氯元素概念發(fā)展史及其教育價值

焦愛芳 顧佳麗

摘? 要 氯是典型的非金屬元素，其發(fā)展史蘊(yùn)含豐富的教育價值。在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，從氯氣的發(fā)現(xiàn)、氧化學(xué)說的建立、氯元素的確立等角度闡明氯元素概念的發(fā)展史，從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究意識和批判性思維方面深入剖析氯元素概念發(fā)展史的教育價值。研究結(jié)果對優(yōu)化教師的教學(xué)理念、豐富學(xué)生的化學(xué)史知識、發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)等具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 化學(xué);氯元素;教育價值;核心素養(yǎng);批判性思維

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0060-03

0 前言

氯（Chlorine），元素符號為Cl，主要存在于海水、海鹽和海礦中，是一種重要的成鹽元素，容易和金屬元素形成天然的氯化物，分布最廣的是氯化鈉，其次是氯化鎂，氯化鉀等。氯也是人體血液和細(xì)胞中的常量元素，在人體內(nèi)主要以氯離子的形式存在，可以與鈉離子、鉀離子結(jié)合，具有協(xié)同調(diào)控細(xì)胞、血液等的滲透壓和電荷平衡等作用[1]。此外，氯也是消毒劑和清潔劑的主要組成部分[2]，具有殺菌消毒的作用。

氯位于第三周期第七主族，是鹵素中最早被發(fā)現(xiàn)的元素，氯元素的發(fā)展過程漫長而曲折。2019年新人教版化學(xué)教材（必修1）對氯元素的發(fā)展史只簡單介紹了氯氣的發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)和命名，而對氯元素發(fā)現(xiàn)的過程沒有提及。目前，國內(nèi)[3-4]和國外[5-6]對氯元素的研究主要集中于氯氣的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用、氯氣的教學(xué)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，而對于氯元素的發(fā)展史，特別是其蘊(yùn)含的教育價值的研究很少。因此，本文較為詳細(xì)地論述了氯元素的發(fā)展史，并深入挖掘其中的教育價值，不僅可以加深學(xué)生對化學(xué)元素的認(rèn)識，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 氯元素概念發(fā)展史

氯氣的發(fā)現(xiàn)——氯元素概念形成的前奏? 18世紀(jì)初，德國化學(xué)家施塔爾（G.E.Stahl，1660—1734）提出燃素說，促進(jìn)了人們對化學(xué)的研究，氫、氧、氮等化學(xué)元素相繼被發(fā)現(xiàn)[7]，但那時人們對元素的概念還模糊不清。1789年，現(xiàn)代化學(xué)之父安托萬-洛朗·德·拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743—1794）在《化學(xué)基礎(chǔ)論》中對元素的定義是：“所有還不能用任何方法分解的物質(zhì)都是元素，或者更確切地說，由于我們迄今尚未發(fā)現(xiàn)分離它們的手段，它們對于我們來說就相當(dāng)于簡單物質(zhì)。”[8]

1774年，瑞典科學(xué)家舍勒（C.W.Scheele，1742—1786）

在研究軟錳礦（主要成分MnO2）時，將軟錳礦投入盛有濃鹽酸的瓶中加熱，很快產(chǎn)生一種黃綠色的氣體，這種氣體具有很強(qiáng)的刺激性，與加熱王水的氣味相似[9]，吸入少量就會使人的肺部感到極度難受。著名科學(xué)家格魯柏、赫爾蒙德等人曾接觸過這種氣體，但都沒有收集和研究[10]96。舍勒意識到自己發(fā)現(xiàn)了一種新的氣體，隨即開展了一系列研究，驚奇地發(fā)現(xiàn)這種黃綠色氣體會使鮮艷的花朵黯然無色;微溶于水，形成的水溶液略顯酸性[11];支持燃燒，能腐蝕金屬容器[12];昆蟲遇到該氣體不能存活[2]。但遺憾的是，他并未深入分析這種氣體的本質(zhì)，由于篤信燃素說，他推測這種黃綠色氣體是鹽酸失去了當(dāng)時所謂的“燃素——?dú)洹鄙傻模蚨崖葰饷麨椤笆ト妓氐柠}酸”氣[13]。

