化学实验改革建议之四

摘要：阐述了初等化学中金属活动次序知识点的教育价值，指出金属化学活动性和反应激烈程度没有必然的相关性，分析了有关金属物理性质和某些化学性质实验体系的特点，并给出了教学建议。

关键词：化学实验；金属；物理性质；化学性质

文章编号：1005—6629(2012)9—0003—03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

初等化学的主要任务是进行化学学科的启蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究对象、研究方法和学生已经学过的物理学、生物学、以及不很系统的天文学和自然地理学有所不同。化学以与人类社会物质生活紧密相关的化学物质为主要研究对象。这里所说的化学物质，不仅包括已经存在于自然界的化学物质，还包括自然界并不存在的，由化学家以现有物质为原料制造出来(或未来可能制造出来)的新物质，而且后者的数量和所能体现的功能将远远超出前者。所以化学研究不仅着力于发现，还致力于创造，最能体现出人类的智慧和创造力!更为令人感到神奇的是，对于数量近于天文数字的化学物质，其组成和结构的研究可以归结为对总数约百个左右化学元素性质的认识和反应性能的调控。化学元素之间的结合规律——化学键理论并不复杂，当化学物质的组成比较复杂时，组成元素原子之问的空间排布对原子之间相互作用的影响——化学结构理论，也不很复杂。化学键理论和化学结构理论可以帮助我们认识或预见化学物质间存在差异性的物理因素，但是至今尚无法对这种差异导致的物理性质和化学性质的差别作出比较完备并可靠的判断或推测。所以化学的学科研究工作中除去理论方法的研究外，无不依赖实验工作来完成，这是化学至今仍然是一门实验性科学的原因。

基于以上的原因，由于化学物质数量庞大，反应类型虽然屈指可数，但是反应过程及产物对外界条件甚至反应物本身的状态(例如固体的分散程度、溶液的浓度等)却十分敏感，甚至接近几乎无规律可循的情况。这从另一个角度表明了化学是一门正在发展中的科学，是一门基于百十个化学元素，而作为研究对象的化合物却可能达到10¹⁴量级(目前已知的化合物数仍在10⁷的量级)的科学。因此从组成结构和性质问都存在差异的近乎天文数字的研究对象中，探索具有普适性的客观规律是一项正在进行且远未完成的艰巨任务。众多的机会和严峻的挑战，意味着化学是一门正在蓬勃发展的基础科学，也正是化学引人入胜之处。但是对于初学者而言，虽然所涉及的化学知识和化学物质并不很多，却很难做到像初等物理学那样依据为数不多的基本定律，就可以认识并探究大量相关的物理现象，初学者因此感到困惑的反映，应当认为是合理的。这是初等化学教学中必须着重研究和力求解决的问题。也许是为了减轻学生学习时出现的困惑，很多没有经过大量实验事实证实的、以偏概全或概念模糊的所谓“规律”，在正式教材中虽然罕见，但在坊间出版的教辅一类学习材料之中却屡见不鲜(有的甚至自诩为“应试宝典”)。这种做法，不仅不能真正解决初等化学教学中的困惑，而且由于模糊了对化学学科任务和方法的认识，对于化学教学特别是后继课程的学习，将会导致不必要的困扰。把“例外”作为某些“规律”失效时的借口和师生们由此感到尴尬的心态，只会留下事与愿违的遗憾。我认为在解决这个问题的过程中，厘清学科概念和某些规律的理论或实验依据是关键的一步，应当引起我们的重视。只要我们肯于面对问题，有关的实例并不难找到。把金属活泼性和反应激烈程度想当然地直接相关联，就是问题之一。

1　金属化学活动性和反应激烈程度没有必然的相关性

金属活动次序在初等化学中是一个有趣，而且运用时比较得心应手的重要知识点。首先因为元素周期表中金属元素的数目远远超过非金属元素，除去汞外，它们的单质在通常条件下均呈固态，可以直接观察和测量的方面比较多；其次因为它们的盐溶于水中后大都会发生电离，这时将以离子形式存在。用简单的试管实验，就可以通过A金属元素的单质是否能够与B金属元素的离子发生置换反应来比较A和B金属的氧化还原性(或日金属活动性)的强弱。实验要求的技能水平很低，实验现象却十分明显。置换反应发生时，产物首先沉积在金属性较强的金属表面上，底物表面和沉积在反应区的置换产物的形貌、颜色，甚至于变化过程都可以清晰地观察到，足以引起实验者极大的兴趣。由此扩展得出的包括十几个常见金属元素的金属活动次序，不仅应用起来得心应手，读来更是朗朗上口，便于记忆，因而成为初中化学中最为师生喜爱的一个知识点。

