蔣正靜 王紅艷 殷竟洲 李榮清 徐繼明 張 宇

(淮陰師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

近年來，各個(gè)高校都在陸續(xù)啟動各種專業(yè)認(rèn)證，師范專業(yè)也不例外。高校的師范專業(yè)，更加明確了OBE辦學(xué)理念，把培養(yǎng)有理想信念、有道德情操、有較扎實(shí)的學(xué)識、有仁愛之心的合格的人民教師作為本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)。我校作為一個(gè)以師范教育為特色的地方師范院校，已經(jīng)陸續(xù)開始了中學(xué)教育師范專業(yè)認(rèn)證工作，并以此為契機(jī)，進(jìn)一步提升師范教育的質(zhì)量。無疑，要成為一名合格的人民教師，具有較扎實(shí)的學(xué)識是一個(gè)基本的、必要的條件。2017版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，要以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，發(fā)展高中學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”、“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”五個(gè)方面的核心素養(yǎng)[1]。可見，要成為一名合格的中學(xué)化學(xué)教師任重道遠(yuǎn)。在近年的高考模式下，地處蘇北的高校、加上化學(xué)專業(yè)的社會認(rèn)知現(xiàn)狀，我校化學(xué)師范專業(yè)招收的學(xué)生中只有部分是高中選修化學(xué)的，他們在高中階段，大部分只學(xué)習(xí)了化學(xué)必修1、化學(xué)必修2[2,3]，化學(xué)基礎(chǔ)是比較薄弱的。在新的招生錄取形勢，高校化學(xué)教師，尤其是大一無機(jī)化學(xué)教師如何讓學(xué)生完成化學(xué)知識平穩(wěn)的過渡、有效的銜接，使學(xué)生更好地鞏固專業(yè)思想面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，要使師范專業(yè)學(xué)生的知識、能力、素養(yǎng)得到全面發(fā)展，給未來的學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的化學(xué)師資，必須充分了解高中化學(xué)教學(xué)要求、知識體系，研究其與大學(xué)課程的聯(lián)系、承啟關(guān)系，理解、把握高中化學(xué)內(nèi)容的“度”，讓師范生站在“教師”的高度，理解大學(xué)階段學(xué)習(xí)內(nèi)容與中學(xué)化學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系，經(jīng)過對比、分析，采取切實(shí)可行的應(yīng)對措施，實(shí)現(xiàn)大學(xué)與高中化學(xué)教學(xué)的有效銜接，保證化學(xué)課程學(xué)習(xí)體系的延續(xù)性和統(tǒng)一性。作為多年從事無機(jī)化學(xué)教學(xué)的一線教師，筆者僅對教學(xué)過程中，學(xué)生在無機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常遇到的而在中學(xué)化學(xué)中由于考慮學(xué)生的知識基礎(chǔ)不便說清的幾個(gè)知識點(diǎn)的銜接與過渡提一點(diǎn)體會。

