“理想化”處理化學問題的分類辨析

2019-09-09 01:06:06張興濤王澍

化學教學 2019年7期

張興濤王澍

摘要：簡單“理想化”地處理某些化學問題，是不科學的，很可能會導致錯誤的理解或結論。通過對化學理論應用、物質(zhì)結構分析、化學反應產(chǎn)物分析、化學實驗異常現(xiàn)象等問題的分類辨析，說明“理想化”處理化學問題出現(xiàn)的錯誤及其原因。

關鍵詞：理想化; 化學問題; 分類辨析

文章編號： 10056629（2019）7008505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

教師在化學教學中經(jīng)常依據(jù)已知的化學知識和經(jīng)驗，通過簡單的分析推理，得出一些“規(guī)律性”或看似“科學性”的“結論”，并通過這些“結論”引導學生學習掌握未知的化學知識。久而久之，形成某些教師的一種習慣，成為進行化學教學常用的方法。但是，正如北京師范大學吳國慶教授所講：“化學本身有規(guī)律，但化學的不規(guī)律比化學的規(guī)律更加普遍。”若教師在化學教學中，只進行簡單的分析推理而忽略了一些其他因素或?qū)滩膬?nèi)容進行不規(guī)范解讀，即對化學問題進行了所謂“理想化”處理，可能會得出一些有瑕疵的、甚至是完全錯誤的結論。這些不合理的結論可能又會被其他教師在化學教學中所采納，造成以訛傳訛，背離了化學學科的學科理念，也不利于發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

2 理想化與“理想化”處理概述

2.1 理想化處理

理想化，在科學研究應用中，指突出地反映客觀事物的某一特性，忽略了其他次要方面的特性。這樣可以使事物的規(guī)律具有比較簡單的形式，從而便于人們?nèi)フJ識和掌握復雜問題。理想化處理某些復雜問題時，方法更為簡單而不發(fā)生大的偏差，是人類認識自然、探索未知的有效手段。

復雜問題是指包含部分的數(shù)量多、關聯(lián)因素多、背景不清晰或當前研究不明確的問題。

2.2 理想化處理問題的方法

主要有：（1）建立合理的理想模型，把事件簡化或純化;（2）依據(jù)科學理論直接推理，要注意理論使用的條件;（3）依據(jù)科學的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行推理或知識遷移。三種方法均要遵循科學性和實證性。

例如，英國化學家紐蘭茲、法國地質(zhì)學家尚古多、俄國化學家門捷列夫把相對原子質(zhì)量（而非原子序數(shù)）由小到大排列，最終形成元素周期表，是化學發(fā)展的里程碑事件。在當時的化學研究階段下，是理想化處理化學問題的典型代表。

2.3 理想化處理與“理想化”處理的區(qū)別

理想化處理，是指忽略掉一些因素或事實后，依據(jù)事物的主要特征，得到正確的規(guī)律或結論，是科學的，值得推廣的。

北京大學嚴宣申教授說：“即使很簡單的問題，也往往涉及幾個因素”，因而在進行知識遷移時“單因素考慮問題不全面。[1]”

“理想化”處理，是指忽略掉重要的因素或事實，或?qū)φ_的學科知識和理論進行不規(guī)范解讀，導致錯誤的理解或結論。這樣的理想化就需要打上引號了，即本文中的“理想化”，這樣的“理想化”處理化學問題，是不科學的，在教學中要避免。

3 部分化學問題分類辨析

筆者通過對化學教學中因“理想化”處理化學問題，得出的一些不全面或錯誤的化學規(guī)律和結論，從化學理論應用、物質(zhì)結構分析、化學反應產(chǎn)物分析、化學實驗異常現(xiàn)象等問題進行分類辨析，去偽存真，為中學化學教學提供參考。

3.1 化學理論應用問題

3.1.1 N元素與Cl元素的非金屬性強弱比較

元素的非金屬性指元素的原子在化合物中吸引電子的能力，可以用元素電負性數(shù)值的大小衡量非金屬性的強弱。

高中化學教材中列舉了利用單質(zhì)與氫氣反應生成氣態(tài)氫化物的難易、氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性、元素最高價氧化物的水化物的酸性強弱等，來判斷元素的非金屬性強弱，需要注意的是以上判斷依據(jù)的前提是同周期或同主族元素之間。