在综合几个典型的金属置换反应的实验现象时，教学中把金属的活动性和置换反应发生时的“激烈程度”相关联的做法很普遍，甚至认为二者存在必然的相关性。虽然实验中确实可以观察到金属钠和水作用时的“激烈”和锌、铁置换硫酸铜或硝酸银中的铜或银时的“平静和缓”，以及在和盐酸作用时，锌片上产生氢气的“激烈程度”可能高于铁等等，似乎上述的关联并没有什么问题，反而有利于学生强化对金属活动次序的记忆。但是从化学学科概念来看，尽管上述实验现象都是事实，仍然应当承认这种关联在基本概念上是不存在的，即反应激烈程度和金属化学活动性没有必然的相关性。先入为主的错误认识，会对后继学习产生负面的影响。这值得引起我们的注意。

金属活动次序是从实验中得出的经验规律，在电化学完成了对氧化还原电势的理论构建和实验测量方法的规范化之后，得到了证实和完善。不仅对原有顺序作了必要的调整，而且使得一些无法通过简单置换反应进入金属活动次序的金属元素找到了它们在序列中的“位置”。此外还可以通过简单的计算确定金属离子浓度、温度和介质酸碱性对金属元素在序列中位置的影响。氧化还原电势的差别，是推动电子发生定向转移的推动力，也就是在初等化学中所说的活动性。但是反应速率(激烈程度)却是由单位时间内氧化剂从还原剂得到的电子数量决定的。亦即和固态反应物的表面状态(包括少量外来或内含的杂质的种类及分布，产物形态等)有关，二者并不存在必然的相关性。例如(还原)铁粉不仅在酸中能够迅速溶解，甚至在空气中可以自燃，改用质量相同的铁片或铁屑时，在相同的条件下就观察不到类似的现象。和电池放电情况很相似，两极间的电流是由外电阻的大小决定的，并非电池两极电势差越大，电流值就一定越大。所以应当严格区分决定金属元素的氧化还原电势差的热力学因素，和影响反应速率的动力学因素。类似的情形在日常生活中也可以找到，由此可见，区分事物的起因和过程，分别采取不同处理方法的思维训练，有利于提高学生的科学素养。三维教育目标在此也得以体现。

2　金属活动次序知识点的化学教育价值

如果对于金属活动次序的认识，仅限于比较金属单质及其离子氧化还原能力的强弱，以及对给定的置换反应是否能够实现做出判断是不够的。它还可以用于无机制备方案的设计，例如利用金属置换反应制备氢气时，什么时候可以选择水作为氢源，什么时候可能要用盐酸或稀硫酸，以及哪些金属是无法实现这个反应的等，都和金属在活动次序中的位置直接相关。其次，初中化学对金属单质的制备方法是分别进行的，如水溶液中实现的置换法(水法冶金工艺之_)；用碳在高温下还原金属氧化物的方法(火法冶金工艺之_)；以及在水溶液或非水溶液中通过电解制备金属的方法，前者如电解硫酸铜溶液制铜，后者如电解溶于冰晶石熔融液中的氧化铝制铝或电解熔融氯化钠制钠等(电冶金工艺)。以上大致涵盖了制取金属的几类基本方法。如果把这些个例和金属活动次序相关联，不仅可以对零散知识进行整合，还可以对这几种方法还原能力的强弱获得初步的认识。在遇到那些在金属活动次序表中没有列入的金属元素时，由制备工艺可以推测它的活动f生和表中哪些金属大致相近；反之，从某个金属元素在周期表中的位置，可以由邻近元素的制备方法获得启示。应当注意到，在上述制备方法中，电解法是一种普遍适用的方法。电解方法的氧化还原能力源于与化学物质无关的外加电势，它并非来自“天赐”，而是人类智慧的产物。科学技术对社会进步的价值在此体现得最为突出。由此可见，金属活动次序对于有关化学知识和氧化还原反应的理解应用，可以起到以纲举目张的作用。

