基于證據(jù)推理的金屬化學(xué)性質(zhì)教學(xué)

莊曉松 王祖浩

摘要：在分析初中“金屬的化學(xué)性質(zhì)”的教材內(nèi)容和相關(guān)的教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對實際教學(xué)中存在的幾個問題，如根據(jù)金屬和氧氣反應(yīng)的狀況、金屬和某些酸反應(yīng)的速率來判斷金屬的活動性強弱;未立足證據(jù)基礎(chǔ)上論證金屬活動性的強弱等，提出讓學(xué)生在基于證據(jù)推理的基礎(chǔ)上求證金屬活動性的強弱，促進學(xué)生對金屬化學(xué)性質(zhì)的深度認識和理解，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的意識，提高學(xué)生的化學(xué)思維品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：金屬的化學(xué)性質(zhì); 證據(jù)推理; 教學(xué)設(shè)計; 金屬的活動性強弱

文章編號：1005-6629（2021）08-0047-05

中圖分類號：G633.8

文獻標(biāo)識碼：B

培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力，首先要求教師具有證據(jù)意識，教學(xué)過程中要始終圍繞證據(jù)推理這一素養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中逐步形成證據(jù)意識，養(yǎng)成識別、篩選證據(jù)，轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，應(yīng)用、評價證據(jù)的能力;基于證據(jù)對化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的一系列問題提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽，能把觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系建立起來，最終達到培養(yǎng)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究的實證方法和實事求是的科學(xué)態(tài)度。

1 教材內(nèi)容和相關(guān)教學(xué)狀況分析

國內(nèi)幾個版本的教材均把金屬單質(zhì)的知識安排在氧氣、碳等非金屬單質(zhì)及其化合物知識學(xué)習(xí)之后，而金屬的化學(xué)性質(zhì)是該單元的核心內(nèi)容[1～3]。實際教學(xué)中有幾個問題值得商榷并關(guān)注。

（1） 金屬的活潑性和金屬的活動性是否屬于同一個概念？金屬元素的金屬性也可以稱為金屬元素的活潑性。金屬性通常是金屬原子在化學(xué)反應(yīng)中失去電子成為陽離子的傾向。金屬性的強弱通常用金屬元素的電離能（基態(tài)的氣態(tài)原子失去電子成為氣態(tài)陽離子時所需的能量）大小來衡量[4]。金屬的活動性是金屬單質(zhì)在水溶液里失去電子形成水合離子傾向的大小，反映金屬在水溶液里發(fā)生氧化反應(yīng)的難易，可以用金屬的標(biāo)準電極電勢來衡量。金屬的標(biāo)準電極電勢除了與金屬原子的電離能有關(guān)外，還與金屬的升華能（固態(tài)單質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)原子時所需的能量）、水合能（金屬陽離子與水化合時所放出的能量）等多種因素有關(guān)[5]。金屬性強的元素，一般來說它的活動性也大，但是也有不一致的情況。例如，

鋰的第一電離能為520KJ/mol，鈉的第一電離能為496KJ/mol，因此鈉的金屬性要比鋰的金屬性強。但是，依據(jù)標(biāo)準電極電勢EθLi+/Li=-3.045V、 EθNa+/Na=-2.714V，推斷出鋰的金屬活動性要強于鈉。這是因為，鋰在水溶液中形成水合離子的過程中涉及的升化熱、電離能、水合熱分別為161KJ/mol、 520KJ/mol、 -506KJ/mol，形成水合離子總的能量為175KJ/mol。而鈉在水溶液中形成水合離子的過程中涉及的升化熱、電離能、水合熱分別為108KJ/mol、 496KJ/mol、 -397KJ/mol，形成水合離子總的能量為207KJ/mol。顯然，鋰形成水合離子的傾向性要強于鈉，鋰比鈉在水溶液里更易離子化[6]。

也就是說，不僅金屬性和金屬的活動性兩者的概念有區(qū)別，而且金屬在氣態(tài)和在水溶液中所表現(xiàn)的活潑性順序也是有區(qū)別的。而初中化學(xué)教材中金屬單質(zhì)和氧氣反應(yīng)所表現(xiàn)出的金屬活動性除了與金屬的金屬性（電離能）有關(guān)外，還與金屬的升華能以及生成的氧化物晶格能有關(guān)。由此可見，金屬單質(zhì)和氧氣反應(yīng)表現(xiàn)出的金屬活動性與金屬和酸或者和鹽溶液反應(yīng)表現(xiàn)出的金屬活動性是兩個不同的概念，在對金屬化學(xué)性質(zhì)進行描述和總結(jié)的時候不應(yīng)該相互替代或混用。

