金屬和鹽溶液反應后成分判定的量化模型教學法

岳敏

摘要： 提出一種金屬與鹽溶液反應后濾液濾渣成分判定的量化模型，通過直觀的圖示模型演示不同量金屬和鹽溶液的反應，過程完整，邏輯清晰，生成物一目了然。通過教學實踐，學生在該知識點的單元練習正確率明顯提升，驗證了該模型能加深學生對知識點的理解。該方法易學易用，有效培養了學生的量化分析能力。

關鍵詞： 金屬活動性; 置換反應; 圖示教學; 量化模型

文章編號： 10056629（2022）06008505

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 研究背景

化學學科是建立在實驗基礎上的一門學科。但初中化學的學習存在時間短、入門淺的特點，很多實驗僅限于規范操作、觀察表象，對于歸納總結規律和理解反應原理幫助不大。當后期教學涉及到反應本質和量化實驗時，學生缺乏理論支持，量化實驗難以完成。面對這些困難，教師需要深入思考如何在學生已有的認知起點基礎上設計教學，改進教學方法，盡量把抽象的理論模型化、圖像化，從而能夠較為直觀地幫助學生學習新知識，避免學生產生畏難心理。同時，教師更應思考如何在教學中把知識系統化、結構邏輯化，幫助學生在學習知識的同時提高化學學科核心素養，構建化學學科思維，為高一層次的深度學習打好基礎。深度學習的特征之一是聯想與結構，指的是經驗與知識的相互轉化，涉及的就是教學內容問題。深度學習強調知識整合和意義聯結的學習內容，使得知識具有情境化、整體化和結構化的特征，從而有利于學生認知的整體建構以及知識遷移能力的形成。

在金屬活動性順序的應用中，金屬與鹽溶液的反應是初中化學的重點和難點。對于簡單的一種金屬和一種鹽溶液是否反應，可以通過宏觀的實驗現象加以判斷，但其反應后的產物，與反應物的量和反應程度相關，初中的化學實驗條件就難以證明了。當涉及結合較復雜反應條件的兩類題型（第一類是一種金屬和多種鹽溶液反應，另一類是多種金屬與一種鹽溶液反應），要構建反應物的量與反應先后的邏輯鏈，推導出最終的濾液濾渣成分，就亟需借助直觀的輔助模型來幫助學生理解學習。該知識點的傳統教學方法通常是讓學生以金屬與鹽溶液的反應順序結合化學方程式為理論基礎，然后根據在生成的濾液或濾渣中滴加足量的稀鹽酸產生的實驗現象來推定生成物的成分。以Zn和AgNO3、 CuSO4溶液反應為例，金屬活動性Zn>Cu>Ag，存在反應Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag（先）、 Zn+CuSO4ZnSO4+Cu（后），如在濾液中滴加稀鹽酸有白色沉淀生成，則濾液中一定有AgNO3，從而推斷加入的Zn少量，濾液中有未反應完的AgNO3、 CuSO4和反應生成的Zn（NO3）2，濾渣中只有少量置換出的Ag;如在濾渣中滴加稀鹽酸有氣泡生成，則濾渣中一定有Zn，從而推斷加入的Zn過量，濾液中的AgNO3、 CuSO4已全部反應完，只有反應生成的Zn（NO3）2，濾渣中有全部置換出的Ag和Cu，以及過量的Zn。該方法學生理解起來相當困難，判斷生成物經常錯、漏。而且這種講解方式只覆蓋了加入的金屬少量和過量兩種情況，存在反應過程不明確、知識體系不完整的缺點，不利于學生化學學科核心素養的深化培養。因此，如果能設計一種針對金屬與鹽溶液反應的直觀模型，可以幫助學生加深理解、快速掌握這類反應的習題解法。

如何將溶液中看不見摸不著的溶質可視化，如何把微觀的化學反應精準量化，使實際化學實驗無法實現的理想狀態下充分反應后的溶質和濾渣的判斷直觀地呈現給學生，是本文設計教學模型的目標所在。本文將從學生現有的知識結構基礎出發，構造數軸與柱狀圖結合的圖示模型法，幫助學生直觀理解反應物的量與反應產物間的關系，以此構建量化模型，快速判斷反應后的成分。

