◇ 江西 呂良艷

王軍翔老師在“以‘思維發(fā)展’為核心構(gòu)建中學(xué)化學(xué)教學(xué)的‘理’與‘實(shí)’”一文中強(qiáng)調(diào)：“思維發(fā)展”是化學(xué)教學(xué)的核心.學(xué)生的思維發(fā)展包括學(xué)科內(nèi)思維和學(xué)科間思維兩個(gè)部分，運(yùn)用學(xué)科內(nèi)思維解決問題，學(xué)生更容易理解，由于“學(xué)科本位”導(dǎo)致的學(xué)科知識(shí)間的隔閡、高中階段化學(xué)知識(shí)特點(diǎn)等原因，學(xué)生不善于運(yùn)用其他學(xué)科知識(shí)解決化學(xué)問題.例如，學(xué)生在解決與物理中電學(xué)知識(shí)相關(guān)的化學(xué)問題時(shí)，往往只會(huì)從化學(xué)學(xué)科的角度去分析問題、解決問題.實(shí)際上，運(yùn)用物理學(xué)中的電學(xué)知識(shí)分析某些化學(xué)問題，可使邏輯更嚴(yán)密，思維更清晰.“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組提出的化學(xué)核心素養(yǎng)之一.“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)包括能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.化學(xué)學(xué)習(xí)過程應(yīng)以化學(xué)知識(shí)作為構(gòu)建假設(shè)的基礎(chǔ)，依據(jù)物質(zhì)及其變化的相關(guān)信息建構(gòu)模型，運(yùn)用模型對化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行解構(gòu)，達(dá)到認(rèn)知物質(zhì)世界的基本目標(biāo).

在教學(xué)過程中，判斷離子半徑的大小、原電池為什么能加快化學(xué)反應(yīng)速率、分子構(gòu)型的判斷、電化學(xué)中離子移動(dòng)的方向等是中學(xué)化學(xué)中的疑難問題，學(xué)生很容易出錯(cuò).本文嘗試通過建構(gòu)物理模型，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角對以上問題進(jìn)行分析探討，使抽象的問題具體化、復(fù)雜的問題簡單化，加深學(xué)生對知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng).

1 離子半徑的比較類模型

對電子層數(shù)相同的簡單離子半徑進(jìn)行比較時(shí)，教師通常采取定性的方式進(jìn)行解釋：電子層數(shù)相同，微粒所帶電荷數(shù)越多，原子核對最外層電子引力越大，離子半徑越小.這樣會(huì)讓學(xué)生混淆離子半徑和原子半徑，如認(rèn)為r（Na+）＞r（O2-）.

圖1為離子半徑比較的模型.q1 代表原子核所帶的正電荷，q2代表離子最外層的電子.原子核和最外層電子之間距離為r，原子核對最外層電子的靜電作用為F，由庫侖定律可知對于相同電子層的微粒而言，F(xiàn) 與q1成正比，F(xiàn) 越大，對最外層電子的吸引力越大，微粒半徑就越小.Na+原子核內(nèi)有11個(gè)正電荷，O2-原子核內(nèi)有8 個(gè)正電荷，由于F（Na+）＞F（O2-），最外層電子被吸得更緊，故r（Na+）＜r（O2-）.同理可快速判斷出：r（N3-）＞r（O2-）＞r（F-）＞r（Na+）＞r（Mg2+）.

圖1 微粒半徑比較的物理模型

2 原電池加快化學(xué)反應(yīng)速率模型

為什么原電池可以加快化學(xué)反應(yīng)速率呢？將Zn棒插入稀硫酸溶液符合金屬的“溶解—析出”平衡：由于極性水分子和離子的相互吸引，Zn將電子留在鋅棒上，鋅以［Zn（H2O）6］2+形 式 進(jìn) 入 溶 液 中，當(dāng)［Zn（H2O）6］2+慢慢擴(kuò)散后，受到同種電荷排斥的影響，溶液中H3O+慢慢進(jìn)入鋅棒得到電子變成H2.1889年，德國化學(xué)家能斯特（H.W.Nernst）提出了雙電層理論，用以說明金屬及其鹽溶液之間電勢差的形成和原電池產(chǎn)生電流的機(jī)理.在Zn-Cu-硫酸組成的原電池中，Zn在鋅棒上失去電子變成Zn2+，Zn2+與極性水分子結(jié)合進(jìn)入溶液中，電子留在鋅棒上，其物理模型如圖2.Zn棒上的電勢ψ＜0，Cu棒上的電勢ψ=0，電子由低電勢流向高電勢，由Zn棒經(jīng)外電路流向Cu棒.受Zn2+排斥和正極電子吸引的影響，H3O+移到Cu 棒上得電子產(chǎn)成H2逸出.形成原電池后，H3O+在正極與電子結(jié)合的阻力遠(yuǎn)小于直接在鋅棒上的電子的阻力，所以原電池可以起到加快化學(xué)反應(yīng)速率的作用.

