王 冬 顧 曄

（江寧高級(jí)中學(xué) 江蘇南京 211100）

科學(xué)知識(shí)是變化的
——以高中階段“氧化還原反應(yīng)”教學(xué)為例

王 冬 顧 曄

（江寧高級(jí)中學(xué) 江蘇南京 211100）

“科學(xué)知識(shí)是變化的”是科學(xué)的本質(zhì)的基本特征之一，結(jié)合化學(xué)史闡述了氧化還原反應(yīng)的知識(shí)進(jìn)階，指出概念教學(xué)中的知識(shí)進(jìn)階不是對(duì)之前概念建構(gòu)的完全否定，新的現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)行理論或概念提出挑戰(zhàn)正是符合科學(xué)本質(zhì)的。

科學(xué)的本質(zhì)；氧化還原反應(yīng)；科學(xué)史

IB課程在最近一次課程修訂中，理化生三門學(xué)科均提出一個(gè)共同的主旨，即“科學(xué)的本質(zhì)”，具體設(shè)計(jì)理念是，在關(guān)注學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，將科學(xué)的本質(zhì)充分整合到課程中去。

科學(xué)的本質(zhì)是一個(gè)涉及哲學(xué)、社會(huì)學(xué)和科學(xué)史等多個(gè)方面的復(fù)雜的概念，而其包含的特征卻能讓我們對(duì)之有真切的認(rèn)識(shí)：如“科學(xué)知識(shí)是變化的”，筆者嘗試以氧化還原反應(yīng)的概念進(jìn)階（圖1）談?wù)劇翱茖W(xué)知識(shí)是變化的”這一特征。

圖1 氧化還原反應(yīng)概念的進(jìn)階

以上氧化還原反應(yīng)的概念進(jìn)階圖中，未加斜體標(biāo)記的為高中階段的教學(xué)范疇，從初中一直延續(xù)到大學(xué)普通化學(xué)，氧化還原反應(yīng)一直在“進(jìn)階”過程中。初中例介紹以得氧為特征的氧化反應(yīng)和以失氧為特征的還原反應(yīng)；進(jìn)入高中后，老師會(huì)再次舉例（如Zn+Cu2+原反應(yīng)”是有局限性的，于是提出氧化還原反應(yīng)的宏觀特征——化合價(jià)的變化和微觀本質(zhì)——電子轉(zhuǎn)移，于是一個(gè)較為完備的氧化還原反應(yīng)概念建構(gòu)完成了；可是到了大學(xué)學(xué)習(xí)《普通化學(xué)》或《無(wú)機(jī)化學(xué)》時(shí)發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)是和電化學(xué)聯(lián)系在一起的，而且化合價(jià)的概念往往被氧化數(shù)代替……。筆者在多輪教學(xué)后開始反思：是不是從得失氧角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)就是不科學(xué)、不完善甚至是“過時(shí)”的？從電子轉(zhuǎn)移角度認(rèn)識(shí)就是科學(xué)的、完美的？

一、從得失氧角度認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)——近代化學(xué)的萌芽

對(duì)于反應(yīng)“CuO+H2======△Cu+H2O”，H2在反應(yīng)中“得氧”生成了水，則氫氣發(fā)生了氧化反應(yīng)；而氧化銅則因“失氧”發(fā)生了還原反應(yīng)。這樣的定義簡(jiǎn)單、直觀，并沒有科學(xué)性的失誤，我們回顧一下相關(guān)科學(xué)史。

史料1：燃素學(xué)說(shuō)和氧化學(xué)說(shuō)

1777年，拉瓦錫重做了普利斯特里和卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，精確地稱量了他的試劑和產(chǎn)物，在1780年出版的論文《燃燒通論》中提出他的新的燃燒學(xué)說(shuō)，證明物質(zhì)雖然在一系列的化學(xué)反應(yīng)中改變狀態(tài)，物質(zhì)的量在每一反應(yīng)之終與每一反應(yīng)之始卻是相同的；燃燒和呼吸終于被證明為同類的作用，兩者同是氧化，區(qū)別只在迅速與緩慢，結(jié)果都增加重量，這個(gè)重量等于化合的氧氣的重量。具負(fù)重量的燃素的概念從此就從科學(xué)中消失了。

從史料1可見，拉瓦錫（圖2）的氧化理論雖然停留在得失氧的階段，但在當(dāng)時(shí)卻讓“燃素學(xué)說(shuō)”宣告失敗，由此萌發(fā)出近代化學(xué)的萌芽。對(duì)氧化還原反應(yīng)從“得失氧角度”進(jìn)行定義不僅不是片面、落后的，相反在化學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義，維基百科在定義氧化還原反應(yīng)（Redox Reaction）仍將之完整地呈現(xiàn)“The word oxidation originally implied reaction with oxygen（O2）to form an oxide（氧化物）.The word reduction origi?nally referred to the loss in weight upon heating a metallic ore（金屬礦物）such as a metal oxide to extract the metal.”