1 可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡

在中學(xué)化學(xué)教材中，為了便于理解和掌握，通常說可逆反應(yīng)在一定條件下、進(jìn)行到一定程度時(shí)，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡[2]。在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中，首先要讓學(xué)生弄清楚究竟什么是可逆反應(yīng)，并不是說，既能向正向進(jìn)行又能向逆向進(jìn)行的反應(yīng)就是可逆反應(yīng)。在中學(xué)教材中，考慮到學(xué)生的知識背景和認(rèn)知水平，往往輕描淡寫，在描述時(shí)，強(qiáng)調(diào)“一定條件”，而作為師范專業(yè)學(xué)生，心里應(yīng)該明白這里的“一定條件”內(nèi)涵是什么？此處的“一定條件”實(shí)際上是指正逆處于“同一條件”下。例如，鉛蓄電池充放電反應(yīng)，反應(yīng)既能正向進(jìn)行又能逆向進(jìn)行，正、逆反應(yīng)條件都是一定的，但不是同一條件，所以該反應(yīng)不是可逆反應(yīng)；其次，可逆反應(yīng)必須是在封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，化學(xué)平衡狀態(tài)才能夠達(dá)成。如高中化學(xué)經(jīng)常用合成氨的例子供學(xué)生討論[4]：高溫高壓和催化劑存在下，氮?dú)鈿錃獍l(fā)生可逆反應(yīng)，反應(yīng)器中氨氣、氮?dú)?、氫氣總是同時(shí)存在的，因此很多學(xué)生就會有一連串的疑惑：合成氨工業(yè)是否只能采用間歇式反應(yīng)器，待一次反應(yīng)達(dá)平衡后再進(jìn)行下一次反應(yīng)？原料利用率一定很低了？生產(chǎn)效率一定很低吧？化肥一定很貴吧？而實(shí)際情況往往出乎意料，因?yàn)榉磻?yīng)器(合成塔)并不是封閉體系，而且反應(yīng)也沒有達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，產(chǎn)物不斷引出，未反應(yīng)掉的反應(yīng)物循環(huán)利用，反應(yīng)一直在進(jìn)行中，沒有“停滯”，實(shí)際生產(chǎn)效率高，原料利用率高，產(chǎn)品并不昂貴。再次，要讓學(xué)生明白化學(xué)平衡是熱力學(xué)概念，而反應(yīng)速率是動力學(xué)概念，盡管實(shí)驗(yàn)事實(shí)確實(shí)如上述描述，達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，但反應(yīng)速率并不在化學(xué)平衡討論范圍內(nèi)，化學(xué)平衡也不考慮達(dá)到平衡的時(shí)間問題。

2 化學(xué)平衡常數(shù)

中學(xué)化學(xué)教材中的化學(xué)平衡常數(shù)，只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡常數(shù)(或經(jīng)驗(yàn)平衡常數(shù))，多數(shù)情況下，其數(shù)值和單位(或量綱)會隨著濃度(或壓力)以及化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫(計(jì)量系數(shù))不同而不同。因?yàn)橹袑W(xué)化學(xué)中涉及到的化學(xué)平衡多為溶液中的反應(yīng)或單相反應(yīng)(如Δn=0的氣相反應(yīng))，不涉及多相反應(yīng)，所以數(shù)值、單位等不用過多考慮。在無機(jī)化學(xué)中，隨著接觸的化學(xué)反應(yīng)種類增加，同時(shí)為了計(jì)算、討論方便，引入了標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，其量綱為1，無論單相反應(yīng)還是多相反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)都是一個(gè)純數(shù)(數(shù)學(xué)上的真數(shù))，在后續(xù)的有關(guān)計(jì)算過程中，諸如對數(shù)運(yùn)算，才不會出現(xiàn)歧義。還要讓同學(xué)注意，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)與中學(xué)化學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)狀況的區(qū)別。標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定了溫度和壓力(273.15 K，101325 Pa)，而標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，如討論氣體時(shí)，只規(guī)定了壓力(pθ=100 kPa)，并沒有規(guī)定溫度，但很多同學(xué)會因?yàn)闊崃W(xué)數(shù)據(jù)表用的是298.15 K的數(shù)據(jù)，而誤認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)也規(guī)定了溫度。

3 金屬活動性與金屬性

很多同學(xué)一直分不清它們的區(qū)別和聯(lián)系。在學(xué)習(xí)了電極電勢后，從電極電勢看，鋰的電極電勢代數(shù)值是最小的，說明鋰的還原性是最強(qiáng)的[5]。中學(xué)教材中，學(xué)生學(xué)習(xí)了元素周期律后，經(jīng)常會討論為什么金屬性順序是鉀鈉鋰順序降低，從原子結(jié)構(gòu)知識，很容易加以解釋。于是就會產(chǎn)生疑惑，這似乎與大學(xué)的知識相矛盾？

有很多教師和同學(xué)對此都有探討[5,9,10]。筆者認(rèn)為讓學(xué)生從以下幾個(gè)方面理解，厘清思路，可能會更清晰、更易掌握一些：

第一、金屬性和金屬活動性討論的范疇、角度不同。金屬性是元素的性質(zhì)，是某元素原子的性質(zhì)，而金屬活動性是單質(zhì)的性質(zhì)，是大量原子通過特定方式形成的一個(gè)集體的性質(zhì)。

