氧化還原反應(yīng)的誤區(qū)及其在化學(xué)教育的挑戰(zhàn)

劉翔

【摘要】在解釋化學(xué)現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生喜歡把宏觀層面的物質(zhì)與微觀層面的原子、離子和分子混合：“標(biāo)況下水的沸點(diǎn)是100℃”一代替物質(zhì)的分離性質(zhì)水有一種特殊的性質(zhì)，冰點(diǎn)和沸點(diǎn)和顆粒性質(zhì)。做氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生也這樣說：“一個(gè)Cu2得到兩個(gè)電子變成銅”一而不是“變成一個(gè)銅原子”！另一個(gè)難點(diǎn)似乎是與“氧轉(zhuǎn)移”有關(guān)舊有的氧化還原定義：這個(gè)觀點(diǎn)很有吸引力，學(xué)生爭辯的焦點(diǎn)大多集中在氧的參與來代替電子轉(zhuǎn)移。這篇文章反映了這些誤區(qū)，并且提出了新的教學(xué)方式來防止“學(xué)校的誤區(qū)”。

【關(guān)鍵詞】氧化還原反應(yīng)；誤區(qū)；中學(xué)教育

新生在他們剛開始學(xué)化學(xué)時(shí)，一方面的問題集中在鐵和硫酸銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)不是以原子和離子為基礎(chǔ)，而是以物質(zhì)為基礎(chǔ)：“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(xué)生爭論物質(zhì)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(xué)習(xí)者尋求通過氧轉(zhuǎn)移解釋這些反應(yīng)：“氧從硫酸銅中轉(zhuǎn)移”。

本文討論的誤解問題根據(jù)兩個(gè)眾所周知的氧化還原定義，試圖通過分析和比較這些錯(cuò)誤的答案并提出了化學(xué)教育的途徑，對(duì)于誤解的存在確保一些預(yù)防和挑戰(zhàn)。

在課堂開始時(shí)孩子們帶來了很多好的意見：對(duì)于燃燒過程他們的陳述是：“燃料會(huì)完全消失；有些東西進(jìn)入空氣中；蠟燭燃燒完全；煤燃燒，發(fā)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(dāng)熱空氣上升時(shí)水蒸發(fā)，使空氣改變；對(duì)于做飯和加熱來說是氣體是必要的；氣體可能會(huì)爆炸”。通過良好的觀察，孩子沒有教師，就無法抓住科學(xué)理念；他們將舍棄教師的科學(xué)理念，仍然使用從日常生活經(jīng)驗(yàn)中得到的前概念。教師必須知道那些前概念，做好有關(guān)的金屬和金屬氧化物質(zhì)量比的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該標(biāo)注出各種氣體的密度來幫助孩子們轉(zhuǎn)變觀念，實(shí)現(xiàn)“概念轉(zhuǎn)變”。

由于沒有年輕人知道在氧化還原反應(yīng)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(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移概念，想要教好這些問題就要成功抓住那些科學(xué)思想。實(shí)證調(diào)查顯示，然而，可以找到“自制的誤解”或“學(xué)校的誤解”。在分析和知識(shí)這樣的想法后，應(yīng)該可以設(shè)計(jì)教學(xué)方式和行為方式，成功的防止已知的誤解并且傳達(dá)科學(xué)概念。一些誤解應(yīng)參考。

氧化還原和氧轉(zhuǎn)移。在許多學(xué)校的氧化還原課程，有氧燃燒作為指導(dǎo)課程的第一思想。

即使在高中成績優(yōu)秀的學(xué)生中有存在誤區(qū)，只是伴隨著科學(xué)術(shù)語：“與銅的硫酸鹽溶液結(jié)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(xué)生想要使用科學(xué)術(shù)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(gè)有銅涂層的鐵釘，解釋這個(gè)現(xiàn)象。

總共有34%的學(xué)生使用氧化還原反應(yīng)（氧化、還原）和電子轉(zhuǎn)移的術(shù)語，14%學(xué)生使用的術(shù)語不通順。大多數(shù)學(xué)生使用常見的反應(yīng)方程來說明反應(yīng)，但通常有錯(cuò)誤。正確答案大都如出一轍：“銅比鐵更不活潑，因?yàn)殂~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(yīng)”。

60%以上的反應(yīng)都存在有缺陷。在許多情況下，一方面學(xué)生不能加以區(qū)分，銅和硫酸銅，另一方面，沒有物質(zhì)和顆粒：“銅離子從帶有鐵釘?shù)娜芤褐形龀觥?。高一年?jí)的一些學(xué)生認(rèn)為金屬涂層防銹：“有銅顏色的物質(zhì)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(rèn)為，沒有發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象是磁相互作用的結(jié)果：“鐵釘吸引硫酸銅溶液中的銅；銅從溶液中析出是鐵釘?shù)拇判浴薄?/p>

