指向“變化觀念與平衡思想”的物質結構教學
——以補鐵劑中配合物的應用為例

傅英懿 范曉媛

（北京市第十二中學 北京 100071）

一、教學背景

配合物在化學學科中具有廣泛的應用，例如分析化學中定性測定、定量測定，在生命科學中也很重要，植物的光合作用離不開葉綠素，而葉綠素就是一個Mg2+的配合物，血液能靠著血紅蛋白攜帶氧氣，而血紅蛋白的核心部位便是一個Fe2+的配合物，因此配合物的學習從知識本體來說具有豐富的社會價值。

從化學學科核心素養的培養目標來看，配合物這一載體不僅幫助學生豐富和完善自身動態平衡的視角，認識到配合物存在配位平衡，鞏固“宏觀辨識與微觀探析”，并且在真實情境的問題解決中，認識到化學變化是有一定限度的，是可以調控的，幫助學生能夠多角度的分析化學變化，運用化學反應原理解決簡單的實際問題，進一步落實“變化觀念與平衡思想”［1］。因此本教學案例選取補鐵劑的發展作為研究對象［2］，重點通過3個核心任務，落實和發展學生核心素養，展現了化學課程學習對學生未來發展的重要價值。

二、教學過程

1.深入解讀課標及教材，確定教學目標

《物質結構與性質》新教材中，配位鍵是在第三章第四節提出來的，完善學生對于化學鍵的認識，配合物的制取也是學生必做實驗。課標中對于配合物的要求是知道配位鍵的特點，認識簡單的配位化合物的成鍵特征，了解配合物的存在與應用。要求學生能說明典型物質的成鍵類型，能解釋某些配合物的典型性質。因此本節課是在學生學習了配位鍵的成鍵特點，了解了簡單配合物的制備之后的一節體會配合物使用價值的綜合復習課。本節課的功能是讓學生體會配合物的使用價值，并且希望將配合物與之前所學的化學平衡建立起關聯，不能獨立地看待配位化合物，要求學生能夠認識到配合物也是存在配位平衡的，該平衡是可以被調控的，體會配位平衡與其他反應間的競爭關系，能夠動態地、多角度地分析和解決實際問題。

2.基于目標選取情境，設計核心任務

【引入——提取問題】

給出資料并提問：如何改善第一代補鐵劑的問題。

資料：人們體內的鐵大多來源于食物，食物鐵經過胃酸作用，釋放出Fe2+，然后在十二指腸被吸收。鐵元素主要是以Fe2+被人體吸收，酸性環境更有利于Fe2+的吸收。第一代口服補鐵劑：以硫酸亞鐵為代表的無機補鐵劑。硫酸亞鐵快速釋放的亞鐵離子會對患者上消化道產生較大的刺激，并且由于Fe2+的氧化過程，會引起惡心、嘔吐、腹部不適等不良反應［3］。

以補鐵劑的發展為背景，提出真實問題：如何改善第一代補鐵劑的問題？讓學生認識到問題的解決需要先將真實問題轉化成學科本體的問題，進而運用學科知識進行問題的分析，最終才能完成問題的解決。因此這一問題最終定位為速率問題和氧化還原問題，并提出改進方向：降低Fe2+的釋放速率和被氧化速率。那么這些問題如何解決呢？

【解決問題——抗氧化問題】

以乳酸亞鐵為研究對象，分析其形成過程復習配合物的成鍵特點：乳酸亞鐵中氧原子提供孤電子對，Fe2+提供空軌道。進而提出問題：為什么乳酸亞鐵可以起到抗氧化的作用？學生需要運用物質性質進行抗氧化問題的分析解釋。乳酸亞鐵可以抗氧化，一方面是由于配體中羥基具有還原性，可以抗氧化；另一方面是由于形成配合物后Fe2+濃度降低，還原性減弱，不易被氧化。進而繼續分析富馬酸亞鐵、琥珀酸亞鐵如何實現抗氧化，建立起配合物和物質性質之間的關聯，讓學生認識到物質的氧化性和還原性是可以通過形成配合物進行改變的，通過改變物質性質進行反應的調控，認識到物質的變化是有條件的，是可以調控的，并且在分析的過程中讓學生體會到配合物在真實生活中的功能和價值。