從現(xiàn)代化學(xué)的角度來看，早期的許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)都要受到當(dāng)時的理論水平和實(shí)驗(yàn)方法的限制。在燃素說的桎梏中，舍勒未能對這種黃綠色氣體作出正確的解釋，科學(xué)家制取單質(zhì)固然非常困難，但確認(rèn)一種元素同樣不易。盡管把1774年看作新元素發(fā)現(xiàn)的年代，但對它真正的認(rèn)識又經(jīng)過了許多年。

氧化學(xué)說的建立——氯元素認(rèn)識的轉(zhuǎn)折? 同時期，拉瓦錫一直致力于定量研究，他認(rèn)為燃素說并不能解釋所有的燃燒現(xiàn)象，特別是在發(fā)現(xiàn)氧氣后，認(rèn)識到燃燒是物質(zhì)與氧氣之間的反應(yīng)，并在《燃燒概論》中系統(tǒng)陳述了燃燒的本質(zhì)，提出完備的氧化學(xué)說，標(biāo)志著長期統(tǒng)治化學(xué)界的燃素說的終結(jié)[14]，這也對科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。同時，他卻建立了另外一個錯誤理論，即氧是酸的必要組成部分，正如氧的詞源所暗示的那樣：“oxy-”本義即“酸”，詞根“gen”指“產(chǎn)生”，字面義“產(chǎn)生酸”。與氧化理論一致，鹽酸被認(rèn)為是氧和鹽酸基（Mu）所組成的氧化物，化學(xué)式為MuO。同時，他認(rèn)為氯氣應(yīng)該是鹽酸被氧化的產(chǎn)物，應(yīng)稱之為氧化鹽酸（oxymuriatic acid），用MuO2表示（后文中氧化鹽酸都指Cl2）。由此可見，對于氯氣本質(zhì)的認(rèn)識，人們在錯誤的道路上走得更遠(yuǎn)了。

1785年，法國化學(xué)家貝托雷（C.L.Berthollet，1748—

1822）也熱衷于研究氯氣。他將純凈的氯氣通入盛有水的密封容器中[15]，發(fā)現(xiàn)水面上方的氣體減少了，推測這是部分氯氣溶于水的緣故。此外，他將該水溶液放在陽光下，卻產(chǎn)生了鹽酸和氧氣[16]。他當(dāng)時沒有意識到這是氯氣與水發(fā)生了如下反應(yīng)：

他以為氧來自氯氣而不是水，便錯誤地認(rèn)為氯氣本身能夠分解，分解的式子表示為：氯=鹽酸+氧。這使得他更加確信了拉瓦錫的觀點(diǎn)。按照他的說法：“氧化鹽酸是由氧和鹽酸化合而成，但是它們之間結(jié)合得不是很牢固，遇到光就立刻分解。”[17]但在當(dāng)時人們運(yùn)用很多種方法都未能將氯氣分解。以現(xiàn)代觀點(diǎn)分析，貝托雷錯誤判斷的主要原因在于對事物的分析過于片面，沒有考慮到水對氯氣的影響[18]，根本原因是他潛意識中認(rèn)為酸中含有氧，因此很難跳出思維的束縛。

