部分的教學(xué)要求，以獲得對(duì)不同金屬元素的單質(zhì)物理性質(zhì)相似，而化學(xué)性質(zhì)間存在巨大差異的初步認(rèn)識(shí)為目的。從穩(wěn)定性和反應(yīng)性兩個(gè)方面來(lái)認(rèn)識(shí)金屬單質(zhì)及其氧化物，屬于初等化學(xué)的任務(wù)。從單質(zhì)和化合物中元素形態(tài)及性質(zhì)的變化，可以對(duì)化學(xué)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(xué)生從網(wǎng)站或有關(guān)書籍獲取信息的課外探究活動(dòng)的方式處理。通過(guò)交流作為課堂教學(xué)和本實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。

(3)可以建議學(xué)生思考和探究的問(wèn)題：

①(某種)金屬元素的原子和它的離子有什么共同點(diǎn)，它們之間的差別源于何處?請(qǐng)舉出你想到的實(shí)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(rùn)的環(huán)境中)?你所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)或生活經(jīng)驗(yàn)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(xué)界認(rèn)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(yīng)過(guò)程是否激烈和它們之間化學(xué)活潑性差別的大小并不直接相關(guān)?觀察到支持這個(gè)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嗎?請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這個(gè)問(wèn)題。

⑥如果你同意上面的說(shuō)法，能夠聯(lián)想到日常生活中與此相似的事例嗎?通過(guò)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考和探索，主要收獲是什么?

4 兩點(diǎn)補(bǔ)充

(1)事件發(fā)生的原因相同，過(guò)程并不—定相同，因?yàn)楹笳呤强梢酝ㄟ^(guò)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(yàn)或教訓(xùn)。如果這個(gè)認(rèn)識(shí)同時(shí)植根于科學(xué)，通過(guò)提升對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)，對(duì)提高學(xué)生認(rèn)識(shí)和處理問(wèn)題及事件的能力會(huì)有潛移默化的作用。因?yàn)樽匀灰?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(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識(shí)：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(dòng)次序大致相對(duì)應(yīng)。至于為什么最強(qiáng)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?yàn)榭茖W(xué)著重解決的是“可能與否”的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)、成本和市場(chǎng)等方面)的問(wèn)題，有時(shí)后者起決定性作用。由此可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)科學(xué)和技術(shù)之間的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1l宋心琦，關(guān)于中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革問(wèn)題的思考[J]，化學(xué)教學(xué)，2008，(4)：1.