圖2 拉瓦錫和拉瓦錫加熱水銀的實(shí)驗(yàn)裝置圖

二、從化合價(jià)升降到電子轉(zhuǎn)移——現(xiàn)代化學(xué)理論的完善

1.氧化還原反應(yīng)與化合價(jià)

中學(xué)課本中提到有化合價(jià)升降的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，這對(duì)氧化還原反應(yīng)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常方便、直觀，也被稱為氧化還原反應(yīng)的“宏觀特征”。而化合價(jià)的經(jīng)典概念是對(duì)元素基本性質(zhì)的描述，表明原子間的結(jié)合能力，如1個(gè)氫原子只能和1個(gè)其他原子結(jié)合，化合價(jià)為1（無(wú)正負(fù)之別）。徐光憲先生在《化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)》中《原子價(jià)概念的發(fā)展》一文中提到，原子價(jià)概念的提出應(yīng)追溯到英國(guó)化學(xué)家E.P.Frankland（1825-1899），他在1852年提出：金屬或其他元素的每一個(gè)原子在化合時(shí)具有一種特殊的性質(zhì)，叫做“飽和能力”，即傾向于和一定數(shù)目的其他原子相結(jié)合。

史料2 化合價(jià)和氧化數(shù)的提出

1852年，富蘭克林（E.P.Frankland（1825-1899））提出不管原子結(jié)合的原子的特性如何，吸引元素的化合能力（combining power）總是為相同數(shù)目的結(jié)合原子所滿足。后來(lái)，把此處的化合能力稱為化合價(jià)或原子價(jià)（quantivalence或valency，美國(guó)化學(xué)家仍用老名稱valence）。

1919年，德國(guó)化學(xué)家阿爾弗雷德·斯托克（Alfred Stock）提出了“斯托克體系”命名方式，其中所有元素的氧化數(shù)（氧化態(tài)）均用相應(yīng)羅馬數(shù)字表示。

1948年，在價(jià)鍵理論和電負(fù)性的基礎(chǔ)上提出了氧化數(shù)（oxidation number）的概念。在老的化合價(jià)理論里，電離化合物（即離子化合物，如NaCl）和非電離化合物（即共價(jià)化合物，如CO2）是不加區(qū)別的，柯塞爾和路易斯提出的理論認(rèn)為它們根本不同。

20世紀(jì)70年代初，國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）在《無(wú)機(jī)化學(xué)命名法》中，進(jìn)一步嚴(yán)格定義了氧化數(shù)概念。

從史料2中能看到今天“化合價(jià)”的概念模型，但這里的化合價(jià)解釋氧化還原反應(yīng)是欠妥的，華彤文教授主編的《普通化學(xué)原理》中也指出中學(xué)化學(xué)課本中用化合價(jià)升降表示氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的情況，那里的化合價(jià)其實(shí)就是氧化數(shù)（oxidation number）。隨著“氧化數(shù)”的提出，氧化還原反應(yīng)的概念也隨之有了進(jìn)一步的變化：在化學(xué)反應(yīng)中，元素的原子或離子在反應(yīng)前后氧化數(shù)發(fā)生變化的一類反應(yīng)稱作氧化還原反應(yīng)。至此，氧化還原反應(yīng)學(xué)說(shuō)已經(jīng)較為完善，不僅擺脫了是否得失“氧”的局限，也指出了氧化過程和還原過程同時(shí)發(fā)生的辯證觀點(diǎn)，但后期的氧化還原過程還是和電化學(xué)緊密聯(lián)系的（史料3），高中教師反復(fù)強(qiáng)調(diào)的“氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移的問題”又是如何應(yīng)運(yùn)而生的？

史料3 電化學(xué)的起源和發(fā)展

1786年左右，意大利人伽法尼發(fā)現(xiàn)如果使神經(jīng)或肌肉同兩種不相類似的金屬連接起來(lái)，而使金屬互相接觸，蛙腿會(huì)發(fā)生收縮。

1800年，意大利的伏打證明這種基本現(xiàn)象并不依賴于一種動(dòng)物物質(zhì)的存在，并發(fā)明了以他的姓名命名的電池（圖3）。1836年，英國(guó)科學(xué)家丹尼爾對(duì)“伏打電池”進(jìn)行了改良，制造了一個(gè)能穩(wěn)定工作的銅鋅原電池，稱為丹尼爾電池（圖4）。

1806年，戴維證明電效應(yīng)與電池內(nèi)化學(xué)變化有密切關(guān)系，他在皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的助手和繼承人法拉第更是制造了目前廣泛使用的電化學(xué)名詞（如電極、離子等），并通過實(shí)驗(yàn)得出了法拉第定律。

圖3 伏打展示伏打電堆（voltaic pile）

2.氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)