1809年，法國著名化學(xué)家蓋·呂薩克（J.L.Gay-Lussac，1778—1850）和泰納（L.J.Thenard，1777—1857）試圖從氯氣中分離出氧。他們將碳粉在高溫下燒至紅熱，然后通入氯氣，期待產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，這樣既分離出氧，又得到鹽酸基[19]。然而，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了好幾個月，無論怎么改變實(shí)驗(yàn)條件，兩種物質(zhì)都不發(fā)生反應(yīng)。但是，將氯氣通入盛有氫氣的玻璃管中，只要稍微加熱，就能產(chǎn)生氯化氫，卻沒有生成水，這表明氯氣不含有氧。由于兩位科學(xué)家對“酸中必含有氧”的理論深信不疑，以致并沒有根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行深入思考和分析，而是繼續(xù)把氯氣看成一種化合物[20]。他們雖然徘徊于真理的邊緣，但因?yàn)椴荒軘[脫當(dāng)時的理論框架，非常遺憾地錯過了發(fā)現(xiàn)氯氣的機(jī)會。

打破思維定式——氯元素概念的確立? 氯元素概念的確立最終還要?dú)w功于英國化學(xué)家戴維（H.Davy，1778—1829）。1810年，戴維推測如果氯氣比鹽酸含有更多的氧，那么它應(yīng)該比鹽酸具有更強(qiáng)的酸特性，但事實(shí)恰恰相反。氰化氫和硫化氫雖然不含氧，但具有弱酸性，這與拉瓦錫提出的“一切酸中都含有氧”相矛盾[21]，于是戴維猜想是否存在無氧酸呢？他開始研究氯氣，按照拉瓦錫的觀點(diǎn)，氯氣比鹽酸含有更多的氧，從而也更容易將氧分離出來。他將金屬鉀和氯氣混合反應(yīng)，得到鹽類物質(zhì)（KCl），沒有發(fā)現(xiàn)氧化物。他繼續(xù)嘗試，用伏打電池堆使電流通過氯氣連續(xù)放電幾小時，引起強(qiáng)烈的爆炸，始終沒有發(fā)現(xiàn)該氣體分解的跡象，更不用說分解出氧[22]。他又用電流將木炭燒至白熱，希望木炭在氯氣中燃燒，結(jié)果根本不發(fā)生反應(yīng)。即使先把木炭放在真空中強(qiáng)熱，除去所有揮發(fā)性物質(zhì)，再將其置于干燥的氯氣中，也是一樣。多次實(shí)驗(yàn)的失敗，使戴維認(rèn)識到這種氣體的行為更容易假設(shè)它是一種化學(xué)元素，還建議將其名稱改為Chlorine（氯），來自希臘文chloros[10]98，

是根據(jù)氣體的顏色來命名的。我國起初把它譯為綠氣，隨著化學(xué)的發(fā)展又改為氯。1811年11月，戴維將該論述整理成論文并發(fā)表，正式提出氯是一種元素。

馬克思曾說過：在科學(xué)上，沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達(dá)到光輝的頂點(diǎn)。戴維就是這樣的人，他在研究氯氣的過程中曾多次遭遇失敗和他人的質(zhì)疑，但始終沒有放棄，最終證明氯為一種元素。在許多化學(xué)文獻(xiàn)中都談及戴維是第一個證明氯氣本質(zhì)的人，然而這些資料通常省略了對理解戴維工作的歷史意義至關(guān)重要的兩點(diǎn)：

1）當(dāng)時與建立任何物質(zhì)作為元素有關(guān)的概念和實(shí)驗(yàn)困難;

2）氯作為元素的建立對當(dāng)代化學(xué)理論的影響[23]。

戴維的成功不僅僅在于確立了氯元素的概念，更重要的是出色地修正了拉瓦錫的含氧酸理論和燃燒的氧化學(xué)說，這為后來酸的氫理論和更廣泛的氧化概念的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 氯元素概念發(fā)展史的教育價值

英國哲學(xué)家弗·培根曾說過：“學(xué)習(xí)歷史可以使人明智。”氯元素概念發(fā)展史飽含數(shù)位科學(xué)家的心血，展示了科學(xué)家在研究中的科學(xué)方法和科學(xué)精神。教師在實(shí)際教學(xué)中適當(dāng)?shù)爻尸F(xiàn)氯元素的產(chǎn)生發(fā)展過程，對于學(xué)生體會其中的科學(xué)思想和科學(xué)精神具有重要意義。

