氧化還原反應的誤區及其在化學教育的挑戰

劉翔

【摘要】在解釋化學現象時，學生喜歡把宏觀層面的物質與微觀層面的原子、離子和分子混合：“標況下水的沸點是100℃”一代替物質的分離性質水有一種特殊的性質，冰點和沸點和顆粒性質。做氧化還原反應實驗的學生也這樣說：“一個Cu2得到兩個電子變成銅”一而不是“變成一個銅原子”！另一個難點似乎是與“氧轉移”有關舊有的氧化還原定義：這個觀點很有吸引力，學生爭辯的焦點大多集中在氧的參與來代替電子轉移。這篇文章反映了這些誤區，并且提出了新的教學方式來防止“學校的誤區”。

【關鍵詞】氧化還原反應；誤區；中學教育

新生在他們剛開始學化學時，一方面的問題集中在鐵和硫酸銅反應實驗不是以原子和離子為基礎，而是以物質為基礎：“銅被氧化成氧化銅并且鐵釘溶解；鐵被氧化，硫酸銅溶液濃度降低；鐵被硫酸銅氧化；得失電子”。另一方面，學生爭論物質的鐵和硫酸銅，而不是原子或離子的，這一定義的過程有很大的影響力，許多學習者尋求通過氧轉移解釋這些反應：“氧從硫酸銅中轉移”。

本文討論的誤解問題根據兩個眾所周知的氧化還原定義，試圖通過分析和比較這些錯誤的答案并提出了化學教育的途徑，對于誤解的存在確保一些預防和挑戰。

在課堂開始時孩子們帶來了很多好的意見：對于燃燒過程他們的陳述是：“燃料會完全消失；有些東西進入空氣中；蠟燭燃燒完全；煤燃燒，發出光并且留下灰燼”。研究氣體及其屬性的孩子說到“氣體沒有重量；當熱空氣上升時水蒸發，使空氣改變；對于做飯和加熱來說是氣體是必要的；氣體可能會爆炸”。通過良好的觀察，孩子沒有教師，就無法抓住科學理念；他們將舍棄教師的科學理念，仍然使用從日常生活經驗中得到的前概念。教師必須知道那些前概念，做好有關的金屬和金屬氧化物質量比的實驗，應該標注出各種氣體的密度來幫助孩子們轉變觀念，實現“概念轉變”。

由于沒有年輕人知道在氧化還原反應中氧傳遞燃燒過程的歷史解釋方法也不知道他們從日常生活中的氧化還原反應中的電子轉移概念，想要教好這些問題就要成功抓住那些科學思想。實證調查顯示，然而，可以找到“自制的誤解”或“學校的誤解”。在分析和知識這樣的想法后，應該可以設計教學方式和行為方式，成功的防止已知的誤解并且傳達科學概念。一些誤解應參考。

氧化還原和氧轉移。在許多學校的氧化還原課程，有氧燃燒作為指導課程的第一思想。

即使在高中成績優秀的學生中有存在誤區，只是伴隨著科學術語：“與銅的硫酸鹽溶液結合；硫酸銅；銅原子吸引電子；鐵釘能吸收離子溶液”。這些言論表明，學生想要使用科學術語。

問題1：

將鐵釘浸沒在硫酸銅溶液中，一分鐘后，觀察到一個有銅涂層的鐵釘，解釋這個現象。

總共有34%的學生使用氧化還原反應（氧化、還原）和電子轉移的術語，14%學生使用的術語不通順。大多數學生使用常見的反應方程來說明反應，但通常有錯誤。正確答案大都如出一轍：“銅比鐵更不活潑，因為銅牢牢停留在鐵釘上，這意味著，硫酸銅溶液中的Cu2+離子濃度降低，形成了銅的氧化還原反應”。

60%以上的反應都存在有缺陷。在許多情況下，一方面學生不能加以區分，銅和硫酸銅，另一方面，沒有物質和顆粒：“銅離子從帶有鐵釘的溶液中析出”。高一年級的一些學生認為金屬涂層防銹：“有銅顏色的物質是鐵生銹；腐蝕鐵釘使之生銹；通過浸泡在硫酸銅溶液中是鐵釘生銹”。其他人認為，沒有發生反應產生的現象是磁相互作用的結果：“鐵釘吸引硫酸銅溶液中的銅；銅從溶液中析出是鐵釘的磁性”。

“從硫酸銅溶液中，染色、沉淀、粘貼元素銅，銅原子、銅離子、銅的電子”涉及到許多答案：“銅顆粒沉積在鐵釘表面上；飽和硫酸銅溶液結合鐵釘上的電子；銅離子沉淀，鐵釘的涂層就形成了”。數據分析表明，大約有一半的學生每天都是是通過使用他們熟悉的語言描述現象觀點。

在學校學生的誤區，因為它們不能區分離子和原子：“硫酸銅溶液反應為為銅；銅從溶液和鐵釘的反應中析出；鐵和硫酸銅的反應是氧化還原反應，電子從鐵轉移到CuSO4，析出銅”。

