金屬活動性順序實驗的再思考

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

金屬活動性順序是中學階段一個重要的規律，貫穿中學化學的教學過程，其不僅指導著金屬置換反應的判斷，而且在電化學中也有著廣泛的應用。課程標準分別在內容與學業水平部分明確要求“通過實驗探究等活動認識常見金屬的主要化學性質及金屬活動性順序”1]，“能運用研究物質性質的一般思路與方法，從物質分類的視角，依據金屬活動性順序初步預測常見的金屬的主要性質，設計實驗方案，分析、解釋有關的實驗現象，進行證據推理，得出合理的結論”[2]。因此，金屬活動性順序不僅是教育教學的重點內容，也是中考命題的考查對象，然而2024年黑龍江的一道相關試題引起了一線教師廣泛的爭議。

原題：探究 Mg 、Fe、Cu的金屬活動性順序，下列試劑的選擇方案正確的是 。

A. Mg 、 c_u 、 FeSO₄ 溶液B.Fe、 MgSO₄ 溶液、 CuSO₄ 溶液C. Mg 、Fe、 Cu， 稀鹽酸D. Cu 、 MgSO₄ 溶液、 FeSO₄ 溶液

本小題的參考答案為BC。有許多教師認為，金屬與酸的反應速率快慢屬于動力學范疇，不能作為判斷金屬活動性強弱的依據。若果真如此，此題必然會有著嚴重的科學性錯誤，問題的根源究竟在何處？如何解決此類現象？

2 現狀概述

金屬的活動性是金屬單質的屬性，是指金屬固體原子在常溫下的水溶液中失去電子形成水合離子傾向的大小，它以 25°C 時金屬的標準電極電勢為判斷依據，也稱為熱力學金屬活動性順序。許多專家與一線教師針對金屬活動性順序作了深入研究[3]，經過多年的討論乃至爭論，目前化學理論界一般認為，金屬活動性順序既然是熱力學規律，就不應該用金屬反應的劇烈程度來衡量，也不應用于比較金屬與酸的反應速率。然而令人費解的是，習題、試卷甚至教材都不時地出現與此相悖的信息，在實際教學（包括教學比賽）中，也屢屢會出現“金屬與氧氣反應、與酸反應越劇烈活動性越強”的結論，這使得一線教師感到相當的困惑。

3 實驗內容的對比分析

3.1 多版本教材內容的比較

根據國家“一標多本”的總體要求，許多省市均組

織專家進行了教材的編寫工作，目前國內使用范圍最廣、最具代表性的九年級化學教材有三本，分別為人教版、滬教版和魯教版。這些教材都是依據課程標準的

各項要求編寫的，因此各版本的教材都將金屬活動性順序作為教學的重點內容，但在內容的組織和呈現的形式上有一定差異，具體見表1。

表1三種版本教材中“金屬活動性順序”內容的比較

3.2 多版本教材內容的分析

3.2.1學習內容分析

人教版將金屬的活動性編排于金屬的化學性質單元里，學生在此之前只是在鎂條和鐵絲燃燒、銅粉加熱等實驗中初步知道了金屬的化學性質，因此進入新的內容學習，學生不僅需要從分類觀的視角掌握金屬的化學性質規律，還需要從科學思維和探究實踐角度掌握金屬活動性順序的形成與應用。滬教版將金屬活動性編排于常見的酸單元，在此之前學生已經有了很好的知識基礎：（1）在鐵絲和鎂條燃燒、鎂條與酸反應等實驗中初步認識了金屬的化學性質；（2）在金屬的化學性質單元掌握了常見金屬的性質規律，初步建立了分類觀及分類學習的思維方法。因此，在新內容的學習過程中重點探究金屬活動性順序的形成，但金屬與鹽溶液的置換不在其中，其編排在“鹽的組成與分類”單元[7]。魯教版也將金屬活動性安排于金屬的化學性質單元，但學生經過之前的學習已經初步了解了常見金屬的化學性質、掌握了酸的化學性質、認識了鹽。因此，教材在新內容中安排的重點是研究性學習，使學生通過科學探究與實踐認識了金屬活動性順序。

3.2.2 實驗設計分析

從表1可知，為幫助學生的理解和方便學生的記憶，教材都從實驗入手構建科學探究情境，依據實驗中觀察到的現象進行提問，引導學生進行反思，進而得出結論。例如，根據金屬與酸之間能否發生置換反應，得出“排在氫前面的金屬能與酸反應放出氫氣，而排在氫后面的金屬不能與酸反應放出氫氣”的結論；根據金屬與鹽溶液之間能否發生置換反應，得出“位置靠前的金屬可以把位于其后的金屬從它們的鹽溶液中置換出來”的結論（滬教版此內容編排于下個單元）。然而三個版本教材設計實驗得出金屬活動性順序的思路卻有著迥然的差異，人教版從金屬與鹽溶液之間能否發生置換反應來比較金屬的活動性強弱；魯教版則明確依據金屬與酸之間反應的劇熱程度（生成氣泡的速率）來比較金屬的活動性強弱；而滬教版雖未明確比較金屬活動性強弱的依據，但“比較實驗現象”“討論可能的原因”“反應的難易程度”等描述都指向了金屬與酸反應生成氣泡的快慢，實際在課堂教學中也是如此處理的。

4教學再思考

4.1 金屬活動性應如何比較

化學經典理論告訴我們[8]，金屬活動性只討論反應進行的可能性。因此，人教版教材在探究金屬活動性順序時，主要利用了金屬和鹽反應的實驗探究，同時也利用金屬與酸反應的實驗，以是否可與酸反應置換出氫氣將金屬分成兩類。但為了撇清金屬活動性與反應速率的關系，利用重新修訂之機將原版9中的\"金屬與鹽酸反應的比較”漫畫圖（見圖1）刪去，將師生對金屬活動性順序的教學引導至金屬與鹽溶液的置換實驗中。

