岳敏

摘要： 提出一種金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣成分判定的量化模型，通過(guò)直觀的圖示模型演示不同量金屬和鹽溶液的反應(yīng)，過(guò)程完整，邏輯清晰，生成物一目了然。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)的單元練習(xí)正確率明顯提升，驗(yàn)證了該模型能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。該方法易學(xué)易用，有效培養(yǎng)了學(xué)生的量化分析能力。

關(guān)鍵詞： 金屬活動(dòng)性; 置換反應(yīng); 圖示教學(xué); 量化模型

文章編號(hào)： 10056629（2022）06008505

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 研究背景

化學(xué)學(xué)科是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門學(xué)科。但初中化學(xué)的學(xué)習(xí)存在時(shí)間短、入門淺的特點(diǎn)，很多實(shí)驗(yàn)僅限于規(guī)范操作、觀察表象，對(duì)于歸納總結(jié)規(guī)律和理解反應(yīng)原理幫助不大。當(dāng)后期教學(xué)涉及到反應(yīng)本質(zhì)和量化實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生缺乏理論支持，量化實(shí)驗(yàn)難以完成。面對(duì)這些困難，教師需要深入思考如何在學(xué)生已有的認(rèn)知起點(diǎn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法，盡量把抽象的理論模型化、圖像化，從而能夠較為直觀地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難心理。同時(shí)，教師更應(yīng)思考如何在教學(xué)中把知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)邏輯化，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，構(gòu)建化學(xué)學(xué)科思維，為高一層次的深度學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。深度學(xué)習(xí)的特征之一是聯(lián)想與結(jié)構(gòu)，指的是經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的相互轉(zhuǎn)化，涉及的就是教學(xué)內(nèi)容問(wèn)題。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)整合和意義聯(lián)結(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使得知識(shí)具有情境化、整體化和結(jié)構(gòu)化的特征，從而有利于學(xué)生認(rèn)知的整體建構(gòu)以及知識(shí)遷移能力的形成。

在金屬活動(dòng)性順序的應(yīng)用中，金屬與鹽溶液的反應(yīng)是初中化學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于簡(jiǎn)單的一種金屬和一種鹽溶液是否反應(yīng)，可以通過(guò)宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以判斷，但其反應(yīng)后的產(chǎn)物，與反應(yīng)物的量和反應(yīng)程度相關(guān)，初中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件就難以證明了。當(dāng)涉及結(jié)合較復(fù)雜反應(yīng)條件的兩類題型（第一類是一種金屬和多種鹽溶液反應(yīng)，另一類是多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)），要構(gòu)建反應(yīng)物的量與反應(yīng)先后的邏輯鏈，推導(dǎo)出最終的濾液濾渣成分，就亟需借助直觀的輔助模型來(lái)幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)。該知識(shí)點(diǎn)的傳統(tǒng)教學(xué)方法通常是讓學(xué)生以金屬與鹽溶液的反應(yīng)順序結(jié)合化學(xué)方程式為理論基礎(chǔ)，然后根據(jù)在生成的濾液或?yàn)V渣中滴加足量的稀鹽酸產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)推定生成物的成分。以Zn和AgNO3、 CuSO4溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Cu>Ag，存在反應(yīng)Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag（先）、 Zn+CuSO4ZnSO4+Cu（后），如在濾液中滴加稀鹽酸有白色沉淀生成，則濾液中一定有AgNO3，從而推斷加入的Zn少量，濾液中有未反應(yīng)完的AgNO3、 CuSO4和反應(yīng)生成的Zn（NO3）2，濾渣中只有少量置換出的Ag;如在濾渣中滴加稀鹽酸有氣泡生成，則濾渣中一定有Zn，從而推斷加入的Zn過(guò)量，濾液中的AgNO3、 CuSO4已全部反應(yīng)完，只有反應(yīng)生成的Zn（NO3）2，濾渣中有全部置換出的Ag和Cu，以及過(guò)量的Zn。該方法學(xué)生理解起來(lái)相當(dāng)困難，判斷生成物經(jīng)常錯(cuò)、漏。而且這種講解方式只覆蓋了加入的金屬少量和過(guò)量?jī)煞N情況，存在反應(yīng)過(guò)程不明確、知識(shí)體系不完整的缺點(diǎn)，不利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的深化培養(yǎng)。因此，如果能設(shè)計(jì)一種針對(duì)金屬與鹽溶液反應(yīng)的直觀模型，可以幫助學(xué)生加深理解、快速掌握這類反應(yīng)的習(xí)題解法。