圖2 Zn—Cu原電池原理物理模型

3 分子構(gòu)型判斷模型

學(xué)生在學(xué)習(xí)判斷分子的形狀時(shí)，通常是采用死記硬背的方式識(shí)別分子的形狀，如CH4為正四面體形、NH3為三角錐形、H2O 為角形或V 形.在共價(jià)微粒中，中心原子周圍電子對所占的空間盡可能采用使其本身受到的靜電排斥最小的構(gòu)型，即盡可能地使中心原子周圍的各電子對的距離達(dá)到最大，這樣電子對的排斥力會(huì)更小，微粒更穩(wěn)定.

例如，當(dāng)氧族元素作為配位原子時(shí)，可以理解為形成的是配位鍵，不提供電子.如中心原子有4對電子，4對電子到中心原子的距離相等，排斥力最小的理想構(gòu)型為正四面體形，建構(gòu)模型如圖3.當(dāng)其中有1對孤電子對時(shí)，其理想構(gòu)型演變?yōu)槿清F形；如果有2 對孤電子對時(shí)，其理想構(gòu)型演變?yōu)閂 形；如果有3對孤電子對時(shí)，其理想構(gòu)型演變?yōu)橹本€形.如CH4中4 個(gè)C—H 鍵完全相同，即甲烷為正四面體形分子，共用電子對排斥力最小，H—C—H 的夾角都為109°28′.由于NH3中N 原子有1對孤電子對，孤電子對和成鍵電子對之間的排斥力大于成鍵電子對和成鍵電子對之間的排斥力，受孤電子對影響，因此NH3的空間構(gòu)型為三角錐形，測得 H—N—H 的夾角減小到107°18′.H2O 分子 含有2 對孤電子 對，因此H2O 的空間構(gòu)型為V 形，測得H—O—H 的夾角為104°30′.電子對之間的排斥力大小順序?yàn)椋汗码娮訉凸码娮訉Γ竟码娮訉统涉I電子對＞成鍵電子對和成鍵電子對，導(dǎo)致H—C—H 的夾角＞H—N—H 的夾角＞H—O—H 的夾角.

圖3 4對電子排斥的理想模型

4 電化學(xué)離子移動(dòng)模型

電化學(xué)裝置主要有電解池和原電池兩種裝置，電化學(xué)溶液中陽離子、陰離子的移動(dòng)問題是學(xué)生理解的難點(diǎn)，學(xué)生容易混淆原電池中的離子移動(dòng)和電解池中的離子移動(dòng).

4.1 電解池離子移動(dòng)模型

接電源正極的為陽極，接電源負(fù)極的為陰極.電解過程中，電子由電源負(fù)極流向陰極，陰極上帶有大量的負(fù)電荷，電子由陽極流向正極，陽極帶有大量的正電荷（如圖4）.陽極帶正電，陰極帶負(fù)電，把陽極和陰極看成電容器的兩個(gè)電極板，兩極板之間形成了一個(gè)電容器，存在電勢差，陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng).如電解CuCl2溶液，溶液中的Cu2+、H+、Cl-、OH-處于電容器的中間，受到電勢差的影響，Cu2+、H+向陰極移動(dòng)，Cl-、OH-向陽極移動(dòng).

圖4 電解池離子移動(dòng)的物理模型

4.2 原電池離子移動(dòng)模型

在原電池裝置中，負(fù)極失電子后產(chǎn)生的陽離子會(huì)進(jìn)入負(fù)極附近溶液，負(fù)極產(chǎn)生的電子會(huì)經(jīng)外電路流向正極，正極帶有較多的負(fù)電荷（如圖5）.將正極和負(fù)極看成電容器的兩個(gè)電極板，兩極板之間形成了一個(gè)電容器，存在電勢差，陽離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng).如Zn-Cu-硫酸組成的原電池中，產(chǎn)生的Zn2+在負(fù)極附近，和正極形成一個(gè)電容器，溶液中的離子受電勢影響，Zn2+和H+向正極移動(dòng)，和OH-向負(fù)極移動(dòng).

圖5 原電池離子移動(dòng)的物理模型

物理知識(shí)與化學(xué)知識(shí)的相互滲透與融合，能有效拓展學(xué)生觀察事物的視角和思考問題的空間，提升學(xué)生的思維品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng).依據(jù)物質(zhì)變化的內(nèi)在規(guī)律作出模型假設(shè)和模型建構(gòu)的能力能幫助學(xué)生建立解決化學(xué)問題的基本框架，由此實(shí)現(xiàn)“從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)事物和解決問題的思想、方法、觀點(diǎn)”的化學(xué)學(xué)科價(jià)值.運(yùn)用物理思維解決化學(xué)問題是一種具有創(chuàng)造性的思維模式.通過建構(gòu)恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，建立化學(xué)重難點(diǎn)和物理模型之間的關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生把所學(xué)物理知識(shí)用于解決化學(xué)問題，有利于促進(jìn)學(xué)生自身的科學(xué)知識(shí)體系全面發(fā)展，使其更好地適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求.