第二、決定強(qiáng)弱的因素及判斷強(qiáng)弱的依據(jù)不同。金屬性討論的是原子(不局限于金屬原子)在化學(xué)反應(yīng)中失去電子成為陽離子的傾向，主要由原子結(jié)構(gòu)決定，決定金屬性強(qiáng)弱的因素有原子的半徑、第一電離能、電子親和勢、電負(fù)性甚至產(chǎn)物的價(jià)態(tài)，其中，第一電離能最重要(顯然不是唯一)。故通常金屬性的強(qiáng)弱可以用金屬元素的電離能或電負(fù)性大小來衡量。由此，從第一電離能的數(shù)據(jù)，可知鉀、鈉的金屬性要比鋰強(qiáng)。金屬活動性是金屬單質(zhì)(一般不會討論非金屬)在稀酸或水中置換出氫氣(或熔融狀態(tài)下置換其他金屬)能力的一個(gè)定性描述。判斷金屬活動性大小的依據(jù)是金屬的半反應(yīng)對應(yīng)的電極電勢，影響其值大小的因素有氧化還原電對的本性(如金屬在水中離子化的傾向，強(qiáng)弱由升華能、電離能和水合能等決定)、濃度(壓力)、溫度、物質(zhì)(包括反應(yīng)物、產(chǎn)物等)的形態(tài)等。

第三、兩者的關(guān)系，通常情況下金屬性與金屬活動性大小是一致的，但有反常情況。金屬活動性顯然與構(gòu)成金屬的原子的性質(zhì)密切相關(guān)，金屬性強(qiáng)，金屬原子易失去電子，表現(xiàn)在整體上，金屬活動性就強(qiáng)。因金屬活動性不僅僅依賴于此，還與反應(yīng)物產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及反應(yīng)條件有關(guān)，綜合起來，出現(xiàn)反?，F(xiàn)象也就不奇怪了。例如，鋰的金屬性和金屬活動性就不一致，鋰的電極電勢除了與鋰原子結(jié)構(gòu)、金屬鋰的物理性質(zhì)有關(guān)，還與反應(yīng)的產(chǎn)物相關(guān)，因?yàn)長i有較小的原子半徑，易于水分子結(jié)合生成水合離子而釋放出較多的能量，這又抵消了因原子半徑小等不利因素，故鋰的電極電勢代數(shù)值最小[6]。

第四、金屬活動性與反應(yīng)的劇烈程度不一定完全一致，金屬活動性和反應(yīng)的劇烈程度無關(guān)。例如：如果按電極電勢高低來排列金屬活動性順序[2]，很快就會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，Ca的電極電勢比Na的小，活動性應(yīng)比Na強(qiáng)，但與水反應(yīng)Na更激烈，這似乎是矛盾的，作為師范專業(yè)的學(xué)生如何解決這個(gè)問題、完成過渡和銜接呢？首先必須讓學(xué)生明白，電極電勢是熱力學(xué)數(shù)據(jù)，表示熱力學(xué)的反應(yīng)活性，衡量反應(yīng)的趨勢或能力問題，與反應(yīng)速率無關(guān)，不能保證熱力學(xué)性質(zhì)與動力學(xué)性質(zhì)不發(fā)生矛盾，反應(yīng)趨勢(能力)大，不代表反應(yīng)一定能發(fā)生或反應(yīng)一定更加激烈；反應(yīng)速率不是熱力學(xué)性質(zhì)，與電極電勢大小無關(guān)。這就容易說明Ca活動性應(yīng)比Na強(qiáng)，活動性順序表中Ca在Na前。同理，銫與水反應(yīng)會爆炸，而鋰與水反應(yīng)很平和，不能誤認(rèn)為銫比鋰活潑。鋰的電極電勢代數(shù)值是最小的，因此，鋰仍是活動性最強(qiáng)的金屬說明鋰的還原性是最強(qiáng)的[6]。