（2） 能否依據(jù)金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度來證明金屬的活動性？其實，這涉及到化學(xué)動力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)的問題，化學(xué)動力學(xué)研究的是化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機理，而化學(xué)熱力學(xué)是從熱力學(xué)函數(shù)去計算并以此對化學(xué)反應(yīng)的方向作出判斷。金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度屬于反應(yīng)動力學(xué)，金屬能否和酸反應(yīng)屬于化學(xué)熱力學(xué)問題，二者研究的對象和適用的原理都不一樣。我們只能根據(jù)金屬能否與酸反應(yīng)來判斷金屬的活動性，而不能依據(jù)金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度來判斷金屬的活動性。我們培養(yǎng)學(xué)生的是證據(jù)推理能力，是基于證據(jù)講話的實事求是的科學(xué)態(tài)度;同樣，尋找證據(jù)的時候不能用錯原理或找錯證據(jù)。

（3） 教學(xué)過程中實驗的目的是什么？教師通常的做法是設(shè)置教學(xué)情境，引出實驗，設(shè)計金屬分別和氧氣、酸及鹽溶液反應(yīng)三組實驗。實驗是尋找證據(jù)得出結(jié)論的一個非常有效的途徑和資源，但在實際教學(xué)中各實驗之間并沒有串聯(lián)起來形成一個有效的證據(jù)鏈證明金屬的活動性強弱。如一般的教學(xué)過程是通過實驗觀察到鐵與氧氣劇烈地反應(yīng)，所以認為鐵比銅活潑;通過實驗觀察到鐵在酸中反應(yīng)不如鎂、鋁、鋅劇烈，所以得出鐵的活動性不如鎂、鋁、鋅強的結(jié)論。這些看似是基于證據(jù)的教學(xué)，實質(zhì)是浮于淺表、缺乏證據(jù)意識。

2 基于證據(jù)推理的金屬化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)

以人教版教材“金屬的化學(xué)性質(zhì)”為例，根據(jù)課程標(biāo)準（2011年版）中的要求，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)為[7]：

（1） 通過小組合作等方式實驗探究金屬與稀鹽酸、稀硫酸以及與化合物溶液的置換反應(yīng)，認識金屬的化學(xué)性質(zhì)和金屬的活動性順序，并且在用金屬活動性順序解釋一些與日常生活有關(guān)的化學(xué)問題中提升能力。

（2） 通過對比、歸納、整理等活動，逐步體會學(xué)習(xí)元素化合物知識的一般方法，認識金屬的相似點與區(qū)別，為今后學(xué)習(xí)酸、堿、鹽知識打下良好的基礎(chǔ)。

本節(jié)課圍繞金屬的化學(xué)性質(zhì)，將整個學(xué)習(xí)過程分為3個環(huán)節(jié)：金屬化學(xué)性質(zhì)的初步建立、金屬化學(xué)性質(zhì)的再認識和金屬化學(xué)性質(zhì)的初步運用。本節(jié)課按照圖1教學(xué)流程展開[8，9]。學(xué)生可以根據(jù)對已學(xué)金屬化學(xué)性質(zhì)知識的回憶，讓學(xué)生概括出金屬可能具有的化學(xué)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，師生通過實驗探究并結(jié)合有關(guān)資料形成一個對金屬活動性強弱判斷的證據(jù)鏈，引導(dǎo)學(xué)生對金屬化學(xué)性質(zhì)的深層次理解。隨著學(xué)生對金屬化學(xué)性質(zhì)了解的不斷深入，讓學(xué)生逐漸形成基于證據(jù)推理的客觀認識。

2.1 金屬化學(xué)性質(zhì)的初步建立

基于學(xué)生在第二單元學(xué)過鐵和氧氣的反應(yīng)，在第五單元學(xué)過鎂和氧氣的反應(yīng)、鐵和硫酸銅的反應(yīng)，在第七單元學(xué)過鎂與鹽酸及鋅與稀硫酸等的反應(yīng)，教師可以在學(xué)生對這些知識回憶的基礎(chǔ)上讓學(xué)生寫出上述反應(yīng)的化學(xué)方程式及對反應(yīng)現(xiàn)象的描述。通過對已學(xué)的有關(guān)金屬知識的復(fù)習(xí)，嘗試讓學(xué)生根據(jù)這些知識推測金屬可能具有哪些化學(xué)性質(zhì)。

