計(jì)算化學(xué)在基礎(chǔ)教育的創(chuàng)新應(yīng)用

萇青　劉健

摘要：采用實(shí)驗(yàn)探究和計(jì)算模擬相結(jié)合的教學(xué)模式，將“一種金屬與多種鹽溶液反應(yīng)”或“多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)”的體系模型化，淺顯直觀地展示了該過程中各種反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，只是由于活動(dòng)性差異、離子擴(kuò)散和原電池效應(yīng)的共同作用產(chǎn)生了“優(yōu)先性”的效果。模型真實(shí)地再現(xiàn)了微粒間相互作用的動(dòng)態(tài)過程及體系的動(dòng)態(tài)平衡，直接觀察到充分反應(yīng)后固體和溶質(zhì)的微粒種類，生動(dòng)形象地呈現(xiàn)了析出固體枝狀結(jié)構(gòu)的形成過程。

關(guān)鍵詞：金屬活動(dòng)性;置換反應(yīng);計(jì)算模擬;初中化學(xué)

文章編號：1005-6629（2021）04-0093-05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在金屬活動(dòng)性順序的應(yīng)用中，金屬與金屬鹽溶液的置換反應(yīng)是初中化學(xué)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。對于簡單的一種金屬與一種金屬鹽溶液的反應(yīng)體系，通過宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如“將鋅片置于硫酸銅溶液中觀察到有紅色固體析出”，可得出活動(dòng)性Zn>Cu。近年上海市初中考試中，關(guān)于“金屬與鹽溶液置換反應(yīng)”會(huì)涉及到較復(fù)雜的兩種題型：一種金屬與多種鹽溶液反應(yīng)，或者多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)，見表1。

這兩類題型涉及的實(shí)際反應(yīng)過程過于復(fù)雜，通常解決此類問題的方法為基于文字描述的簡單邏輯推理，如“金屬與鹽溶液反應(yīng)時(shí)，最活潑的金屬優(yōu)先與最不活潑的金屬鹽溶液進(jìn)行反應(yīng)，且該反應(yīng)一定發(fā)生，生成物一定存在”。通過實(shí)際的教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然掌握了這些解題方法和技巧，但對此類化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的理解還是模糊的。這些簡化的分析方法也跟學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中觀察到的宏觀現(xiàn)象不完全一致。這是因?yàn)椋m然描述為“活動(dòng)性A>B>C，所以A優(yōu)先于B和C⁺發(fā)生反應(yīng)，或A優(yōu)先和C⁺而非B⁺反應(yīng)”。但真實(shí)的情況是，所有反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，只是由于活動(dòng)性差異（反應(yīng)速率的快慢）、金屬的量不同或電子的移動(dòng)（原電池效應(yīng)）的共同作用產(chǎn)生了“優(yōu)先性”的效果。為了促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的深入理解，更直觀地獲得關(guān)于化學(xué)反應(yīng)宏觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)，我們利用計(jì)算化學(xué)將“金屬與鹽溶液”的反應(yīng)過程模型化，并同實(shí)驗(yàn)室中的宏觀現(xiàn)象作比較，真實(shí)地再現(xiàn)了微粒間相互作用的動(dòng)態(tài)過程。

計(jì)算化學(xué)是最近迅猛發(fā)展的前沿技術(shù)學(xué)科，已成為除實(shí)驗(yàn)和理論之外的第三大支柱。計(jì)算化學(xué)模擬不同于現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的將計(jì)算機(jī)作為展示結(jié)構(gòu)的工具，是指在計(jì)算機(jī)上搭建真實(shí)世界中的分子模型并進(jìn)行特定的計(jì)算和演化，類似于在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造一個(gè)簡化的真實(shí)世界。通過計(jì)算模擬將體系模型化，從微觀和動(dòng)態(tài)層面展現(xiàn)固體和溶液中微粒的排列方式和運(yùn)動(dòng)行為。我們將計(jì)算化學(xué)的模擬技術(shù)引入到初中化學(xué)課堂進(jìn)行拓展性教學(xué)，設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)從實(shí)驗(yàn)探究到計(jì)算模擬。這種教學(xué)模式以宏觀反應(yīng)現(xiàn)象指向微觀粒子運(yùn)動(dòng)，又通過微觀粒子運(yùn)動(dòng)加深對宏觀反應(yīng)規(guī)律的理解，不過多涉及分子結(jié)構(gòu)但又從微觀層面體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是原子的重新組合，充分認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，深刻理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。同時(shí)通過動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程的呈現(xiàn)，使學(xué)生感受到化學(xué)體系一直處在動(dòng)態(tài)平衡中，建立變化與平衡的思想。

2020年新冠疫情期間，全國各地中學(xué)校均延緩了學(xué)生返校，“停課不停學(xué)”以線上的方式開展教學(xué)。然而學(xué)生在家中無法進(jìn)行往常只有在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室中才能完成的實(shí)驗(yàn)操作，難以對書本中一些抽象的化學(xué)概念和思維加以形象化的理解。本文提到的計(jì)算化學(xué)模擬技術(shù)，相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，以其方便、安全、易操作的特性可以作為線上教學(xué)的補(bǔ)充。