若忽略教材中要求的同周期或同主族這一前提，簡單照搬教材中判斷元素非金屬性強弱的依據(jù)，“理想化”處理這一問題，就會得到如表1所呈現(xiàn)的結論。

（2） Cl2和N2的分子結構不同，Cl2的氧化性強于N2，不能說明Cl元素比N元素的非金屬性強。

若從NCl3的水解反應、氫鍵、第一電離能、電負性等角度比較N元素與Cl元素的非金屬性強弱，則會得到以下結果，如表2[2]。

3.1.2 反應焓變與鍵能

在101kPa、 298K條件下，把1mol氣態(tài)AB分子生成氣態(tài)A原子和B原子的過程中所吸收的能量，稱為A—B共價鍵的鍵能。而對于不是AB型的H2O或NH3分子，其原子間斷開1mol共價鍵所需要的能量，稱為共價鍵的解離能，它們并不相同（文獻中給出的鍵能通常是平均值）。

反應物和生成物均為氣體的化學反應的焓變ΔH，可以用化學鍵的鍵能進行簡單計算。但是，利用鍵能計算反應的焓變ΔH，需要注意反應物和生成物的聚集狀態(tài)，否則就會得到錯誤的結果，如表3。

對于有聚集態(tài)物質(zhì)參加的反應，反應焓變ΔH可能與升華能、電離能、電子親和能、晶格能、鍵能等有關，而不僅僅與鍵能有關。對于環(huán)狀有機物等較復雜反應，反應焓變也不等于簡單的反應物的鍵能與生成物的鍵能之差。

顯然，簡單氣態(tài)反應的焓變一般可以通過反應物的鍵能之和減去生成物鍵能之和來進行計算。因此，用鍵能計算焓變，不能簡單地“理想化”處理，要考慮具體的反應環(huán)境。

3.2 物質(zhì)結構分析問題

3.2.1 有機物中羥基O原子的軌道雜化

H2O中O原子軌道雜化類型為sp3，有機物中羥基O原子軌道雜化類型是否和H2O中O原子相同？通過表4，用不同的處理方式，如何正確分析有機物中羥基O原子的軌道雜化類型。

（1） H2O中O原子軌道雜化類型為sp3;

（2）乙醇可看成H2O中H被—CH2CH3替代的產(chǎn)物，乙醇中羥基O原子軌道雜化類型為sp3。“理想化”（錯誤）所有有機物中羥基O原子的軌道雜化類型均為sp3。苯酚中的酚羥基O原子和羧基中的羥基O原子采用sp2雜化。

理想化（正確）醇類有機物中醇羥基O原子軌道雜化類型為sp3。

由表4知，有機物中羥基O原子的軌道雜化類型應考慮羥基O原子的化學環(huán)境，苯酚中的酚羥基O原子和羧基中的羥基O原子均采用sp2雜化，原因是以上兩種結構中的羥基O原子相連的C原子為sp2雜化，這樣可以形成穩(wěn)定的大π鍵。“理想化”地由H2O和CH3CH2OH的結構得出有機物的羥基O原子均為sp3雜化是錯誤的。

3.2.2 手性碳與手性分子

手性分子有旋光性是因為含有手性碳。因此，容易“理想化”地認為：含有手性碳的分子一定是手性分子。這種說法忽略了含有多個手性碳且中心對稱的情況，例如：內(nèi)消旋酒石酸分子中的對稱結構（見圖1），含有兩個手性碳且分子中心對稱，沒有旋光性，不是手性分子。

有手性碳的分子未必是手性分子，只含一個手性碳原子的分子一定是手性分子，但含多個手性碳原子的分子不一定是手性分子，需要從分子的整體對稱性考慮[4]。

3.3 化學反應產(chǎn)物分析問題

SiO2與C反應的產(chǎn)物分析：

工業(yè)上制備單質(zhì)硅，SiO2與C在高溫下反應生成Si和CO，而不是Si和CO2的原因。通過表5的對比，可以得出更科學、合理的解釋。

3.4 化學實驗異常現(xiàn)象問題

3.4.1 氫氧化鋁與醋酸的反應

蘇教版高中化學教材有： Al（OH）3既可以與強酸反應，又可以與強堿反應[6]。據(jù)此，有人得出： Al（OH）3不溶于弱酸，也不溶于弱堿的結論。

而實驗證實，Al（OH）3可完全溶于弱酸性的CH3COOH溶液，主要是由于Al（OH）3電離出的Al3+與CH3COO-發(fā)生配合作用所致，兩性偏堿性的Al（OH）3與CH3COOH的中和也會對溶解有所貢獻[7]。不能因為教材中有“Al（OH）3既可以與強酸反應，又可以與強堿反應”，而“理想化”地推定Al（OH）3不能溶于所有弱酸。教學中要避免對教材內(nèi)容進行“理想化”的異化解讀，防止出現(xiàn)科學性錯誤。