其實，在課本緒言中學(xué)生就已經(jīng)知曉物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是通過化學(xué)變化表現(xiàn)出來的，從已學(xué)知識到總結(jié)得出金屬的化學(xué)性質(zhì)，缺少的只是歸納和整理。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下可以根據(jù)鐵、鎂和氧氣的反應(yīng)得出金屬具有和氧氣反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì);根據(jù)鐵和硫酸銅的反應(yīng)得出金屬能夠和某些化合物溶液反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì);根據(jù)鎂、鋅分別和稀鹽酸、稀硫酸的反應(yīng)得出金屬可以和酸反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)。學(xué)生完全可以通過對已學(xué)知識的回憶，運用歸納的方法初步建構(gòu)起某些金屬的化學(xué)性質(zhì)的一般概念，這也是在原有知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上水到渠成的。

另外，除了可以引導(dǎo)學(xué)生了解金屬可能具有的化學(xué)性質(zhì)外，還可以根據(jù)已學(xué)過的反應(yīng)的化學(xué)方程式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)一種新的基本反應(yīng)類型——置換反應(yīng)。在后續(xù)對常見金屬活動性強弱探究的過程中就可以把“置換”這一名詞使用上去，讓學(xué)生在描述實驗時能夠融入“置換”這一化學(xué)術(shù)語。一方面在實驗探究過程中可以加深學(xué)生對置換反應(yīng)的理解，另一方面使學(xué)生對實驗的描述顯得更專業(yè)。

2.2 金屬化學(xué)性質(zhì)的再認識

前面在第三單元已經(jīng)學(xué)過金屬元素的最外層電子數(shù)一般小于4，易失去電子，各種金屬之間的化學(xué)性質(zhì)具有一定的相似性。但是，各金屬原子的結(jié)構(gòu)并不相同，不同種金屬和某一物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)的難易程度也不一定相同，這表明各種金屬之間的化學(xué)性質(zhì)存在著一定的差異。那么，我們能否依據(jù)金屬的化學(xué)性質(zhì)找到合適的證據(jù)證明Mg、 Al、 Zn、 Fe、 Cu、 Ag、 Au等幾種常見金屬化學(xué)性質(zhì)的差異？帶著這個問題我們一起開啟對金屬化學(xué)性質(zhì)再認識的探究之旅。

2.2.1 認識金屬的活動性

金屬活動性主要指金屬單質(zhì)在水溶液里表現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)，金屬能否和一些溶液反應(yīng)，可以反映金屬的活動性。

問題1：能否根據(jù)我們所學(xué)金屬的化學(xué)性質(zhì)進一步探索Zn、 Fe、 Cu、 Ag四種常見金屬活動性的強弱？

課堂上，師生就上述問題展開討論，初步形成探索四種常見金屬活動性強弱的思路。

學(xué)生討論1：一部分學(xué)生認為金屬活潑性強的鎂能和稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)，而金屬活潑性弱的金卻不可以和酸發(fā)生反應(yīng)。因此，是不是可以利用金屬和酸的反應(yīng)來尋找證明金屬活動性強弱的證據(jù)。也有學(xué)生提出是不是可以利用金屬和化合物溶液的反應(yīng)來尋找證明金屬活動性強弱的證據(jù)。最后，學(xué)生形成一致的探索思路，先用金屬和酸的反應(yīng)尋求金屬活動性的強弱，在此基礎(chǔ)上再利用金屬和化合物溶液的反應(yīng)進一步求證金屬活動性的強弱。

演示實驗1：教師將一枚金戒指和一小粒銀分別浸入一定量的稀鹽酸中，觀察到金戒指和銀粒并沒有和稀鹽酸發(fā)生反應(yīng)。

小組實驗1：各小組將打磨過的鋅絲、鐵絲及銅絲分別置于盛有稀鹽酸和稀硫酸的試管中，觀察現(xiàn)象。各小組學(xué)生通過實驗探究發(fā)現(xiàn)金屬鋅、鐵均能和稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)并產(chǎn)生氣泡，而銅不能和酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡。

學(xué)生討論2：金屬鋅和鐵能夠和酸發(fā)生反應(yīng)，而銅、銀、金并不能和酸發(fā)生反應(yīng)，這說明金屬活動性強的金屬可以和酸發(fā)生反應(yīng)，而金屬活動性弱的金屬不能和酸發(fā)生反應(yīng)，因此可以推測銅與銀的金屬活動性要弱于鋅和鐵。由此可以判斷四種金屬活動性強弱的順序是Zn、 Fe>Cu、 Ag。