2 相關研究

金屬與鹽溶液反應后濾液濾渣成分（或組成）的判斷是初中化學的重點與難點，很多一線教師針對該知識點的教學做了較多研究和實踐。比如，文獻[1]提出應用離子共存理論模型，利用鉤叉標記法能快速準確地解決這類相關問題;文獻[2]利用“列表法”分析，可將復雜問題簡單化，將反應后的濾液濾渣成分直觀展示出來;文獻[3]引入時鐘法，解析金屬與鹽溶液的反應，以此化解難點;文獻[4]根據金屬與鹽溶液反應的兩種類型（一種金屬和混合鹽溶液反應;兩種混合金屬粉末和一種鹽溶液反應），利用圖示法分析金屬與鹽溶液的反應過程;文獻[5]采用實驗探究和計算模擬相結合的教學模式，將“一種金屬與多種鹽溶液反應”或“多種金屬與一種鹽溶液反應”的體系模型化，淺顯直觀地展示了該過程中各種反應是同時進行的。綜合分析上述方法，我們發現這些方法在教材適配性和軟硬件基礎上有一定要求，上海初中化學教材中沒有保留原子結構的相關內容，對化學反應中得失電子和離子反應方程式也沒有涉及，相對科學的“離子共存理論模型”難以在教學中順利落實;列表和時鐘法對學生的抽象理解能力要求較高;計算化學更是對學校的軟硬件配置都提出了更高的要求。因此上述方法在上海市普通初級中學的教學中較難實踐。對此，筆者從多年的教學實踐中總結出一套循序漸進的數軸與柱狀圖結合的圖示法，在課件制作演示、板書講解或草稿推算中都較易實現，能幫助學生直觀理解反應物的量與反應產物間的關系，以此構建量化模型，快速判斷反應后的成分組成。

3 模型構建

3.1 教學知識點說明

（1） 金屬活動性順序，見圖1。

通過常見金屬與鹽溶液反應的實驗得出結論，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們化合物的溶液里置換出來。

（2） 化學反應中的質量守恒：

反應前后原子的種類和個數不變。

3.2 模型設計

該模型構建基于金屬與鹽溶液反應時，最活潑的金屬首先與最不活潑的金屬元素形成的鹽溶液反應。即如果A>B>C，則A優先與C的鹽溶液反應，當C的鹽溶液全部反應完后再與B的鹽溶液反應。在模型中，鹽溶液柱狀圖分布為“弱下強上”，金屬柱狀圖分布為“強先弱后”。當然，我們需要和學生說明，溶液是均一穩定的混合物，本文中的量化模型圖是金屬和鹽溶液反應的定量反應數學模型圖，僅用于表示反應物和生成物的物質的量之間的關系。真實的情況是所有反應是同時進行的，只是由于活動性差異我們可以看作反應有先后。同時，所有的化學反應都基于質量守恒定律，因為該模型圖設置的目的是幫助學生理解反應物的量不同會導致生成物成分不同，而不涉及參加反應的固體和析出的固體質量的精準計算，所以在圖形比例上只考慮金屬和溶液中溶質的相對關系，在相對原子質量的比例上不做比例調整。

3.2.1 一種金屬與一種鹽溶液反應

以Zn和FeSO4溶液為例，金屬活動性Zn大于Fe，存在反應Zn+FeSO4ZnSO4+Fe，當反應物Zn的量不同時，用柱狀圖表示反應物之間的量化關系，反應后的濾渣濾液如圖2所示。

3.2.2 一種金屬與兩種鹽溶液反應

以Zn和AgNO3、 Cu（NO3）2溶液反應為例，金屬活動性Zn大于Cu、 Cu大于Ag，存在反應Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag、 Zn+Cu（NO3）2Zn（NO3）2+Cu，因為反應生成的Cu會與AgNO3溶液發生反應Cu+AgNO3Cu（NO3）2+2Ag仍生成Ag，所以看作Zn先將AgNO3反應完后，再與Cu（NO3）2反應。即表示鹽溶液的柱狀圖為先反應的在下，后反應的在上，記作“弱下強上”。

