黃金泉

摘要：對(duì)化學(xué)教學(xué)中的4個(gè)案例提出了質(zhì)疑。運(yùn)用化學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)探究，分別剖析了這4個(gè)教學(xué)案例中產(chǎn)生疑問(wèn)的原由，并提出了一些有益于教學(xué)的思考和建議，以期與同行交流，共同提高。

關(guān)鍵詞：教學(xué)案例；疑問(wèn)探究；中學(xué)化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）3–0082–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

我們知道，教材是不可或缺的重要的文本。在讀懂、讀透、讀活教材的同時(shí)，融入自己的教學(xué)智慧，靈活地對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行整合和拓展，是我們每個(gè)教師所追求的高境界。然而實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，有些教師缺乏對(duì)教材內(nèi)容深入研究和思考，甚至曲解了教材編寫(xiě)的意圖，對(duì)在教學(xué)中遇到的一些教學(xué)實(shí)際問(wèn)題，常常想當(dāng)然地進(jìn)行所謂的“合理”解釋?zhuān)Y(jié)果不經(jīng)意間導(dǎo)致了一些科學(xué)性錯(cuò)誤，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了誤導(dǎo)。下面筆者就幾個(gè)常見(jiàn)的化學(xué)教學(xué)實(shí)際問(wèn)題，淺談自己的一些思考。但愿這些思考能給同行們帶來(lái)一些啟示。

1 工業(yè)上用焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅時(shí)，產(chǎn)物生成CO是因?yàn)榻固窟^(guò)量嗎？

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者經(jīng)常聽(tīng)到同行關(guān)于碳與二氧化硅反應(yīng)為什么生成CO而不是CO2是這樣解釋的：由于反應(yīng)過(guò)程中，焦炭過(guò)量，而過(guò)量的焦炭在高溫下會(huì)把CO2還原為CO，所以產(chǎn)物是CO。這樣的解釋對(duì)學(xué)生而言看似“合情合理”、“令人信服”，因?yàn)槌踔须A段學(xué)生就已經(jīng)熟悉碳可以在高溫下還原CO2生成CO的事實(shí)，果真如此嗎？筆者在江蘇“教學(xué)新時(shí)空”名師課堂高中化學(xué)，有幸聽(tīng)到金陵中學(xué)江敏老師開(kāi)設(shè)的一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向[1]”的公開(kāi)課，授課中江老師從學(xué)生已有的認(rèn)知出發(fā)定性地解釋了高溫條件下，碳與SiO2反應(yīng)為什么是生成CO而不是CO2的問(wèn)題。她是從熵拉動(dòng)反應(yīng)的因素考慮的：焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅是一個(gè)置換反應(yīng)，由于C的金屬性比Si的金屬性弱，不利于該置換反應(yīng)的發(fā)生，因此需要熵來(lái)拉動(dòng)。雖然生成1mol CO2的熵比生成1mol CO的熵要大，看似有利于反應(yīng)向生成CO2的方向進(jìn)行，但對(duì)比SiO2+2C=Si+2CO和SiO2+C=Si+CO2這兩個(gè)反應(yīng)，很容易看出前者可以得到2mol CO，而后者只能得到1mol CO2，可見(jiàn)生成CO的熵值更大，更有利于“拉動(dòng)”該反應(yīng)的進(jìn)行，所以是生成CO而不是生成CO2。筆者聽(tīng)后很受啟發(fā)，圍繞該反應(yīng)重新進(jìn)行了審視和研究，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，嘗試通過(guò)近似計(jì)算從定量的角度來(lái)進(jìn)行解釋。有文獻(xiàn)[2]記載，可以利用熱力學(xué)參數(shù)，分別計(jì)算出碳與二氧化硅在高溫下反應(yīng)生成CO、碳與二氧化硅在高溫下反應(yīng)生成CO2時(shí)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行所需的溫度。具體計(jì)算過(guò)程如下：

若反應(yīng)生成CO2，即發(fā)生反應(yīng)SiO2+C=Si+ CO2則：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO2）+ΔfGθ（Si）]-[ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C）]=（-394.4 kJ·mol-1+0）-（-805.0 kJ·mol-1+0）=410.6 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常溫下該反應(yīng)不能自發(fā)發(fā)生。經(jīng)近似計(jì)算：ΔrHθ=465.89 kJ·mol-1；ΔrSθ=184.79 J·K-1·mol-1，根據(jù)ΔrG=ΔH-TΔS<0反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行，推出只有T>2521.18K時(shí)，該反應(yīng)才可能發(fā)生。

若反應(yīng)生成CO，即發(fā)生反應(yīng)SiO2+2C=Si+ 2CO，則：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO）×2+ΔfGθ（Si）]-（ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C））=[（-137.3 kJ·mol-1）×2+0]-（-805.0 kJ·mol-1+0 kJ·mol-1×2）=530.4 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常溫下該反應(yīng)也不能自發(fā)進(jìn)行。同理，根據(jù)ΔrG=ΔHTΔS<0反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行，近似計(jì)算推出只有T>1766.88K時(shí)，該反應(yīng)才可能發(fā)生。