4 金屬活動性順序與電極電勢

提起金屬活動性順序表，很多同學(xué)馬上就能熟練地背出：鉀鈣鈉鎂鋁……，然而這是基于中學(xué)生的知識背景與認(rèn)知水平的一個(gè)定性的說法，并不涉及反應(yīng)中離子的濃度問題。學(xué)習(xí)了無機(jī)化學(xué)，學(xué)生們應(yīng)該知道，金屬活動性順序表的依據(jù)就是標(biāo)準(zhǔn)電極電勢，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是在標(biāo)態(tài)下(溫度通常為298.15 K)的數(shù)據(jù)。例如，錫與鉛離子反應(yīng)，標(biāo)態(tài)下用錫與鉛離子溶液反應(yīng)，確實(shí)沒錯(cuò)：

標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)，E?=E?(Pb2+/Pb)-E?(Sn2+/Sn)=-0.126V-(-0.136V)=0.010V > 0

反應(yīng)自發(fā)向右進(jìn)行。即，錫可以置換鉛。

然而，當(dāng)非標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)，如鉛離子濃度降低時(shí)到一定程度時(shí)，反應(yīng)可能逆轉(zhuǎn)。通常情況下自然會想到用電極電勢或電池電動勢來解釋。例如當(dāng)鉛離子濃度是錫離子濃度的十分之一時(shí)，則：

E=E(Pb2+/Pb)-E(Sn2+/Sn)

E=-0.019V < 0

所以上述反應(yīng)的方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，即錫不能置換鉛。

有些金屬可以在酸度很小的時(shí)候，就能將氫氣置換出來，有些金屬在酸的濃度較稀的時(shí)候幾乎看不到反應(yīng)的發(fā)生，當(dāng)酸的濃度增大時(shí)，則反應(yīng)可明顯地進(jìn)行，有的同學(xué)就會好奇，如果用金屬銅與鹽酸反應(yīng)，增加鹽酸的濃度是否反應(yīng)也能進(jìn)行呢？即反應(yīng)：Cu+2H+=Cu2++H2能否正向進(jìn)行？可以應(yīng)用電極電勢的知識加以解釋：

Cu+2H+=Cu2++H2

(+)2H++2e-=H2(-)Cu -2e-=Cu2+

E=E(H+/H2) -E(Cu2+/Cu)

=0+0.059 lgc(H+)-0.34-0

=-0.34+0.059lgc(H+)≥0

lgc(H+)≥5.76

c(H+)≥5.79×105(mol·L-1)

通過有關(guān)計(jì)算看出，要使該反應(yīng)發(fā)生，鹽酸的濃度最少達(dá)到約5.79×105mol·L-1，顯然，這個(gè)反應(yīng)條件無法滿足，通常是不會發(fā)生的。實(shí)際情況是，濃鹽酸濃度約為12 mol·L-1，因此，依理論計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論：該反應(yīng)實(shí)際上不可能進(jìn)行。但是，作為師范生，要認(rèn)識到，金屬銅與鹽酸不反應(yīng)，這一結(jié)論也不是絕對的，當(dāng)產(chǎn)物的形態(tài)發(fā)生變化時(shí)，金屬的電極電勢會發(fā)生改變，如：在濃鹽酸中，加熱，當(dāng)產(chǎn)物為配酸時(shí)，降低了銅的電極電勢，則金屬銅與濃鹽酸的反應(yīng)：Cu+6HCl=2H2[CuCl3]+H2，也是可以發(fā)生的。

嚴(yán)格地說，金屬活動性順序適用于水溶液，對非水溶液體系、高溫固相反應(yīng)等體系往往不適用。

拓展一下，學(xué)生們自然會聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)室用二氧化錳與鹽酸反應(yīng)制取氯氣的反應(yīng)，在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，老師一定會強(qiáng)調(diào)鹽酸必須是濃鹽酸。同樣的反應(yīng)物，為什么要濃鹽酸可以而稀鹽酸不行呢？師范專業(yè)的大學(xué)生要清楚地解決這個(gè)問題，還是從電池電動勢入手，通過能斯特方程進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，問題迎刃而解。