3　回到实验活动——金属的物理性质和某些化学性质

金属的物理性质和某些化学性质实验体系的特点是：这个简单的实验活动是为了帮助学生对金属(主要是常见金属，如钠、镁、铝、铜、铁)的物理性质及化学性质形成初步的认识。由于实验条件所限，涉及的物理性质仅限于能够用肉眼观察、触摸、以及简单仪器能够完成的几种，要求不可能太高。化学性质则限于和空气、水及某些酸碱盐之间的作用。具体内容可以根据当地条件选定。

在物理性质上，可以选择以下内容：金属的外观(包括已氧化和新鲜表面的对比)、硬度、弹性、延展性和导电性等。

在化学性质上，根据实验条件，可以从以下内容中选择常温和高温下金属单质在空气中的稳定性，和稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、稀氢氧化钠溶液的作用，金属氧化物的还原(如氧化铜、氧化铁和氧化铝用碳粉还原的对比)，部分常见金属活动次序的确定等。

(1)初中化学在这部分的教学要求，以获得对不同金属元素的单质物理性质相似，而化学性质间存在巨大差异的初步认识为目的。从稳定性和反应性两个方面来认识金属单质及其氧化物，属于初等化学的任务。从单质和化合物中元素形态及性质的变化，可以对化学元素论有比较全面的了解。

(2)常见金属元素的天然存在形式、冶金工业由矿石制取金属单质的方法、金属表面处理技术的方法和作用等话题，可用要求学生从网站或有关书籍获取信息的课外探究活动的方式处理。通过交流作为课堂教学和本实验的补充。

(3)可以建议学生思考和探究的问题：

①(某种)金属元素的原子和它的离子有什么共同点，它们之间的差别源于何处?请举出你想到的实例。

②是否活泼金属的单质一定比活泼性差的更不稳定(在干燥的大气中和／或在湿润的环境中)?你所依据的实验事实或生活经验是什么?

③为什么自然界中以单质形式存在的金属元素屈指可数?常见的只有金、汞，铜则属于偶见。

④科学界认为，在地表外大气形成之前，海洋底部都是金属铁。它使得植物光合作用产生的氧气消耗殆尽。直至铁被全部转化为氧化铁之后，大气中氧气的体积分率才开始逐渐上升，直至目前的占约21％的水平。从中可以得到什么启示?

⑤为什么金属置换反应过程是否激烈和它们之间化学活泼性差别的大小并不直接相关?观察到支持这个结论的实验现象吗?请设计几个实验来探究这个问题。

⑥如果你同意上面的说法，能够联想到日常生活中与此相似的事例吗?通过对这个问题的思考和探索，主要收获是什么?

4　两点补充

(1)事件发生的原因相同，过程并不—定相同，因为后者是可以通过外力调控加以改变的。这类事例，唾手可得。通常属于生活经验或教训。如果这个认识同时植根于科学，通过提升对自然规律的认识，对提高学生认识和处理问题及事件的能力会有潜移默化的作用。因为自然规律具有不以人们主观意志为转移的属性，所以印象更为深刻。

(2)虽然在初中化学课程标准中，没有把金属单质的制备列入，但是在课程中，金属冶炼工艺的基本原理都已涉及。如水法冶金(金属置换)、火法冶金(铁的冶炼)和电解法(电解法制铝)。如果加以整合，可以得到两方面的认识：①这3种方法的还原能力依次递增，后者可以代替前者；②这3种方法的顺序和金属活动次序大致相对应。至于为什么最强的还原手段一一电解法并不是冶金工艺的唯一方案，这是因为科学着重解决的是“可能与否”的问题；而技术(工艺)不仅要考虑可能，还要考虑“可行与否”(包括资源、能源、环保、产品质量标准、成本和市场等方面)的问题，有时后者起决定性作用。由此可以进一步认识科学和技术之间的关系。

参考文献：

[1l宋心琦，关于中学化学教学实验改革问题的思考[J]，化学教学，2008，(4)：1.

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