孫立新

摘要：根據高中化學教材（人教版）中提供的圖表數據資料作分析和探討，闡述如何指導學生分析數據、質疑數據、探索數據之間的關系等教學過程，為如何利用和挖掘教材中圖表數據的內涵，進一步落實化學學科核心素養(yǎng)提供了教學實例。

關鍵詞：中學化學教學;圖表數據內涵;化學學科核心素養(yǎng)

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）中指出：學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。高中化學學科核心素養(yǎng)是高中發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學生綜合素質的具體體現，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了化學課程學習對學生未來發(fā)展的重要價值。

中學化學教材（人教版）中提供了不少的圖表數據，這些數據反映了化學物質之間的何種關系，向我們展示了化學物質的哪些本質，需要引起我們的關注。讓學生了解這些數據所包含的內涵，探索這些數據之間的關系，從而了解物質的性質，對學習化學具有非常重要的意義。查閱有關資料，關于在中學化學課堂教學過程中，如何開展圖表數據的教學探討，落實化學學科核心素養(yǎng)的文章并不多見。范雷軍[1]曾對教材中數據類圖表的教學進行過初步探討，認為利用數據型圖表有利于培養(yǎng)學生的化學素養(yǎng)，并提出利用數據型圖表的基本要求。占小紅[2]等對化學教材中圖表的認知難度也進行了分析和評價。

我們認為，高中化學教材（人教版）中圖表數據的教學蘊含著豐富的內涵，其包括數據的查找、數據的推理、數據的內在規(guī)律、數據的質疑等多方面，在培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)方面有很重要的價值和意義。

本文就如何利用教材中提供的有關圖表數據，在“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”以及“科學探究與創(chuàng)新意識”等三方面落實化學學科的核心素養(yǎng)，談談我們的做法和看法。

1 挖掘圖表數據內涵，落實“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)教育

新課標關于“宏觀辨識與微觀探析”的教學要求是：能從元素和原子、分子水平認識物質的組成、結構、性質和變化，形成“結構決定性質”的觀念;從不同層次認識物質的多樣性等。如何從教材中所給出的圖表、數據等方面來落實“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)教育？我們認為可從以下幾方面來落實。

1.1 學會查找數據

我們在選修3教材（人教版）中學習了金屬晶體的堆積方式，了解了金屬鈉是一種“體心立方堆積”后，不妨根據教材中提供的有關數據來計算一下鈉的原子半徑或密度大小，以此來慢慢感受查找數據、利用數據并用數學方法來處理數據的一般過程。

我們在必修2教材[3]（人教版）中查得鈉的密度為0.97g/cm3，用這個數據來計算鈉原子的半徑會是多少？計算如下：

而我們在必修2教材[4]（人教版）可查得鈉原子的半徑為186pm。顯然，計算結果與實驗結果高度一致！是不是很神奇？

1.2 學會利用數據進行推理與論證

類似地，我們還可以根據選修3教材[5]（人教版）中提供的鈉離子半徑、銫離子半徑以及氯離子半徑來計算氯化鈉、氯化銫的密度，并證明氯化銫的配位數是8而不是6。

1.2.1 計算氯化鈉、氯化銫的密度

我們從教材中查得鈉離子半徑為95pm，銫離子半徑為169pm，氯離子半徑為181pm。 NaCl的晶胞和CsCl的晶胞如圖1、圖2所示。

我們知道，NaCl晶胞中有4個Na+和4個Cl-;晶胞的棱長應是Na+和Cl-的直徑之和，即：晶胞的棱長=（95pm+181pm）×2=552pm。

所以，NaCl晶體的密度=4×（23+35.5）/〔6.02×1023×（552pm）3〕

=234g/101.25cm3

=2.31g/cm3

實際上，NaCl晶體的密度為2.165g/cm3。計算結果與實驗結果是不是相差不大？在化學學科里，這兩個數據我們可認為近似相等。

氯化銫的密度呢？我們也可以計算。從圖2中可以看出：每個CsCl的晶胞只有1個Cs+和1個Cl-;該晶胞的體對角線長應是Cs+和Cl-的直徑之和，即：晶胞的棱長=（169pm+181pm）×2÷3=404.2pm。

所以，CsCl晶體的密度=（133+35.5）/〔6.02×1023×（404.2pm）3〕

=168.5g/39.74cm3

=4.24g/cm3

比實際值3.984g/cm3也要略大些，當然，我們也可以近似地認為它們是相等的。

上述兩個計算結果都比實驗值略大。這是什么原因？原來，計算的結果只能是晶胞在“無隙并置”時的理想結果，而實際的NaCl晶體由晶胞“并置”時，并不是“無隙”的，而是常常留下“間隙”。也就是說，氯化鈉固體是由許多數目不定的晶胞組成的“集體”構成的，這些“集體”與“集體”之間一定會有一些很小的“空間”，正是由于這些很小“空間”的存在，才導致了理論值（也就是計算值）比實驗值（也就是實際值）偏大。當然，我們在使用NaCl晶體的密度時要用其實驗值，而不是理論值！

1.2.2 證明氯化銫的配位數是8而不是6

如果我們假定CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式相同，那么此時CsCl晶體密度的理論計算值又會是多少？