圖1金屬與鹽酸反應的比較

然而，上世紀末都已經討論清楚的事實，為什么進入21世紀還會存在不同的聲音，以至于不同版本教材的編者仍存在截然相反的意見？梳理金屬活動性順序的誕生史[1]就會發現，存在兩種聲音并不奇怪，19世紀七十年代以貝開托夫的實驗為基礎提出了金屬活動性順序，此順序表主要是按單質實際置換的難易程度排列而成，反映了不同金屬與其他物質作用時反應的劇烈程度，因而它是從動力學的角度來判別金屬性質的，稱為動力學金屬活動性順序表；但隨著科學的發展和對電極電勢研究的深入，化學家們發現電極電勢是衡量金屬在溶液中還原能力的定量尺度，按金屬在水溶液中形成最低價離子的標準電極電勢代數值由小到大的次序排列形成的金屬活動性順序表，稱為熱力學金屬活動性順序表。雖然熱力學金屬活動性順序表具有較多的優點，例如嚴密而精確，還可從電極電勢上尋求活動性差異的原因，但傳統的動力學金屬活動性順序表仍有其應用的價值，例如定性判斷單質置換的難易程度等。然而，需要指出的是，動力學金屬活動性的排列順序與熱力學活動性順序中，只有鈉和鈣元素的排序不同（見表2），所以在國際上這兩種順序表都有使用。但是，教材呈現時兩者不能混用。皮亞杰認為兒童的認知過程與科學的發展在某些方面存在相似之處，都在建構、同化、試錯和糾錯中螺旋式上升，因此初中化學教學中采用動力學活動性順序的探究過程與初中學生的認知能力一致，也符合學生的認知規律，只不過隨著學生認知水平的發展逐漸過渡到更加科學準確的熱力學活動性順序及實驗探究。當然，也不能以此為借口進行無限延伸，將學生的認知引向錯誤方向。

表2動力學金屬活動性順序和熱力學金屬活動性順序比較

4.2金屬與酸反應的實驗是否需要控制變量

三種版本教材中都將金屬與酸的反應設計成探究實驗，實驗設計思路基本相似，只是實驗設計方案和實驗素材的選擇略有不同（見表3）。

表3三種版本教材中“金屬與酸反應\"實驗設計對比

由表3可知，人教版和滬教版教材實驗方案的設計主線清晰，教材中的表格方便學生分類記錄實驗現象，對比整理出實驗結論；魯科版教材中學生已經學習過鎂與稀鹽酸的反應，對金屬與酸的反應有一定的認識，在此基礎上教材給出實驗藥品，但沒有具體的實驗步驟，為師生設計探究實驗提供較大的發揮空間[14]

在實際課堂教學中，教師都要求學生觀察實驗過程中金屬與酸反應的速率快慢。按對比實驗設計的規范要求，在實驗中必然進行控制變量，其中包括金屬的質量、金屬的表面積、酸的濃度、酸的體積和反應溫度等，然而人教版和滬教版教材在實驗設計中都沒有明確提出控制變量的要求，特別是沒有要求所使用的金屬單質表面積相同；但魯教版讓學生在設計實驗方案時思考：是否需要進行變量控制？即提示學生需關注實驗中控制變量。令人不解的是，人教版在實驗方案中對使用的金屬雖未提及其形狀，但在實驗圖示中明顯使用了表面積大致相同的金屬條[15；滬教版在實驗方案中明確使用了鎂條、鋁片、銅片，而在圖示中卻顯示出三種表面積相同的鎂條、鋁條和銅條1；更加令人意外的是，魯教版在學生進行實驗方案設計時特意以問題思考的形式提醒學生注意變量控制，但其提供的實驗用品卻是鐵絲、銅絲和鋅片。

又回到了開始的問題上，金屬與酸的反應需要控制變量嗎？其核心的問題是：需要嚴格比較金屬與酸的反應速率嗎？在一般情況下，教師提醒學生觀察各種金屬與酸的反應速率快慢，其目的只是為實驗室制氫氣時金屬單質的選擇作鋪墊，因此對實驗的要求并不高。但如若以金屬與酸的反應速率作為金屬活動性強弱比較的事實依據，則必須控制變量，將一切干擾因素考慮到位，特別是金屬的表面積相同和去除表面氧化膜。使用鋁單質需要特別注意，因為其化學性質活潑，在打磨金屬表面的同時會迅速生成新的氧化膜，所以如果表面氧化膜不能完全除去，就會影響與酸反應時鋁和鋅的比較。

5結語

綜上所述，教師對教學中存在的傳統問題需要進行辯證、客觀的分析，厘清其中的曲直，尋找合適的處理方法，真正實現“用教材教”的教材觀。特別應學會與教材對話、與編者對話，理解教材編寫的意圖、所秉持的學術觀點，在各種觀點中尋找平衡點，采納其合理之處，做到兼容并蓄。當然，也建議編者基于科學本質，對教材作適當修改，使之更加完善。因此，對金屬活動性順序實驗的爭論應該休止，轉向為學生提供多元化的學習資源和支持，培養他們的創新能力和解決實際問題的能力，助力他們成為具有科學素養的優秀人才。

參考文獻：

[1][2］中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2022年版）［S].北京：北京師范大學出版社，2022：19～20.

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［10］陳花蕊，占小紅．金屬活動性順序表的誕生與發展[J].教學月刊（中學版），2011，（4）：36～38.

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