“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(jié)合鐵釘上的電子；銅離子沉淀，鐵釘?shù)耐繉泳托纬闪恕薄?shù)據(jù)分析表明，大約有一半的學(xué)生每天都是是通過使用他們熟悉的語言描述現(xiàn)象觀點(diǎn)。

在學(xué)校學(xué)生的誤區(qū)，因?yàn)樗鼈儾荒軈^(qū)分離子和原子：“硫酸銅溶液反應(yīng)為為銅；銅從溶液和鐵釘?shù)姆磻?yīng)中析出；鐵和硫酸銅的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，電子從鐵轉(zhuǎn)移到CuSO4，析出銅”。

對(duì)于一些學(xué)生似乎還并不明確，銅元素的存在對(duì)于發(fā)生氧化還原反應(yīng)來說是非常必要的，在他們的腦海中銅已經(jīng)出現(xiàn)構(gòu)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(xué)生分不清離子原子銅、硫酸銅溶液以及鐵。

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

問題2：

一塊薄銅片裝入一個(gè)小信封內(nèi)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(fā)生燃燒反應(yīng)

B.黑色是煙塵導(dǎo)致的

C.發(fā)生了氧化還原反應(yīng)

D.銅原子顏色發(fā)生改變

解釋你的答案：

實(shí)驗(yàn)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(shù)的選擇[B]，很大程度上結(jié)合了[A]和[C]，這樣的原因可能是缺乏實(shí)際的實(shí)驗(yàn)——顯然，許多學(xué)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(hù)膜，形成的煙是氧化銅顆?！?。

基于歷史的氧化還原概念。因?yàn)檫@是在所有的指南和教科書規(guī)定，一個(gè)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(xué)生能理解歷史改編的理論已經(jīng)落伍后，擴(kuò)展更換新的理論。在他們自己的課程，他們可以接受的“氧轉(zhuǎn)移”擴(kuò)展到電子轉(zhuǎn)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(dú)定義，氧化還原觀點(diǎn)顯得可有可無；為鐵還原氧化銅反應(yīng)這樣標(biāo)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(jìn)入“0原子、0分子、02-離子改變生成物”的困難。選擇一個(gè)模型圖顯示重組“粒子”，例如在碳還原氧化銅反應(yīng)，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(kuò)展。如果成功的教學(xué)對(duì)于物質(zhì)論據(jù)是可行的，最小的顆粒和化學(xué)符號(hào)彼此不同。Johnstone創(chuàng)建了“化學(xué)三角”，提出了三個(gè)層次的解釋：“我們?nèi)齻€(gè)層次的思想：宏觀和有形，亞微觀的原子和分子，使用符號(hào)和數(shù)學(xué)表示。他愚蠢的介紹心理學(xué)上學(xué)習(xí)著的三個(gè)層次。在這里導(dǎo)致了許多誤區(qū)。見多識(shí)廣的化學(xué)家能保持這三大平衡，但學(xué)習(xí)者不行”。特別是Gabel指出，教師要從宏觀層面直接到表現(xiàn)層面，學(xué)生沒有機(jī)會(huì)了解這個(gè)概念：“了解化學(xué)的主要障礙不是三個(gè)層次代表物的存在。是化學(xué)導(dǎo)論主要發(fā)展最抽象的層次一符號(hào)級(jí)上”。

如果決定要知道錯(cuò)誤想法應(yīng)包括在課堂上教學(xué)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(qiáng)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(yīng)生成二氧化碳，石灰水進(jìn)行試驗(yàn)并且質(zhì)量守恒。碳與氧反應(yīng)所示的模型圖紙和方程式。這些實(shí)驗(yàn)，他們?cè)噲D在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)達(dá)成一個(gè)“概念轉(zhuǎn)變”。他們回到已知概念和與學(xué)生認(rèn)識(shí)到的碳氧反應(yīng)新的概念模型進(jìn)行比較：“碳反應(yīng)完全，碳和燒瓶重量比反應(yīng)前小”。

氧化還原反應(yīng)的條件，氧化還原反應(yīng)，是理解化學(xué)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(xiàn)象：燃燒現(xiàn)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(chǎn)。

這里進(jìn)行兩個(gè)步驟。在第一步中的燃燒過程的教學(xué)開始的氧化和還原的概念對(duì)氧傳遞的水平是可能的，物質(zhì)的氧化或還原。實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)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(jìn)的講座，應(yīng)該教授擴(kuò)展的氧化還原想法。“氧化還原”說明了電子轉(zhuǎn)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(yīng)顯示電子轉(zhuǎn)移數(shù)，模型或模型圖，可以可視化的燒杯的化學(xué)過程。與序列的宏？亞微米？符號(hào)氧化還原反應(yīng)，不僅可以教好，也可以理解酸堿反應(yīng)和復(fù)雜的反應(yīng)！別忘了把誤解為講座：學(xué)生知道這些討論什么是對(duì)，什么是錯(cuò)的！