對于一些學生似乎還并不明確，銅元素的存在對于發生氧化還原反應來說是非常必要的，在他們的腦海中銅已經出現構成元素：“銅將硫酸銅溶液化合，析出銅沉淀在鐵釘表面”。缺少鹽溶液中存在的離子的想法；那些學生分不清離子原子銅、硫酸銅溶液以及鐵。

這第二個任務是確定如何用自己的概念教授學生理解金屬氧化還原。特別是，我們想知道現在學生是否知道簡單的氧的定義和電子轉移理論，在何種情況下何種程度下他們能辨別物質、原子、離子、分子。

問題2：

一塊薄銅片裝入一個小信封內折疊起來，用大火加熱：外面的紙變成黑色，打開信封里面的銅沒有變化。

A.發生燃燒反應

B.黑色是煙塵導致的

C.發生了氧化還原反應

D.銅原子顏色發生改變

解釋你的答案：

實驗表明[B]是最有吸引力的選擇，有59%的人選擇，只有21%的人選擇正確的答案[C]，選擇[A]和[D]的比例為18%和4%。大多數的選擇[B]，很大程度上結合了[A]和[C]，這樣的原因可能是缺乏實際的實驗——顯然，許多學生不知道“大火”，這意味著什么。選擇[B]的解釋如下：“火焰/通過燃燒/火形成煙灰，銅的氧化形成了外在的保護膜，形成的煙是氧化銅顆粒”。

基于歷史的氧化還原概念。因為這是在所有的指南和教科書規定，一個必須考慮的指令，接觸氧化還原概念延伸盡可能少的方法。學生能理解歷史改編的理論已經落伍后，擴展更換新的理論。在他們自己的課程，他們可以接受的“氧轉移”擴展到電子轉移是合理的。

另一方面，在開始教授本科目沒有“氧化還原一詞，用的是它的引申意義。由于氧化（金屬+金屬氧化物）和（還原氧化銀+氧氣）最初被單獨定義，氧化還原觀點顯得可有可無；為鐵還原氧化銅反應這樣標注就足夠了：鐵被氧化為氧化鐵，氧化銅被還原為銅。然而，如果反映只是這樣一句話，不能進入“0原子、0分子、02-離子改變生成物”的困難。選擇一個模型圖顯示重組“粒子”，例如在碳還原氧化銅反應，你可以解釋一下“組合碳粒子、氧粒子和釋放的銅粒子”。

氧化還原概念擴展。如果成功的教學對于物質論據是可行的，最小的顆粒和化學符號彼此不同。Johnstone創建了“化學三角”，提出了三個層次的解釋：“我們三個層次的思想：宏觀和有形，亞微觀的原子和分子，使用符號和數學表示。他愚蠢的介紹心理學上學習著的三個層次。在這里導致了許多誤區。見多識廣的化學家能保持這三大平衡，但學習者不行”。特別是Gabel指出，教師要從宏觀層面直接到表現層面，學生沒有機會了解這個概念：“了解化學的主要障礙不是三個層次代表物的存在。是化學導論主要發展最抽象的層次一符號級上”。

如果決定要知道錯誤想法應包括在課堂上教學最大化的成功了。在討論非正常燃燒的概念，他們講氧氣燒瓶中放入幾塊碳，稱量重量并保持封閉平衡。然后他們盡可能強加熱燒瓶，碳片開始燃燒，搖晃燒瓶碳片消失。冷卻燒瓶，碳和氧氣反應生成二氧化碳，石灰水進行試驗并且質量守恒。碳與氧反應所示的模型圖紙和方程式。這些實驗，他們試圖在學生的認知結構達成一個“概念轉變”。他們回到已知概念和與學生認識到的碳氧反應新的概念模型進行比較：“碳反應完全，碳和燒瓶重量比反應前小”。

氧化還原反應的條件，氧化還原反應，是理解化學的中心一他們必須了解最深。用氧化還原的想法，年輕人能解釋很多日常生活現象：燃燒現象，鐵和其他金屬腐蝕生銹，高爐煉鐵，電解鋁，電池、蓄電池電能的生產。

這里進行兩個步驟。在第一步中的燃燒過程的教學開始的氧化和還原的概念對氧傳遞的水平是可能的，物質的氧化或還原。實驗表明，該反應可以描述方程式和模型圖（見圖4），但不是在公式。你也可以想想“氧化還原”一是在這一背景下略。

第二步，在先進的講座，應該教授擴展的氧化還原想法?！把趸€原”說明了電子轉移，描述了顆粒：金屬原子被氧化成離子，其它離子被還原為原子。氧化還原條件應顯示電子轉移數，模型或模型圖，可以可視化的燒杯的化學過程。與序列的宏？亞微米？符號氧化還原反應，不僅可以教好，也可以理解酸堿反應和復雜的反應！別忘了把誤解為講座：學生知道這些討論什么是對，什么是錯的！