如何將溶液中看不見(jiàn)摸不著的溶質(zhì)可視化，如何把微觀的化學(xué)反應(yīng)精準(zhǔn)量化，使實(shí)際化學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)下充分反應(yīng)后的溶質(zhì)和濾渣的判斷直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，是本文設(shè)計(jì)教學(xué)模型的目標(biāo)所在。本文將從學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)出發(fā)，構(gòu)造數(shù)軸與柱狀圖結(jié)合的圖示模型法，幫助學(xué)生直觀理解反應(yīng)物的量與反應(yīng)產(chǎn)物間的關(guān)系，以此構(gòu)建量化模型，快速判斷反應(yīng)后的成分。

2 相關(guān)研究

金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣成分（或組成）的判斷是初中化學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，很多一線教師針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)做了較多研究和實(shí)踐。比如，文獻(xiàn)[1]提出應(yīng)用離子共存理論模型，利用鉤叉標(biāo)記法能快速準(zhǔn)確地解決這類相關(guān)問(wèn)題;文獻(xiàn)[2]利用“列表法”分析，可將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將反應(yīng)后的濾液濾渣成分直觀展示出來(lái);文獻(xiàn)[3]引入時(shí)鐘法，解析金屬與鹽溶液的反應(yīng)，以此化解難點(diǎn);文獻(xiàn)[4]根據(jù)金屬與鹽溶液反應(yīng)的兩種類型（一種金屬和混合鹽溶液反應(yīng);兩種混合金屬粉末和一種鹽溶液反應(yīng)），利用圖示法分析金屬與鹽溶液的反應(yīng)過(guò)程;文獻(xiàn)[5]采用實(shí)驗(yàn)探究和計(jì)算模擬相結(jié)合的教學(xué)模式，將“一種金屬與多種鹽溶液反應(yīng)”或“多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)”的體系模型化，淺顯直觀地展示了該過(guò)程中各種反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的。綜合分析上述方法，我們發(fā)現(xiàn)這些方法在教材適配性和軟硬件基礎(chǔ)上有一定要求，上海初中化學(xué)教材中沒(méi)有保留原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)化學(xué)反應(yīng)中得失電子和離子反應(yīng)方程式也沒(méi)有涉及，相對(duì)科學(xué)的“離子共存理論模型”難以在教學(xué)中順利落實(shí);列表和時(shí)鐘法對(duì)學(xué)生的抽象理解能力要求較高;計(jì)算化學(xué)更是對(duì)學(xué)校的軟硬件配置都提出了更高的要求。因此上述方法在上海市普通初級(jí)中學(xué)的教學(xué)中較難實(shí)踐。對(duì)此，筆者從多年的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出一套循序漸進(jìn)的數(shù)軸與柱狀圖結(jié)合的圖示法，在課件制作演示、板書(shū)講解或草稿推算中都較易實(shí)現(xiàn)，能幫助學(xué)生直觀理解反應(yīng)物的量與反應(yīng)產(chǎn)物間的關(guān)系，以此構(gòu)建量化模型，快速判斷反應(yīng)后的成分組成。

3 模型構(gòu)建

3.1 教學(xué)知識(shí)點(diǎn)說(shuō)明

（1） 金屬活動(dòng)性順序，見(jiàn)圖1。

通過(guò)常見(jiàn)金屬與鹽溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，位于前面的金屬能把位于后面的金屬?gòu)乃鼈兓衔锏娜芤豪镏脫Q出來(lái)。

（2） 化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒：

反應(yīng)前后原子的種類和個(gè)數(shù)不變。

3.2 模型設(shè)計(jì)