E?(MnO2/Mn2+)=1.2293V

E?(Cl-/Cl2)=1.360V

標(biāo)態(tài)時(shí)：

E?=E?(MnO2/Mn2+) -E?(Cl-/Cl2)

=1.2293V -1.360V=-0.131V<0

所以，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)不能進(jìn)行。

當(dāng)用濃鹽酸時(shí)(濃度以12 mol·L-1記)，則：

=1.36V

=1.30V

E=E(MnO2/Mn2+)-E(Cl-/Cl2)

=1.36V-1.30V

=0.06V>0

所以，二氧化錳與濃鹽酸反應(yīng)可以發(fā)生。

5 電解質(zhì)與電離

6 鍵的極性與分子的極性

很多同學(xué)在中學(xué)階段只學(xué)習(xí)過化學(xué)必修1和必修2，沒有學(xué)習(xí)過物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這部分內(nèi)容，對于雙原子分子，根據(jù)化學(xué)鍵的極性對分子的極性進(jìn)行判斷，化學(xué)鍵有極性則分子就有極性，化學(xué)鍵是非極性的分子就是非極性分子，沒有問題。但是，對于多原子分子極性的判斷，面臨很大的困難。如何確定正負(fù)電荷重心是否重合，進(jìn)而判斷分子的極性？對于以極性鍵結(jié)合的多原子分子，在中學(xué)選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材中，強(qiáng)調(diào)要根據(jù)分子的幾何構(gòu)型進(jìn)行判斷，在無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，通過雜化軌道理論或價(jià)層電子對互斥理論，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，根據(jù)分子的對稱性，也可以進(jìn)行基本的判斷。對于非極性鍵結(jié)合的多原子分子，往往想當(dāng)然認(rèn)為其必然是非極性分子，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，如在判斷臭氧分子極性時(shí)，大部分同學(xué)就陷入迷茫，按中學(xué)教學(xué)內(nèi)容，相同原子O形成的化學(xué)鍵為非極性鍵，所以，由非極性鍵結(jié)合形成的分子，理所應(yīng)該是非極性分子，而無機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中，得知臭氧為極性分子，覺得匪夷所思。通過分析臭氧分子的結(jié)構(gòu)看出，臭氧分子為V形，處于中心位置的O原子上孤電子對與兩側(cè)氧原子上的孤電子對產(chǎn)生的偶極并不能完全抵消，整個(gè)分子的正負(fù)電荷重心不能重合，同時(shí)分子中的離域π鍵的貢獻(xiàn)，使得分子具有極性且比較穩(wěn)定。當(dāng)然這是唯一一個(gè)有極性的單質(zhì)分子，是個(gè)特例。這就讓學(xué)生形成一個(gè)新的概念，并不是由非極性鍵結(jié)合的分子就一定是非極性分子[7]。

7 化合價(jià)與氧化數(shù)

在初中化學(xué)里就學(xué)習(xí)了化合價(jià)的概念，是根據(jù)化合物中不同元素原子數(shù)目比值關(guān)系總結(jié)出的數(shù)值。由化合價(jià)的概念知道，化合價(jià)只能取整數(shù)，隨著接觸的物質(zhì)種類的增多，計(jì)算化合價(jià)就遇到了困難，即使是四氧化三鐵這樣的常見物質(zhì)，也無法用化合價(jià)的概念去解釋鐵的化合價(jià)。對無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，引入了氧化數(shù)的概念，是對化合價(jià)概念的科學(xué)的修正和發(fā)展，讓學(xué)生用發(fā)展的眼光研究化學(xué)問題是十分必要的。

8 結(jié)語

無機(jī)化學(xué)是化學(xué)師范專業(yè)第一門專業(yè)主干課程，與中學(xué)化學(xué)聯(lián)系最為密切。地方高校化學(xué)師范專業(yè)學(xué)生，由于知識背景的限制，基礎(chǔ)相對薄弱，對知識的理解和掌握易僵化，教條，做好中學(xué)化學(xué)與大一無機(jī)化學(xué)知識的過渡與銜接，非常必要。通過幾個(gè)重要知識點(diǎn)的分析探討，提出了相應(yīng)的解決方法。