激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣? “興趣是最好的老師。”如果單一的教學(xué)方式不能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就無法達(dá)到啟迪智慧的目的。氯氣似乎是舍勒偶然發(fā)現(xiàn)的，但偶然中往往潛藏著必然性，這種必然性體現(xiàn)在：

1）舍勒從小就癡迷于化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對化學(xué)有著濃厚的興趣，這使得他具有善于捕捉微小變化和新事物的能力;

2）舍勒多年從事化學(xué)研究，這使得他具有豐富的學(xué)識和明銳的洞察力，從而成為首個發(fā)現(xiàn)氯氣的人。

因此，在氯氣知識教學(xué)中，教師可以采取循循善誘的方式使學(xué)生明白學(xué)習(xí)化學(xué)必須有敏銳的觀察力、勤于思考的習(xí)慣和對事物的好奇心。通過舍勒制備氯氣的過程，讓學(xué)生了解知識產(chǎn)生的曲折歷程，課本中的知識不再單調(diào)無味，而是充滿趣味性，從而激發(fā)學(xué)生探究知識的欲望和學(xué)習(xí)的積極性。

培養(yǎng)學(xué)生的探究意識? 高中階段的化學(xué)課程處在一個關(guān)鍵的位置，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)提升的飛躍期。在這一階段的學(xué)習(xí)中，對學(xué)生的要求不單單停留在知識層面，更多的是提高學(xué)生的能力，發(fā)展學(xué)生的素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識。在教學(xué)中，教師可以通過創(chuàng)設(shè)問題情境引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生帶著問題探究，去體驗(yàn)和感受知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程，從而使知識的傳授達(dá)到“潤物細(xì)無聲”的效果，同時有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和探索精神[24]。如在探究氯氣的性質(zhì)時，教師提出問題：氯氣為什么能使鮮艷的花朵黯然無色？激發(fā)學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)：

1）將干燥的氯氣通入盛有紫色紙花的瓶中;

2）將干燥的氯氣通入盛有紫色鮮花的瓶中。

通過兩個實(shí)驗(yàn)的對比，學(xué)生直觀地感受到使花朵褪色的不是氯氣而是次氯酸。將氯元素發(fā)展史融入課堂教學(xué)，對教師豐富教學(xué)方式開辟新途徑，對培養(yǎng)學(xué)生的探究意識具有重要的價值。

培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維? 培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維是化學(xué)新課程的一個重要內(nèi)容。在氯元素發(fā)展史上，面對數(shù)個實(shí)驗(yàn)事實(shí)，舍勒忠實(shí)于燃素說，貝托雷堅(jiān)持維護(hù)氧化學(xué)說，蓋·呂薩克和泰納篤信氧化學(xué)說，由于迷信科學(xué)權(quán)威，使他們無法揭開氯元素的面紗。而戴維則總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鰹榛A(chǔ)，以大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，用批判的眼光進(jìn)行審查，不盲目從眾，敢于向已有的理論挑戰(zhàn)，勇于批判創(chuàng)新，獲得最終的成功[25]。由此可見，批判性思維對一個人的發(fā)展是至關(guān)重要的。在教學(xué)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生體會戴維的批判性精神，使學(xué)生善于思考，善于創(chuàng)新。同時，批判性思維的養(yǎng)成有利于促進(jìn)學(xué)生對知識的吸收和轉(zhuǎn)化，有利于學(xué)生形成求真務(wù)實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度，可以使學(xué)生感受到化學(xué)學(xué)科的魅力和發(fā)展性，加深對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識[26]。