【解決問題——緩釋問題】

那么乳酸亞鐵是如何在胃液中起到緩釋的作用？學生首先需要將緩釋和平衡建立起關系，緩釋問題實際就是平衡移動問題，進而通過物質類別找到配位平衡，然后運用平衡移動原理進行分析：即胃液中氫離子會與弱酸根離子結合，從而使得配位平衡逆向移動，緩慢釋放出Fe2+，實現緩釋的目的，因此補鐵劑大多都是亞鐵離子和弱酸根形成的配合物。這一問題的設計旨在幫助學生認識配合物也是存在配位平衡的，配合物的穩定性不是一成不變的，是可以通過外界條件的改變進行調控的，能用動態平衡的觀點看待和分析化學變化。此時進一步追問圖1中兩種補鐵劑哪種緩釋效果更好？

圖1 兩種補鐵劑的結構簡式

這一問題的提出幫助學生認識多齒配體，并且從配位鍵的個數認識配合物的穩定性，對于配位平衡的認識從定性逐漸過渡到半定量的維度，增加對于配位平衡的理解。這其實可以幫助同學們解決很多問題，例如在有機模塊醛基的檢驗中，一種方法是利用銀鏡反應，既然都是正一價銀離子作氧化劑，那為什么不直接用硝酸銀，反而需要用銀氨溶液？這其實也是一種緩釋效果，讓銀離子通過配位平衡移動被緩慢釋放出來，從而可以獲得一層均勻分布，有序排列的光亮的銀鏡。這一緩釋效果也經常應用于電鍍這一工業生產中，為了獲取致密、細膩的鍍層也經常需要將電解液轉換成含有相應離子的配合物，通過配位平衡移動實現緩釋，最終達到工業要求。

【解決問題——鐵元素檢驗】

這一環節的設置主要是進一步強化學生對于配位平衡的認識，并且體會配位平衡和其他平衡之間的競爭關系，體會反應條件對于反應的調控作用，增強學生運用化學反應原理解決真實問題的能力。

介紹兩種Fe3+離子的檢驗方法：SCN-檢測法和EDTA 檢測法，并給出兩個反應的平衡常數，即：Fe3++3SCN-Fe（SCN）3K≈105、Fe3++EDTA4-Fe（EDTA）-K≈1025。此時學生對于配位平衡的認識逐漸從定性、半定量，過渡到定量，從平衡常數的角度再一次認識多齒配體對于配合物穩定性的貢獻。通過資料介紹，提出問題：為什么用KSCN檢驗Fe3+需要在酸性環境中進行？對于水溶液問題，從微粒組成入手分析，思考微粒間發生的反應：Fe3++3OH-====Fe（OH）3（副反應）、Fe3++3SCN-Fe（SCN）3（主反應），要想實現用SCN-進行Fe3+的檢驗，需要避免副反應的發生，需要調控pH，降低氫氧根離子濃度，即在酸性條件下進行鐵離子檢驗。讓學生體會到反應條件對于競爭反應的調控。那么為什么用鄰二氮菲檢驗Fe2+需要控制pH 在2～9 范圍內最好？學生根據剛才Fe3+檢驗的條件控制可以分析出此時條件的控制也是為了避免副反應的發生：Fe2++2OH-==== Fe（OH）2、與H+形成配合物，因此需要控制pH在2～9范圍內。進一步體會到化學反應是有條件的，是可以調控的，落實核心素養中的“變化觀念與平衡思想”。

三、教學反思

1.注重真實問題情境的創設

第一代補鐵劑存在哪些問題？如何改善？正是這些真實的問題，激發了學生的學習熱情，使學生從生活世界走進化學世界。如何解決補鐵劑被氧化的問題？如何解決緩釋的問題？這些真實問題促進學生交流討論，并在這一過程中體會化學學科的社會價值，增強化學學科的自我認同感。

2.注重基于“學習任務”開展“素養為本”的教學

學習任務是連接核心知識和具體知識點的橋梁和紐帶，是實現知識結構化的重要環節。本節課主要涉及了三個學習任務：如何解決抗氧化的問題，如何解決緩釋問題？如何進行鐵元素的檢驗？任務一是幫助學生認識到物質的變化是有條件的，是可以調控的。任務二是建立配位平衡，能用動態平衡的觀點看待和分析化學變化，對平衡的認識從定性逐漸過渡到半定量。任務三強化學生從定量水平認識配位平衡，并體會配位平衡和其他平衡之間的競爭關系，體會反應條件對于反應的調控作用，提升了對于配位平衡的進一步認識。