問題2：除了用酸和金屬能否發(fā)生反應(yīng)來證明金屬的活動性強弱外，我們能否找到證明金屬活動性強弱的其他方法呢？

學(xué)生討論3：學(xué)生認為通過金屬和酸的反應(yīng)探索后得出鐵的金屬活動性要強于銅的金屬活動性。因此推測，金屬活動性強的金屬能把金屬活動性弱的金屬從其溶液中置換出來。為進一步驗證此推測是否正確，學(xué)生設(shè)計了“把打磨過的鋁絲和鎂條分別放入硫酸銅溶液中”的實驗。

演示實驗2：打磨過的鋁絲與鎂條分別放入硫酸銅溶液中，發(fā)現(xiàn)鋁絲表面有紅色物質(zhì)生成，鎂條和硫酸銅反應(yīng)也有紅色物質(zhì)生成，而且反應(yīng)比較劇烈。因此，學(xué)生認為活潑金屬能把不活潑金屬從其化合物溶液中置換出來。

問題3：Cu和Ag都不能和酸反應(yīng)，它們的金屬活動性都不如Fe活潑，那么Cu和Ag哪個更活潑？我們能否找到證明Cu和Ag金屬活動性強弱的證據(jù)呢？

學(xué)生討論4：為尋求銅、銀的金屬活動性強弱的證據(jù)，大部分學(xué)生設(shè)計了用銅絲和銀的化合物反應(yīng)的實驗（有學(xué)生選氯化銀，有學(xué)生選硫酸銀，也有學(xué)生選硝酸銀），少部分學(xué)生設(shè)計了用銀和硫酸銅溶液反應(yīng)的實驗。

教師講解：教師指出氯化銀是不溶物，硫酸銀是微溶物，銀的化合物溶液一般為硝酸銀溶液，金屬一般要在化合物的溶液中進行反應(yīng)。因此，在實驗過程中選用硝酸銀溶液進行實驗。

演示實驗3：把銅絲伸入硝酸銀溶液中，學(xué)生觀察到銅絲表面覆蓋了一層銀白色的物質(zhì);把銀粒放入硫酸銅溶液中片刻后取出，發(fā)現(xiàn)銀的表面并沒有任何的變化。根據(jù)銅可以置換出硝酸銀溶液中的銀，推測銅的金屬活動性強于銀的金屬活動性。

問題4：我們又如何尋找證據(jù)可以證明鋅和鐵的金屬活動性強弱。

學(xué)生討論5：為尋求鋅和鐵的金屬活動性強弱的證據(jù)，部分學(xué)生設(shè)計了用鋅片和鐵的化合物溶液反應(yīng)的實驗（有學(xué)生選硫酸亞鐵，有學(xué)生選硫酸鐵，也有學(xué)生選氯化亞鐵……），還有部分學(xué)生設(shè)計了用鐵和硫酸鋅溶液反應(yīng)的實驗。

教師講解：教師指出在這里鐵的化合物溶液一般選用亞鐵溶液，如硫酸亞鐵溶液、氯化亞鐵溶液等，而不選用硫酸鐵溶液、氯化鐵溶液等。

小組實驗2：各小組將打磨過的鋅絲、鐵絲分別置于盛有硫酸亞鐵和硫酸鋅溶液的試管中，觀察現(xiàn)象。各小組學(xué)生通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，金屬鋅的表面有灰黑色物質(zhì)生成，而鐵的表面沒有任何變化。根據(jù)鋅可以置換出硫酸亞鐵溶液中的鐵，而鐵不能置換出硫酸鋅中的鋅，可以推測鋅的金屬活動性強于鐵的金屬活動性。

學(xué)生討論6：根據(jù)上述實驗以及討論的結(jié)果，四種金屬的活動性順序是Zn>Fe>Cu>Ag。

2.2.2 認識金屬活動性順序表

學(xué)生通過閱讀課本第12頁，進一步認識金屬的活動性順序，能夠利用金屬活動性順序表作出相應(yīng)的判斷。

[環(huán)節(jié)3]金屬活動性順序表的初步運用

情境：黃金飾品中的假貨常常魚目混珠，社會上有些不法分子常以黃銅冒充黃金。因為單純從顏色、外形上看，黃銅（銅鋅合金）與黃金極為相似，很難區(qū)分。請你設(shè)計方案鑒別真假黃金，要求寫出實驗方法、現(xiàn)象和結(jié)論。