國(guó)內(nèi)常見的各版本《無(wú)機(jī)化學(xué)》、《普通化學(xué)》等大學(xué)教材中氧化還原反應(yīng)均出現(xiàn)于電化學(xué)相關(guān)章節(jié)，可見電化學(xué)層面研究氧化還原反應(yīng)是在氧化數(shù)層面定義的基礎(chǔ)上更具可視性和可操作性，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)和能斯特方程，也更有利于研究氧化還原反應(yīng)的趨勢(shì)和限度。不能不說(shuō)電化學(xué)的興起和發(fā)展讓氧化還原反應(yīng)這一重要概念有了進(jìn)一步發(fā)展。目前教材中原電池裝置的雛形就起源于19世紀(jì)初的丹尼爾電池模型（圖4、圖5）。

圖4 丹尼爾電池（原型存于National Museum of American Histo?ry,USA.）

圖5 丹尼爾電池的課堂展示模型

電池的出現(xiàn)讓氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移為特征的定義有了實(shí)物載體，但這并不意味著電子轉(zhuǎn)移比化合價(jià)（氧化數(shù)）升降的定義更加本質(zhì)，氧化數(shù)是化合物中某元素所帶形式電荷的數(shù)值，是有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的，人們把反映電子轉(zhuǎn)移和偏移的電子數(shù)稱為氧化數(shù)，從這個(gè)意義上說(shuō)，氧化數(shù)變化和電子轉(zhuǎn)移層面的氧化還原反應(yīng)的定義是沒有所謂“宏觀現(xiàn)象”和“微觀本質(zhì)”之分的，二者是對(duì)同一問題的不同表述而已。

三、反思

從上述史料（史料1～史料3）中不難發(fā)現(xiàn)，氧化還原反應(yīng)的概念進(jìn)階本身就是“科學(xué)知識(shí)是變化的”真實(shí)體現(xiàn)。從這個(gè)層面上說(shuō)，維基百科對(duì)氧化還原反應(yīng)（Redox Reaction）給出的定義是符合“科學(xué)知識(shí)是變化的”這一科學(xué)本質(zhì)的，并且從“originally”、“Later”及“Ultimately”等副詞中可以看出概念的演變過程。以氧化反應(yīng)為例：

●The word oxidation originally implied reaction with oxygen to form an oxide,since dioxygen（O2（g））was historically the first recognized oxidizing agent.

●Later,the term was expanded to encompass oxy?gen-like substances that accomplished parallel chemical reactions.

●Ultimately,the meaning was generalized to in?clude all processes involving loss of electrons.”

18世紀(jì)末，氧化學(xué)說(shuō)確立，人們把與氧化合的反應(yīng)叫氧化反應(yīng)，把從氧化物中奪取氧的反應(yīng)叫還原反應(yīng)；19世紀(jì)中，有了化合價(jià)的概念，人們把化合價(jià)升高的過程叫氧化，把化合價(jià)降低的過程叫還原；20世紀(jì)初，由于建立了化合價(jià)的電子理論，人們把失電子的過程叫氧化，得電子的過程叫還原。每一次氧化還原概念的進(jìn)階都伴隨新的理論的提出（表1），這不正是“科學(xué)知識(shí)是變化的”這一科學(xué)本質(zhì)的完美體現(xiàn)：新的現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)可以對(duì)現(xiàn)行的理論提出挑戰(zhàn)，或者盡管一種理論對(duì)現(xiàn)象解釋得很好但可能還有其他理論適用，甚至更好、適用范圍更廣。

表1 科學(xué)史視角下的氧化還原反應(yīng)的概念進(jìn)階

“科學(xué)知識(shí)是變化的”本身是無(wú)可爭(zhēng)議的，但在教學(xué)過程中，教師常常傾向否定這樣的動(dòng)態(tài)變化，而希望將之“講死”，甚至對(duì)“前概念”大加否定！這與“科學(xué)的本質(zhì)”的理解是背道而馳的。從全球化考試來(lái)看，自2016年起IBO將會(huì)在所有筆試部分（包括卷一、卷二、卷三）中考查標(biāo)準(zhǔn)水平和高水平學(xué)生對(duì)科學(xué)的本質(zhì)的理解。這種考查不是單獨(dú)的考查，而是以特定的學(xué)科內(nèi)容為背景。因而說(shuō)明某一知識(shí)缺乏科學(xué)本質(zhì)的片面認(rèn)識(shí)是不符合將科學(xué)本質(zhì)整合到課程中去的理念的。

［1］ 王茹.科學(xué)的本質(zhì)怎么教［J］.上海教育，2014（32）:48-50

［2］ 中國(guó)自然辯證法研究會(huì)化學(xué)化工專業(yè)組編.化學(xué)哲學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，1986

［3］ 顧曄.從“三序結(jié)合”視角研討人教版《化學(xué)1》的使用［J］.化學(xué)教學(xué)，2012（10）:13-15

［4］ W.C.丹皮爾.科學(xué)史［M］.北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社，2010

［5］ J.R.柏廷頓.化學(xué)簡(jiǎn)史［M］.北京:商務(wù)印書館，1979

1008-0546（2017）10-0038-03

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.013