1研究內(nèi)容

我們將編寫的一個(gè)計(jì)算模擬程序用于“金屬與鹽溶液”的拓展教學(xué)部分。程序中構(gòu)建了一個(gè)溶液空間并放置一定數(shù)目的不同種類的金屬固體和金屬離子。根據(jù)微觀的物理化學(xué)特性和計(jì)算模擬的原理，設(shè)定不同微粒的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化方式，使各個(gè)離子可以做隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)，并在離子接觸到金屬固體之后根據(jù)活動(dòng)性順序發(fā)生置換反應(yīng)。程序可以設(shè)定金屬和金屬離子種類（活動(dòng)性差異）、數(shù)量（少量或過量）、反應(yīng)時(shí)間等，運(yùn)行后就在模擬設(shè)定的算法中進(jìn)行，重現(xiàn)真實(shí)的微觀動(dòng)力學(xué)規(guī)律，自動(dòng)得到符合真實(shí)世界物理和化學(xué)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。因此可以按順序進(jìn)行拓展研究，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到“一種金屬與多種鹽溶液”或者“多種金屬與一種鹽溶液”的真實(shí)化學(xué)反應(yīng)并沒有先后順序，其宏觀現(xiàn)象是由微觀粒子的運(yùn)動(dòng)所疊加而形成的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。

下面是對比較典型的三類置換反應(yīng)所進(jìn)行的計(jì)算化學(xué)拓展教學(xué)的案例，采用的教學(xué)形式為：實(shí)驗(yàn)探究→計(jì)算模擬→歸納總結(jié)。

1.1案例1：一種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

首先，在實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)環(huán)節(jié)中以趣味實(shí)驗(yàn)的形式讓學(xué)生制作“美麗的銅樹”。實(shí)驗(yàn)過程為將鋅片置于濾紙上，再往濾紙上逐滴滴加硫酸銅，可以觀察到鋅片周圍有紅色固體析出，以枝狀結(jié)構(gòu)生長為美麗的“銅樹”，見圖1。進(jìn)一步提出問題：“銅樹”的生長原理是什么？為什么析出的固體是枝狀結(jié)構(gòu)？

在本文涉及的計(jì)算化學(xué)模擬中，將溶液體系模型化，如圖2所示。方形邊框代表反應(yīng)容器，圖中方塊“口”和“■”代表金屬，圓圈“○”和“●”代表自由移動(dòng)的金屬離子，不同顏色代表不同的金屬元素，略去了不參與反應(yīng)的酸根離子。在這里基于此模型達(dá)到了對離子概念的簡化，不涉及離子的具體形成而展示了微粒問的反應(yīng)。這是計(jì)算模擬所實(shí)現(xiàn)的一個(gè)非常巧妙的過渡，符合初中學(xué)生的認(rèn)知水平。

啟動(dòng)程序，開始時(shí)塊狀的金屬鋅口放置在容器中間，并在周圍隨機(jī)放置若干個(gè)銅離子●，見圖2a。運(yùn)行程序，銅離子不停地在溶液中作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。當(dāng)銅離子接觸到鋅時(shí)，鋅原子轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂梢苿?dòng)的鋅離子形態(tài)，銅離子轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)銅并停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)銅離子間接碰到的是金屬銅原子時(shí)，會(huì)由于金屬中電子的自由移動(dòng)（即“原電池效應(yīng)”），一個(gè)金屬鋅原子也會(huì)變?yōu)樽杂梢苿?dòng)的鋅離子形態(tài)，銅離子轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)銅并停止運(yùn)動(dòng)。

本程序考察了銅離子數(shù)量不同，即活潑金屬鋅相對銅離子少量、適量、過量的不同情形：

（1）當(dāng)鋅少量時(shí)，一部分銅離子被置換出來。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中只有銅，濾液中有鋅離子和銅離子（圖2a～d）。通過動(dòng)態(tài)的反應(yīng)過程直觀地呈現(xiàn)了圖1b中宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“銅樹”的形成原因。

（2）當(dāng)鋅適量時(shí)，鋅恰好將溶液中的銅離子完全置換出來。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中只有銅，濾液中只有鋅離子（圖2e～h）。

（3）當(dāng)鋅過量時(shí)，銅離子完全被置換出來。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中是鋅和銅的混合物，濾液中只有鋅離子（圖2i～1）。

1.2案例2：一種金屬與多種鹽溶液反應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)環(huán)節(jié)中，以趣味實(shí)驗(yàn)的形式學(xué)生先做了鋅與硝酸銅、硝酸銀混合溶液在濾紙上的反應(yīng)，能觀察到紅色固體和銀白色固體同時(shí)析出，見圖3。然后提出問題：鋅與硝酸銅和硝酸銀的反應(yīng)原理是怎樣的？涉及到的反應(yīng)是如何進(jìn)行的？