該模型構(gòu)建基于金屬與鹽溶液反應(yīng)時(shí)，最活潑的金屬首先與最不活潑的金屬元素形成的鹽溶液反應(yīng)。即如果A>B>C，則A優(yōu)先與C的鹽溶液反應(yīng)，當(dāng)C的鹽溶液全部反應(yīng)完后再與B的鹽溶液反應(yīng)。在模型中，鹽溶液柱狀圖分布為“弱下強(qiáng)上”，金屬柱狀圖分布為“強(qiáng)先弱后”。當(dāng)然，我們需要和學(xué)生說(shuō)明，溶液是均一穩(wěn)定的混合物，本文中的量化模型圖是金屬和鹽溶液反應(yīng)的定量反應(yīng)數(shù)學(xué)模型圖，僅用于表示反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量之間的關(guān)系。真實(shí)的情況是所有反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，只是由于活動(dòng)性差異我們可以看作反應(yīng)有先后。同時(shí)，所有的化學(xué)反應(yīng)都基于質(zhì)量守恒定律，因?yàn)樵撃Ｐ蛨D設(shè)置的目的是幫助學(xué)生理解反應(yīng)物的量不同會(huì)導(dǎo)致生成物成分不同，而不涉及參加反應(yīng)的固體和析出的固體質(zhì)量的精準(zhǔn)計(jì)算，所以在圖形比例上只考慮金屬和溶液中溶質(zhì)的相對(duì)關(guān)系，在相對(duì)原子質(zhì)量的比例上不做比例調(diào)整。

3.2.1 一種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

以Zn和FeSO4溶液為例，金屬活動(dòng)性Zn大于Fe，存在反應(yīng)Zn+FeSO4ZnSO4+Fe，當(dāng)反應(yīng)物Zn的量不同時(shí)，用柱狀圖表示反應(yīng)物之間的量化關(guān)系，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖2所示。

3.2.2 一種金屬與兩種鹽溶液反應(yīng)

以Zn和AgNO3、 Cu（NO3）2溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn大于Cu、 Cu大于Ag，存在反應(yīng)Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag、 Zn+Cu（NO3）2Zn（NO3）2+Cu，因?yàn)榉磻?yīng)生成的Cu會(huì)與AgNO3溶液發(fā)生反應(yīng)Cu+AgNO3Cu（NO3）2+2Ag仍生成Ag，所以看作Zn先將AgNO3反應(yīng)完后，再與Cu（NO3）2反應(yīng)。即表示鹽溶液的柱狀圖為先反應(yīng)的在下，后反應(yīng)的在上，記作“弱下強(qiáng)上”。

當(dāng)反應(yīng)物Zn的量不同時(shí)，用柱狀圖表示反應(yīng)物之間的量化關(guān)系，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖3所示。

3.2.3 一種金屬與三種鹽溶液反應(yīng)

以Fe和AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Fe>Cu>Ag，存在反應(yīng)Fe+2AgNO3Fe（NO3）2+2Ag、 Fe+Cu（NO3）2Fe（NO3）2+Cu、 Fe與Zn（NO3）2不反應(yīng)。同理看作Fe? 先將溶液中AgNO3反應(yīng)完后，再與Cu（NO3）2反應(yīng)。即表示鹽溶液的柱狀圖“弱下強(qiáng)上”由下往上依次為AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2。

當(dāng)反應(yīng)物Fe的量不同時(shí)，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖4所示。

3.2.4 多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

以CuSO4溶液與Zn和Fe混合物反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Fe>Cu，存在反應(yīng)Zn+CuSO4ZnSO4+Cu、 Fe+CuSO4FeSO4+Cu。因?yàn)榉磻?yīng)生成的FeSO4會(huì)與Zn發(fā)生反應(yīng)Zn+FeSO4ZnSO4+Fe仍生成ZnSO4，所以看作CuSO4先將Zn反應(yīng)完后，再與Fe反應(yīng)。即表示金屬的柱狀圖為先反應(yīng)的在下，后反應(yīng)的在上，記作“強(qiáng)先弱后”。當(dāng)反應(yīng)物CuSO4溶液的量不同時(shí)，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖5所示。