當反應物Zn的量不同時，用柱狀圖表示反應物之間的量化關系，反應后的濾渣濾液如圖3所示。

3.2.3 一種金屬與三種鹽溶液反應

以Fe和AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2溶液反應為例，金屬活動性Zn>Fe>Cu>Ag，存在反應Fe+2AgNO3Fe（NO3）2+2Ag、 Fe+Cu（NO3）2Fe（NO3）2+Cu、 Fe與Zn（NO3）2不反應。同理看作Fe? 先將溶液中AgNO3反應完后，再與Cu（NO3）2反應。即表示鹽溶液的柱狀圖“弱下強上”由下往上依次為AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2。

當反應物Fe的量不同時，反應后的濾渣濾液如圖4所示。

3.2.4 多種金屬與一種鹽溶液反應

以CuSO4溶液與Zn和Fe混合物反應為例，金屬活動性Zn>Fe>Cu，存在反應Zn+CuSO4ZnSO4+Cu、 Fe+CuSO4FeSO4+Cu。因為反應生成的FeSO4會與Zn發生反應Zn+FeSO4ZnSO4+Fe仍生成ZnSO4，所以看作CuSO4先將Zn反應完后，再與Fe反應。即表示金屬的柱狀圖為先反應的在下，后反應的在上，記作“強先弱后”。當反應物CuSO4溶液的量不同時，反應后的濾渣濾液如圖5所示。

4 教學實踐效果反饋與思考

筆者近年來開始在課堂教學中使用上述模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應后生成物的判斷。為了檢驗模型圖示教學法的效果，2020學年對所任教的兩個初三班級開展對比教學實驗。其中一個班級采用了模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應的知識點，另一個班級采用傳統的教學方法進行講解，兩個班級均在知識點教學完成后進行相應內容的練習，測試結果顯示采用模型圖示教學法班級的正確率為96%，采用傳統教學方法班級的正確率為92%，該班級在后續重新采用模型圖示法講解后，相關知識點的正確率達到98%。可以看出，本文提出的模型圖示教學方法對幫助學生理解金屬和鹽溶液的量化反應有明顯的效果，同時對實驗難以呈現的、理想狀態下的量化計算這一類推斷題的解決大有助益，學生應用這種模型圖示法，解題能力有明顯的提高。

該模型教學法還可以用到其他初中化學教學中遇到的難點重點，比如在溶液中溶解度受溫度影響不同的兩種溶質的分離和提純;溶解度曲線學習中A、 B、 C三種等質量飽和溶液隨溫度變化后的濃度，以及溶質、溶劑和溶液的量的判斷。分散體系中反應物的量無法測量，計算推演也過于抽象，這些理想狀態下量化計算類的課程教學靠化學實驗更是難以體現，都可以應用該模型教學法。

5 結語

本文提出了一種用于金屬與鹽溶液反應后濾液濾渣判定的量化模型圖示教學法，該方法利用量化模型圖演示不同量金屬和鹽溶液的反應，對反應物和生成物的物質的量的關系構建了一個清晰的數學模型，過程完整，生成物一目了然。經過教學實踐驗證了利用該模型開展教學可加深學生對知識點的理解，易學易用，有利于培養學生對化學反應中的量化分析能力，在知識點的單元練習中學生成績提升明顯。需要說明的是，這種量化模型必需限定在至少三個基礎之上，即（1）金屬活動性順序任何條件下都適用;（2）所有反應是熱力學控制而沒有動力學控制;（3）所有反應均有足夠長時間，是反應完全的。金屬和鹽溶液反應的實際情況往往因為電極極化、反應動力學、共沉積等問題會有更復雜的表現，限于初中化學教學范圍和深度，這些問題本文不做深入討論。

在今后的教學改革中，我們可以借助一些應用軟件將該模型圖動態化，通過拖動加入量的柱狀圖來改變反應物的量，將反應后的濾液濾渣成分做成直觀可視化的圖式，以幫助學生理解更復雜的量變過程，有效提高學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

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[2]鄧惠軍. 利用“列表法”分析金屬與鹽溶液反應后的濾液濾渣[J]. 云南化工， 2020， 47（2）： 173～177.

[3]向剛. 例談時鐘法分析金屬與鹽溶液的反應[J]. 化學教學， 2017， （12）： 70～72.

[4]葉茂. 利用圖示法分析金屬與鹽溶液反應的過程[J]. 化學教學， 2015， （10）： 85～87.

[5]萇青， 劉健. 計算化學在基礎教育的創新應用——以“金屬與鹽溶液置換反應”的拓展教學為例[J]. 化學教學， 2021， （4）： 93～97.