經(jīng)以上近似計(jì)算，在高溫條件下這兩個(gè)反應(yīng)都能發(fā)生，但生成Si和CO的反應(yīng)比生成Si和CO2的反應(yīng)更容易進(jìn)行，因生成Si和CO的溫度較生成Si和CO2低754.3K，從工業(yè)化生產(chǎn)角度來(lái)看SiO2與C在高溫下反應(yīng)生成CO才符合生產(chǎn)實(shí)際。由此可見(jiàn)，工業(yè)上用焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅時(shí)，產(chǎn)物生成CO并非是因?yàn)榻固窟^(guò)量，而主要是因?yàn)樯蒀O時(shí)所需的溫度低的緣故。當(dāng)然，對(duì)高一學(xué)生，筆者認(rèn)為課堂上沒(méi)有必要就該反應(yīng)向?qū)W生解釋為什么。但作為教師，要是非明確，清楚原由，切不可想當(dāng)然地進(jìn)行隨意解釋。否則，易對(duì)學(xué)生造成科學(xué)性誤導(dǎo)。

2 粗鹽中含有的Ca2+、Mg2+、SO42-等雜質(zhì)，能否加入Ba（OH）2正好達(dá)到既除去Mg2+，同時(shí)又除去SO42-的目的？

3 室溫下，向飽和的Na2CO3溶液中通入足量的CO2氣體，沒(méi)有晶體析出是因?yàn)镃O2氣體中混有HCl氣體的緣故嗎？

筆者在一次課堂教學(xué)展示活動(dòng)中，聽(tīng)取了一節(jié)課題為“Na2CO3與NaHCO3”的高三復(fù)習(xí)課。授課者在講授Na2CO3在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為NaHCO3時(shí)，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：首先，PPT投影思考題：室溫下，向飽和Na2CO3溶液中通入足量的CO2氣體，會(huì)有晶體析出，此晶體是什么（請(qǐng)用化學(xué)方程式表示）？析出晶體的主要原因是什么？然后引導(dǎo)學(xué)生相互交流討論，得出此晶體是NaHCO3，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為CO2+H2O+ Na2CO3=2NaHCO3。析出晶體的主要原因是（1）生成的NaHCO3溶解度較Na2CO3小[注：Na2CO3的溶解度（20℃，21.5g）；NaHCO3的溶解度（20℃，9.6g）]；（2）Na2CO3轉(zhuǎn)化為NaHCO3后，生成的NaHCO3質(zhì)量增加了。同時(shí)指出反應(yīng)消耗了水，溶劑水變少了也是晶體析出的原因之一，但不是主要原因。為幫助學(xué)生加深理解和記憶，他還特意將該反應(yīng)過(guò)程在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，具體步驟如下：向事先配好的飽和Na2CO3溶液（注：其配制方法是：向燒杯中加入一定量的蒸餾水，然后加入Na2CO3固體粉末，不斷地?cái)嚢?，直至燒杯底部有固體粉末剩余為止）中通入由大理石和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體，結(jié)果出乎學(xué)生們的意料，通了很長(zhǎng)時(shí)間也沒(méi)有觀察到晶體的析出。于是他趁勢(shì)讓學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的原因。最后大家一致認(rèn)為是通入的CO2氣體中混有HCl氣體，HCl氣體與溶液中的Na2CO3反應(yīng)生成了NaCl，因而沒(méi)有NaHCO3晶體析出。由于課堂時(shí)間的關(guān)系，教師當(dāng)時(shí)也贊成了這種說(shuō)法，沒(méi)有將異?，F(xiàn)象的原因再深入探究下去。真實(shí)情況果真如此嗎？是因?yàn)镃O2氣體中混有HCl氣體造成的干擾嗎？聽(tīng)課過(guò)程中筆者產(chǎn)生了疑惑，課后就在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