3.4.2 沉淀現(xiàn)象與溶度積Ksp

在一定溫度下，只要水溶液中的離子積Qc大于溶度積Ksp，就會有沉淀現(xiàn)象。事實未必如此。

例如：飽和FeCl3溶液物質(zhì)的量濃度約為4.42mol·L-1，飽和Ca（OH）2溶液物質(zhì)的量濃度約為0.02mol·L-1，若兩溶液等體積混合，離子積Qc=c（Fe3+）×c（OH-）3=2.21×0.023=1.8×10-5遠大于Fe（OH）3的溶度積{18℃時，Ksp[Fe（OH）3]為1.1×10-36， 25℃時，Ksp[Fe（OH）3]為4.0×10-38}，應立即出現(xiàn)沉淀。但筆者通過實驗發(fā)現(xiàn)在10℃、 25℃、 60℃等溫度下，將飽和Ca（OH）2溶液與飽和FeCl3溶液等體積混合后，均沒有產(chǎn)生Fe（OH）3沉淀。若用激光筆照射，可觀察到“丁達爾效應”。

圖2 飽和Ca（OH）2溶液與飽和FeCl3溶液混合實驗

原因是鋁鹽和鐵鹽既能水解生成氫氧化物膠體，與堿反應時，也能生成氫氧化物膠體。當水溶液中的離子積Qc大于溶度積Ksp時，可能會出現(xiàn)沉淀，也可能不會，應考慮到除溶液和濁液外，還有膠體這一分散系的情況。

3.4.3 金屬鈉與鹽酸的反應

金屬鈉可以和水劇烈反應，反應的實質(zhì)是鈉與水電離出的H+離子發(fā)生氧化還原反應。有人據(jù)此推斷，金屬鈉與鹽酸的反應非常劇烈，鹽酸濃度越大，反應速率越大。

通過實驗證實[8]，金屬鈉與鹽酸的反應并沒有想象中的劇烈。當鹽酸濃度在0.50mol·L-1附近時，反應速率最快;當鹽酸濃度小于0.50mol·L-1時，鹽酸濃度越大，反應速率增大;當鹽酸濃度大于0.50mol·L-1時，鹽酸濃度越大，反應速率反而變小。當鹽酸濃度大于1.0mol·L-1時，鈉與鹽酸反應速率比鈉與水的反應速率還小。

鈉與濃度較大的鹽酸反應速率變小，應該與生成的NaCl在鹽酸中的溶解度變小，結晶析出有關。“理想化”地認為“鹽酸濃度越大，鈉與鹽酸反應速率越大”，只考慮了反應物的濃度因素，而忽略了生成物結晶對反應速率的影響。

顯然，化學反應異常現(xiàn)象不一定是誤差或失誤造成的，其背后可能隱含著實驗者不知道的客觀規(guī)律[9]。

4 結語

運用科學的方法進行化學探索推測是必需的，但要在堅持實驗事實和規(guī)范的學科理論的前提下，綜合多因素考慮問題，在化學教學中避免因“理想化”處理化學問題而出現(xiàn)錯誤的結論。應使思維建立在良好的判斷基礎上，使用恰當?shù)脑u估標準對事物的真實性進行判斷和思考[10]。因此，

須理想化但不“理想化”處理各類化學問題，

強化對學生科學思維、學科觀念、創(chuàng)新意識、質(zhì)疑能力、批判意識和科學精神的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]嚴宣申. 化學實驗的啟示與科學思維的訓練[M]. 北京：北京大學出版社， 1993： 5.

[2]張新平，陶洪濤，孝衍嬌. 氮與氯的非金屬性比較研究[J]. 化學教育， 2017， 38（1）： 73～77.

[3]李國英. 一種新的軌道電負性標度[J]. 大學化學， 2001， 16（5）： 57～61.

[4]胡宏文. 有機化學（上）（第2版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2005： 83～84.

[5]黃泉生. 對教學中幾個問題的探討與思考[J]. 化學教學， 2015，（3）： 82～85.