4 教學(xué)實(shí)踐效果反饋與思考

筆者近年來(lái)開(kāi)始在課堂教學(xué)中使用上述模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應(yīng)后生成物的判斷。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D示教學(xué)法的效果，2020學(xué)年對(duì)所任教的兩個(gè)初三班級(jí)開(kāi)展對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)班級(jí)采用了模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，另一個(gè)班級(jí)采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行講解，兩個(gè)班級(jí)均在知識(shí)點(diǎn)教學(xué)完成后進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的練習(xí)，測(cè)試結(jié)果顯示采用模型圖示教學(xué)法班級(jí)的正確率為96%，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法班級(jí)的正確率為92%，該班級(jí)在后續(xù)重新采用模型圖示法講解后，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的正確率達(dá)到98%?？梢钥闯?，本文提出的模型圖示教學(xué)方法對(duì)幫助學(xué)生理解金屬和鹽溶液的量化反應(yīng)有明顯的效果，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)的、理想狀態(tài)下的量化計(jì)算這一類推斷題的解決大有助益，學(xué)生應(yīng)用這種模型圖示法，解題能力有明顯的提高。

該模型教學(xué)法還可以用到其他初中化學(xué)教學(xué)中遇到的難點(diǎn)重點(diǎn)，比如在溶液中溶解度受溫度影響不同的兩種溶質(zhì)的分離和提純;溶解度曲線學(xué)習(xí)中A、 B、 C三種等質(zhì)量飽和溶液隨溫度變化后的濃度，以及溶質(zhì)、溶劑和溶液的量的判斷。分散體系中反應(yīng)物的量無(wú)法測(cè)量，計(jì)算推演也過(guò)于抽象，這些理想狀態(tài)下量化計(jì)算類的課程教學(xué)靠化學(xué)實(shí)驗(yàn)更是難以體現(xiàn)，都可以應(yīng)用該模型教學(xué)法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種用于金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣判定的量化模型圖示教學(xué)法，該方法利用量化模型圖演示不同量金屬和鹽溶液的反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量的關(guān)系構(gòu)建了一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)模型，過(guò)程完整，生成物一目了然。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了利用該模型開(kāi)展教學(xué)可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，易學(xué)易用，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的量化分析能力，在知識(shí)點(diǎn)的單元練習(xí)中學(xué)生成績(jī)提升明顯。需要說(shuō)明的是，這種量化模型必需限定在至少三個(gè)基礎(chǔ)之上，即（1）金屬活動(dòng)性順序任何條件下都適用;（2）所有反應(yīng)是熱力學(xué)控制而沒(méi)有動(dòng)力學(xué)控制;（3）所有反應(yīng)均有足夠長(zhǎng)時(shí)間，是反應(yīng)完全的。金屬和鹽溶液反應(yīng)的實(shí)際情況往往因?yàn)殡姌O極化、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、共沉積等問(wèn)題會(huì)有更復(fù)雜的表現(xiàn)，限于初中化學(xué)教學(xué)范圍和深度，這些問(wèn)題本文不做深入討論。

在今后的教學(xué)改革中，我們可以借助一些應(yīng)用軟件將該模型圖動(dòng)態(tài)化，通過(guò)拖動(dòng)加入量的柱狀圖來(lái)改變反應(yīng)物的量，將反應(yīng)后的濾液濾渣成分做成直觀可視化的圖式，以幫助學(xué)生理解更復(fù)雜的量變過(guò)程，有效提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈芳. 快速有效解決金屬與鹽溶液反應(yīng)相關(guān)問(wèn)題的方法[J]. 云南化工， 2018， 45（S1）： 106～108.

[2]鄧惠軍. 利用“列表法”分析金屬與鹽溶液反應(yīng)后的濾液濾渣[J]. 云南化工， 2020， 47（2）： 173～177.

[3]向剛. 例談時(shí)鐘法分析金屬與鹽溶液的反應(yīng)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （12）： 70～72.

[4]葉茂. 利用圖示法分析金屬與鹽溶液反應(yīng)的過(guò)程[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （10）： 85～87.

[5]萇青， 劉健. 計(jì)算化學(xué)在基礎(chǔ)教育的創(chuàng)新應(yīng)用——以“金屬與鹽溶液置換反應(yīng)”的拓展教學(xué)為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （4）： 93～97.