仿照上述NaCl晶體密度的計算式，不難算出CsCl晶體的密度

=4×（133+35.5）/〔6.02×1023×（2×169pm+2×181pm）3〕

=674g/206.5cm3=3.26g/cm3

此時的理論值比實際值3.984g/cm3要小得多，這是不符合實際情況的。這是不是可以證明CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式不同呢？當然可以證明！

至此，學生的疑惑也就迎刃而解了。

1.3 “質疑”數據，是學習和思考過程中的一種思維習慣

1.3.1 養(yǎng)成關注教材中所給數據的習慣，是學習和思考過程中的一種思維方式

教材中給出的數據有許多，如果我們留意觀察，有時會發(fā)現同一種物質的同一種數據有時會有些不同，這是什么原因？

其實這是一種正常的現象，因為化學數據都是實驗數據。不同的人，測定方法不同，所得的數據是不同的;不同的人，即使方法相同，所測得的數據也可能是不同的。當然，即使是同一個人，用同一種方法測定，其結果也可能是不同的，也正是這個原因，我們在做定量實驗的時候，都必須做至少三次。例如，我們做酸堿中和實驗，用已知濃度的酸溶液滴定未知濃度的堿溶液時，我們至少應做三次實驗，若這三次實驗的數據相差不大，在實驗的誤差范圍內，我們就可以不再重新實驗了;若有一個數據與其他兩個數據相差較大，不在誤差范圍內，我們就必須繼續(xù)實驗，且要找到那個誤差較大的數據產生的原因，否則，我們這次“中和滴定實驗”就是失敗的實驗。

同樣，科學家們的實驗方法不同，實驗儀器不同，所取的實驗材料不同等等，他們所測得的實驗數據也是不同的。比如：《物質結構與性質》教材（人教版）的第80頁有NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔點分別為993℃、 801℃、 747℃、 661℃;而在該教材的第85頁卻指出它們的熔點分別為995℃、 801℃、 775℃、 651℃。我們不難發(fā)現這兩處的熔點是不同的，特別是NaBr的熔點竟相差28℃。

為什么會出現這樣的情況呢？顯然，這兩處的數據應該是引自不同的資料，在同一本書中引用兩種不同的數據應是不可取的，我們以后在用“數據”做推理或者做證據時，必須用同一個資料上的數據，否則，我們的推理或論證就會缺少科學的嚴謹性和說服力。

1.3.2 “質疑”數據要有理有據，也是學習和思考過程中的一種思維方式

當然，教材中給出的數據，都是科學工作者用實驗的方法測得的，得到了絕大多數其他科學工作者的認可，到目前為止，這些數據應該是大家公認的數據。隨著科學技術的不斷發(fā)展、科技手段的不斷更新，有些數據有可能會有更新，因此，教材中給出的某些數據，我們是可以質疑的。就像上述NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔點一樣，有著明顯的差異，我們能不懷疑嗎？

又如，選修4教材[6]（人教版）第43頁給出了H2S的電離常數，分別為K1=1.3×10-7，K2=7.1×10-15，它們相差108倍，其他多元酸的K1與K2相差都在104左右，H3PO4的K2、 K3也是相差104左右，我們是不是應該“質疑”它？我們可以用我們所學的知識來判斷它是否合理。

第一種證法是利用上述數據，計算常溫下0.1mol/L硫化鈉溶液中硫離子的濃度，我們會發(fā)現硫化鈉溶液幾乎完全水解，也就是幾乎可以認為沒有硫化鈉溶液，或者說0.1mol/L硫化鈉溶液幾乎是不存在的。

從上述兩種證明，都可以說明H2S的電離常數K2=7.1×10-15是可以懷疑的，也是值得懷疑的！它應該是多少呢？怎樣測得這個數值呢？需要我們每一個有興趣的同學努力學習，積極思考。

2 挖掘圖表數據內涵，落實“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)教育

新課標關于“科學探究與創(chuàng)新意識”的教學要求是：認識科學探究是進行科學解釋和發(fā)現、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動;能發(fā)現和提出有探究價值的問題;能從問題和假設出發(fā)，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究;能和同學交流實驗探究的成果，提出進一步探究或改進的設想;養(yǎng)成獨立思考、敢于質疑和勇于創(chuàng)新的精神。

教材中給出了不少的實驗數據，比如烷烴、烯烴的沸點數據，直鏈一元醇的熔點、沸點數據，堿金屬鹵化物的晶格能數據等等，卻沒有給出任何相關的規(guī)律。那么這些數據之間有無規(guī)律可循？或者說這些數據之間有沒有什么內在的聯系呢？其實，有興趣的教師或學生是可以作些探索的。

例如，我們在講烷烴的物理性質時，教材中給出了甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷的沸點數據：-164、 -88.6、 -42.1、 -0.5、 36.1（℃），我們查找有關資料，還得到了正己烷等的沸點：68.9、 98.4、 125.7、 150.8、 174（℃）。這幾個數據之間有沒有什么聯系呢？大家都知道：結構和性質相似的物質，相對分子質量越大，其沸點會越高。也就是說，這些烷烴的沸點與它們的相對分子質量會不會有定量的關系呢？這是我們可以探索的規(guī)律。當我們計算了它們的絕對溫度后，發(fā)現它們之間還真存在著某種聯系。