筆者先將大理石和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體，通過(guò)裝有飽和NaHCO3溶液的洗氣瓶，以除去可能混有的HCl氣體，然后再將凈化后的CO2氣體通入到事先配制好的飽和Na2CO3溶液（注：配制方法同上）中，大約通了20多分鐘，結(jié)果還是沒(méi)能看到晶體的析出！這樣就排除了HCl氣體的干擾。既然不是HCl氣體的干擾，那究竟是何原因?qū)е铝藢?shí)驗(yàn)的異常？筆者閱讀到了由游梅老師撰寫(xiě)的“一個(gè)大膽的猜想贏來(lái)的成功[5]”一文，從中受到啟示，原來(lái)真正的“罪魁禍?zhǔn)住辈⒎鞘荂O2氣體中混有的HCl氣體，而是室溫下配制的所謂的“飽和”Na2CO3溶液，在很大程度上并不是真正的飽和溶液的緣故！為此，筆者按照游老師介紹的方法，先把較多量的Na2CO3固體粉末在煮沸狀態(tài)下的蒸餾水中進(jìn)行溶解，配成較高溫度下Na2CO3的濃溶液，然后將溶液靜置，冷卻至室溫后過(guò)濾，在濾液中通入CO2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在15min左右有較多量的白色細(xì)小晶體析出（注：若事先在飽和Na2CO3溶液中加入少量的75%的酒精，析出效果會(huì)更好些）。將該白色細(xì)小晶體濾出、小心烘干并放入試管中加熱（試管用帶玻璃管的單孔橡皮塞封閉），將產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中，結(jié)果溶液變渾濁，證明該晶體中確實(shí)有NaHCO3。筆者后來(lái)分析該實(shí)驗(yàn)之所以難以成功，除了飽和Na2CO3溶液的因素外，還有一個(gè)主要的原因是CO2在水中的溶解度不大，導(dǎo)致通入的CO2只有很少一部分與飽和碳酸鈉溶液反應(yīng)，其余大部分CO2都跑掉了。因此，要想順利獲得成功，必須注意以下幾個(gè)細(xì)節(jié)：一是要配制真正的飽和Na2CO3溶液；二是通入的CO2氣流要大且連續(xù)；三是通入CO2氣體的導(dǎo)管最好要插到試管底部，使CO2氣泡破碎成更細(xì)小的氣泡，以增大CO2氣體與飽和碳酸鈉溶液的接觸時(shí)間，使其能被Na2CO3溶液充分吸收。

4 NH3與CH4何者更穩(wěn)定？

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者在一些教輔資料中經(jīng)常看到：“比較NH3與CH4穩(wěn)定性的強(qiáng)弱？”這一類(lèi)問(wèn)題，沒(méi)有任何前提和背景。這種說(shuō)法妥當(dāng)嗎？在蘇教版《必修2》[6]“元素周期律”這部分教材內(nèi)容上，以信息提示的方式出現(xiàn)了這樣一段話(huà)：“元素的非金屬性越強(qiáng)，它的單質(zhì)越容易與氫氣反應(yīng)形成氣態(tài)氫化物，氣態(tài)氫化物越穩(wěn)定”。由于N和C這兩種非金屬元素位于元素周期表第二周期相鄰位置，且C排在N的前面，根據(jù)同周期非金屬元素變化規(guī)律可知：N的非金屬性大于C，則NH3的穩(wěn)定性大于CH4，這也是大多數(shù)教輔資料中提供的參考答案；但分子內(nèi)部的鍵能也能反映出分子的穩(wěn)定性?！巴ǔ?，鍵能愈大，鍵愈牢固，由該鍵構(gòu)成的分子也就愈穩(wěn)定[7]?！惫P者查閱了教材[8]上給出的鍵能數(shù)據(jù)，H-N鍵的鍵能為393 kJ·mol-1，H-C鍵的鍵能為413 kJ·mol-1，顯然H-C鍵的鍵能比H-N鍵的鍵能大，所以NH3的穩(wěn)定性小于CH4；再?gòu)臒崃W(xué)方面看，NH3和CH4的熱分解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如表2。

從熱力學(xué)數(shù)據(jù)中可以看出，NH3分解進(jìn)行的趨勢(shì)比CH4分解趨勢(shì)大，NH3分解反應(yīng)的熵變比CH4大，說(shuō)明NH3比CH4分解所需的溫度低，因而NH3的穩(wěn)定性小于CH4。NH3的穩(wěn)定性不如CH4可以從物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面加以解釋?zhuān)篊H4分子的形狀是正四面體形，具有高度的空間對(duì)稱(chēng)性，使得CH4分子具有空間結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定性；而NH3分子中存在一個(gè)非鍵孤電子對(duì)，對(duì)成鍵電子具有排斥作用，使得NH3分子的形狀為三角錐形。NH3分子的對(duì)稱(chēng)性不如CH4分子，導(dǎo)致NH3分子的穩(wěn)定性較差，這也正符合物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)這一化學(xué)思想。可見(jiàn)，NH3和CH4何者更穩(wěn)定的比較問(wèn)題較為特殊，它是一個(gè)違反元素周期律和電負(fù)性規(guī)則的特殊現(xiàn)象。因此，筆者以為不能僅從元素周期律的角度來(lái)對(duì)它進(jìn)行考量。否則，易引起歧義，尤其是在試題創(chuàng)作時(shí)更應(yīng)加以注意。

綜上所述，教學(xué)中在整合和拓展教材內(nèi)容時(shí)，對(duì)一些看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，切不可想當(dāng)然人云亦云，而要進(jìn)行深入研究，探討問(wèn)題的本質(zhì)與內(nèi)涵，做到真正把握教材編寫(xiě)的意圖，以免產(chǎn)生一些科學(xué)性誤導(dǎo)。而這一誤導(dǎo)不僅僅是知識(shí)的誤導(dǎo)，更重要的是科學(xué)方法和科學(xué)思維的誤導(dǎo)，應(yīng)該極力避免。

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