3 結(jié)語

任何基本概念和原理的形成一開始都不是完美無缺的，都要經(jīng)歷一個不斷修正、完善和發(fā)展的過程[27]。氯元素概念的形成經(jīng)過了由發(fā)現(xiàn)到認(rèn)識、由錯誤認(rèn)識到正確認(rèn)識的曲折歷程。從舍勒制備出氯氣，到拉瓦錫將氯氣視為氧的化合物，再到戴維最終確定氯為一種化學(xué)元素，氯元素概念的確立凝聚了數(shù)位科學(xué)家的智慧。在教學(xué)中，教師恰當(dāng)?shù)匾胍恍┗瘜W(xué)元素產(chǎn)生發(fā)展的故事，加深學(xué)生對知識完整性的理解，學(xué)習(xí)科學(xué)家的研究方法和科學(xué)精神，能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的主動性，有利于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。■

參考文獻(xiàn)

[1]周公度，葉憲曾，吳念祖.化學(xué)元素綜論[M].北京：科學(xué)出版社，2012：63.

[2]Finlayson-Pitts B J. Chlorine chronicles[J].Na-ture chemistry，2013，5（8）：724.

[3]朱瓊芬.基于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)活動設(shè)計(jì)研究：以“氯的單質(zhì)及化合物”單元教學(xué)為例[J].化學(xué)教育（中英文），2021，42（1）：61-65.

[4]鄒靈，劉曉玲，盛壽日.基于化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)：重走氯氣發(fā)現(xiàn)之路[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（10）：39-40.

[5]Wisniak J. The history of chlorine-From discovery to commodity[J].Indian Journal of Chemical Techno-logy，2002，9（5）：450-463.

[6]Olsen K. Clear waters and a green gas： a history

of chlorine as a swimming pool sanitizer in the United

States[J].Bull. Hist. Chem，2007，32（2）：129.

[7]盛文林.人類在化學(xué)上的發(fā)現(xiàn)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2011：31.

[8]拉瓦錫.化學(xué)基礎(chǔ)論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008：

5.

[9]沙國平，張連英.化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)及其命名探源[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996：14.

[10]特立豐諾夫.學(xué)元素發(fā)明簡史[M].崔浣華，鄭同，譯.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986：96.

[11]袁莉，白蒲嬰，郭效軍.化學(xué)史簡明手冊[M].蘭州：甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，2006：279.

[12]Baldwin R T. History of the chlorine industry

[J].Journal of Chemical Education，1927，4（3）：313.

[13]徐德海，李紹山.化學(xué)元素知識簡明手冊[M].2版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：49.

[14]凌永樂.化學(xué)元素的發(fā)現(xiàn)[M].3版.北京：商務(wù)印書館，

2009：84.

[15]馮涌.近代化學(xué)史風(fēng)云人物榜[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2008：2.

[16]趙匡華.化學(xué)通史[M].北京：高等教育出版社，1990：

105.

[17]張德生.化學(xué)史簡明教程[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009：108.

[18]劉宗寅，呂志清.化學(xué)發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)：化學(xué)探索中的智慧聚合[M].北京：中國海洋大學(xué)出版社，2003：322.

[19]Porter G. Chlorine： an introduction[J].Pure and applied chemistry，1996，68（9）：1683-1687.

[20]柏廷頓.化學(xué)簡史[M].胡作玄，譯.北京：中國人民大學(xué)出版社.2010：151.

[21]楊天林.化學(xué)的故事[M].北京：科學(xué)出版社，2018：95.

[22]趙匡華.107種元素的發(fā)現(xiàn)[M].北京：北京出版社，

1983：61.

[23]Siegfried R. Humphry Davy and the elementary na-

ture of chlorine[J].Journal of Chemical Education，

1959，36（11）：568.

[24]劉東霞.化學(xué)史教育與科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)[D].西安：陜西師范大學(xué)，2014.

[25]張文根.科學(xué)批判的結(jié)晶：氯元素的發(fā)現(xiàn)[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（2）：51-53.

[26]相佃國.中學(xué)化學(xué)教學(xué)中批判性思維研究[J].化學(xué)教育，2005（7）：32-33，36.

[27]何法信.走出混沌：近代化學(xué)的歷程[M].長沙：湖南教育出版社，1998：43.