學(xué)生討論1：學(xué)生從能否和酸發(fā)生反應(yīng)、能否和另一不活潑金屬的化合物溶液反應(yīng)等方面展開討論，最后達成共識，判斷黃金的真假可以從上述兩個方面入手進行鑒別。

教師追問1：你依據(jù)什么現(xiàn)象可以判斷黃金真假？

學(xué)生討論2：學(xué)生思考并討論交流得出，如果放入稀鹽酸或稀硫酸中，能產(chǎn)生氣泡的是假黃金，沒有現(xiàn)象的是真黃金;放入硝酸銀溶液中，固體表面有銀白色固體生成的是假黃金，沒有變化的是真黃金。

教師追問2：以上方法你的依據(jù)是什么？

學(xué)生討論3：學(xué)生思考后可得出，依據(jù)是鋅能和稀鹽酸或稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，而金不會和酸發(fā)生反應(yīng);銅、鋅的活動性比銀強，能和硝酸銀溶液反應(yīng)，而銀的金屬活動性要強于金，金不能和硝酸銀溶液反應(yīng)。

師生總結(jié)：判斷金屬的活動性強弱可依據(jù)能否和稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)以及能否將另一種金屬從其化合物溶液中置換出來。

3 教學(xué)反思

本節(jié)課基于已學(xué)過的部分金屬知識的基礎(chǔ)，讓學(xué)生根據(jù)金屬的一些化學(xué)反應(yīng)歸納出金屬可能具有的化學(xué)性質(zhì)，及根據(jù)有關(guān)金屬的反應(yīng)的化學(xué)方程式歸納、比較得出置換反應(yīng)的判斷方法。學(xué)生依據(jù)金屬的化學(xué)性質(zhì)，通過實驗探究，對金屬化學(xué)反應(yīng)的歸納、分析、比較，尋求可以證明常見金屬活動性強弱的證據(jù)。學(xué)生在尋求證據(jù)的同時促進了對金屬化學(xué)性質(zhì)的深層次的理解，培育了學(xué)生的證據(jù)意識及基于證據(jù)的推理能力，在潛移默化中促進了學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)方法的理解和發(fā)展，為學(xué)生后續(xù)的化學(xué)學(xué)習(xí)做好鋪墊。通過觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中存在以下困難：（1）鋁和稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式書寫，主要表現(xiàn)在對鋁的化合物化學(xué)式的書寫及方程式的配平;（2）鐵和稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)時，學(xué)生總認為生成物中鐵的化合價為+3價;（3）證明幾種金屬活動性強弱證據(jù)的尋求和收集;（4）對金屬活動性順序表的運用等。后續(xù)教學(xué)證明，學(xué)生在金屬化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)過程中，能自覺運用金屬活動性知識從獲得證據(jù)角度分析和理解上述難點，從而達到對金屬化學(xué)性質(zhì)更深刻、更全面的認識。

參考文獻：

[1]化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心. 九年級化學(xué)（下）[M]. 北京：人民教育出版社，2012：92～95.

[2]北京教育科學(xué)研究院. 九年級化學(xué)（下）[M]. 北京：北京出版社，2013：29～32.

[3]江琳才，錢揚義，李開祥. 九年級化學(xué)（下）[M]. 北京：科學(xué)出版社，廣州：廣東教育出版社，2017：170～174.

[4]武漢大學(xué)，吉林大學(xué)等校編. 無機化學(xué)（第三版）（上）[M]. 北京：高等教育出版社，2017：108～110.

[5]金嗣安. 金屬的活潑性與活動性[J]. 安徽教育，1982，（1）：46.

[6]丁長征. 金屬性、金屬活動性、金屬還原性、金屬導(dǎo)電性之淺析[J]. 揚州師范學(xué)報，1982，（12）：22～24.

[7]中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準（2011年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[8]趙海云. 基于物質(zhì)分類觀念下的物質(zhì)性質(zhì)教學(xué)——以《金屬的化學(xué)性質(zhì)（第一課時）為例》[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2017，（1）：27～29.

[9]朱永侃，于忠榮. “探究前置 教材后移”教學(xué)實踐研究——以“金屬的化學(xué)性質(zhì)”教學(xué)為例[J]. 化學(xué)教學(xué)，2014，（4）：30～32.