實(shí)驗(yàn)中紅色固體和銀白色固體的同時(shí)析出表明各種反應(yīng)都是同時(shí)進(jìn)行的，通過我們模型化的體系可以直接觀察到反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程和反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的微粒運(yùn)動(dòng)結(jié)果，深入理解金屬與鹽溶液的反應(yīng)機(jī)理，見圖4。

設(shè)置溶液是銅離子●和銀離子●的混合溶液，加入固體鋅口，見圖4a。運(yùn)行程序，動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程中可觀察到鋅是同時(shí)和銅離子、銀離子反應(yīng)的，由于活動(dòng)性差異（反應(yīng)速率的快慢）、金屬的量不同以及電子的移動(dòng)（原電池效應(yīng)）的共同作用，最終濾渣和濾液中的微粒種類和數(shù)量不同：

（1）當(dāng)鋅少量時(shí)，鋅同時(shí)和銅離子、銀離子反應(yīng)（圖4a～d），但鋅置換銀離子的反應(yīng)速率比鋅置換銅離子的反應(yīng)速率快（圖4b），且被鋅置換出來的金屬銅在接觸到自由移動(dòng)的銀離子后繼續(xù)反應(yīng)，重新變成銅離子在溶液中作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)（圖4c）。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中只有銀，濾液中有鋅離子、銅離子（圖4d）。

（2）當(dāng)鋅的量介于置換出所有銀離子后還能置換一部分銅離子時(shí)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程可以觀察到銅和銀同時(shí)析出，但由于銅和銀離子不共存，會(huì)再次反應(yīng)，直至銀離子完全被置換，析出的銅才會(huì)穩(wěn)定存在。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中是金屬銅和銀的混合物，濾液中有鋅離子和銅離子（圖4e～h）。

（3）當(dāng)鋅過量，鋅同時(shí)和銅離子與銀離子反應(yīng)，在銀離子以較快的速率被完全置換后，析出的銅才會(huì)穩(wěn)定存在。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中是金屬鋅、銅、銀的固體混合物，濾液中只有鋅離子（圖4i～1）。

1.3案例3：多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)將鋅絲和鐵絲放在濾紙上，在鋅絲和鐵絲中間的位置逐滴滴加硫酸銅溶液（圖5a）。實(shí)驗(yàn)過程中，能明顯觀察到鋅絲和鐵絲周圍都有紅色固體析出，但鋅和硫酸銅的反應(yīng)速率要比鐵和硫酸銅的反應(yīng)速率快很多（圖5b）。然后提出問題：鋅和鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)原理是怎樣的？涉及到的反應(yīng)是如何進(jìn)行的？

實(shí)驗(yàn)中紅色固體同時(shí)析出的現(xiàn)象表明反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，只是速率不同。所涉及到的具體反應(yīng)可以通過模型化的體系來動(dòng)態(tài)展示。設(shè)置將鋅□和鐵▓同時(shí)放置到銅離子●的鹽溶液中：

（1）當(dāng)鋅和鐵的量都大于溶液中銅離子的量時(shí)，鋅和鐵同時(shí)與銅離子發(fā)生反應(yīng)（圖6b），但活動(dòng)性較強(qiáng)的鋅與銅離子的反應(yīng)速率較快，鐵與銅離子的反應(yīng)速率較慢（圖6c），基于此模型可以生動(dòng)地觀察這一動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程。同時(shí)從充分反應(yīng)后鐵原子的位置變動(dòng)也可以得出：即使較活潑的金屬鋅過量，鐵也同時(shí)與銅離子反應(yīng)，只是鐵離子由于與鋅不共存會(huì)重新析出。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中是固體鋅、鐵、銅的混合物，濾液中只有鋅離子（圖6d）。

（2）當(dāng)鋅和鐵的混合物中鋅的量恰好等于溶液中銅離子的量時(shí)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程同上。充分反應(yīng)后，鋅恰好被完全反應(yīng)，過濾，濾渣中是固體鐵和銅的混合物，濾液中只有鋅離子（圖6e～h）。

（3）當(dāng)鋅和鐵的總量與溶液中銅離子的量恰好相等時(shí)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程同上。由于鋅與銅離子的反應(yīng)速率較快，鋅優(yōu)先被完全反應(yīng)（圖6k），然后鐵繼續(xù)和銅離子反應(yīng)，此時(shí)鐵離子可以穩(wěn)定存在于溶液中。充分反應(yīng)后，鋅和鐵恰好被完全反應(yīng)，過濾，濾渣中只有固體銅，濾液中是鋅離子和鐵離子（圖6i～1）。

（4）若鋅和鐵的總量小于溶液中銅離子的量時(shí)，動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程同上。充分反應(yīng)后過濾，濾渣中只有固體銅，濾液中是鋅離子、鐵離子和銅離子（圖6m～p）。