通過描點法，我們發(fā)現這些絕對溫度數據與碳原子個數成近似拋物線的關系。于是我們提出了一個簡單的經驗公式，即：T2=ax+b，式中T為直鏈烷烴的沸點，x為碳原子的個數，a、 b為常數。我們通過計算，確定a=20885.41，b=-8739.39。計算結果如表1所示。我們可以看出實驗值與計算值較吻合。

我們從表中的計算結果不難發(fā)現：影響直鏈烷烴沸點的決定因素是相對分子質量，也就是范德華力;除了范德華力之外，還有其他因素（色散力、誘導力等），但這些因素都不是主要因素，對直鏈烷烴的沸點的影響不大。所以，我們在中學階段比較分子晶體的熔點、沸點的大小時，一般只需要比較相對分子質量就可以了（含有氫鍵的分子其熔、沸點主要由氫鍵決定）。

我們還可以通過分析上述提出的計算公式，不難得出這樣的結論：對直鏈烷烴的熔沸點大小起決定作用的是其相對分子質量。

3 挖掘圖表數據內涵，落實“證據推理與模型認知”的核心素養(yǎng)教育

新課標關于“科學探究與創(chuàng)新意識”的教學要求是：要有證據意識;初步學會收集各種證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設;基于證據進行分析推理，證實或證偽假設;能解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論需要的證據和尋找證據的途徑。

選修3教材[7]（人教版）中提供了一些鍵能、鍵長的數據，怎樣應用這些數據呢？現摘錄一些加以說明（見表2）。

一般地，單鍵為σ鍵，雙鍵中有一個σ鍵，另一個為π鍵，叁鍵中只有一個σ鍵，另外兩個為π鍵。按照這個規(guī)律，再根據表中CC、 CC、 CC的鍵能大小，我們不難得出一個結論：碳碳鍵中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能小得多。

因為CC中一個σ鍵的鍵能和一個π鍵的鍵能之和為615kJ/mol，而CC的鍵能為347.7kJ/mol;

又因為CC的鍵長比CC的鍵長要短，因此，CC中σ鍵的鍵能應比CC中σ鍵的鍵能大。

也就是說CC中π鍵的鍵能比σ鍵的能量要小得多！所以我們在有機化學的學習過程中介紹：CC易發(fā)生加成反應完全合乎情理。

于是，有不少人就根據OO和OO的鍵能大小以及NN、 NN、 NN的鍵能大小得出另一個結論：氧氧鍵和氮氮鍵中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能大得多。

其實這個結論是不正確的！因為OO和OO以及NN、 NN、 NN的鍵長是不同的，也就是“電子云的重疊程度是不同的”，因而OO和OO以及NN、 NN、 NN中σ鍵的鍵能也是不同的?？梢韵胂螅琋N的鍵長是最短的，σ鍵電子云的重疊是最多的，也就是NN 中的σ鍵的鍵能最大。不妨以NN 和NN的鍵能大小來作說明。

設NN中σ鍵鍵能為E1，NN中σ鍵的鍵能為E2，π鍵的平均鍵能為Eπ，則有

Eπ是否一定大于193kJ/mol呢？至少在數學上是不能確定的！當然，我們也不能確定NN中π鍵的鍵能與σ鍵的鍵能大小，也就不能確定Eπ和E2的大小。而碳碳鍵中的σ鍵能大小和π鍵鍵能大小就沒有這種情況。

另外，我們還可以用OO和OO的鍵能數據來定性地推理：因為OO的鍵能為497.3kJ/mol，OO的鍵能為142kJ/mol，若OO中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能大，則OO 中σ鍵比π鍵更易斷裂，也就是說，鈉與O2（當然，我們這里是將O2的結構當作是OO）反應生成過氧化鈉時斷裂的是σ鍵而不是π鍵，即過氧化鈉中的氧氧鍵是π鍵而不是σ鍵！這當然是不可以的。所以OO 中π鍵的鍵能大于σ鍵的鍵能是錯的！

在中學化學教學過程中落實化學學科核心素養(yǎng)是大勢所趨，而“化學數據”的處理，包括實驗“數據”的處理，利用“數據”的證實或證偽，利用“數據”探索物質的結構、性質等都是化學教學的一個重要組成部分，甚至可以說沒有“數據”的證明是蒼白的證明！為此，我們在“數據”處理方面有了上述如是做法和看法，與大家共享。

參考文獻：

[1]范雷軍. 人教版高中化學新教科書中數據類圖表初探[J]. 現代中小學教育，2006，（5）：24～26.

[2]占小紅，周少江. 化學教材圖表認知難度分析量表的設計及應用[J]. 化學教學，2015，（4）：12～16.

[3][4]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2[M]. 北京：人民教育出版社，2004：5，7.

[5][7]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·物質結構與性質[M]. 北京：人民教育出版社，2004：31～32.

[6]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M]. 北京：人民教育出版社，2004：43.