摘 要：從熱力學(xué)角度、原電池視角分別分析復(fù)雜體系Mg-H2O-CuCl2時，發(fā)現(xiàn)Mg還原CuCl2的優(yōu)勢產(chǎn)物分別是CuCl、Cu，因此預(yù)測了Mg-H2O-CuCl2體系中可能發(fā)生的各種反應(yīng)和反應(yīng)進(jìn)程，利用變量控制法設(shè)計實驗，得到宏微兩個方面的實驗證據(jù)證實了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：鎂；氯化銅；變量控制；數(shù)字化實驗；實驗探究

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、問題的提出

高中化學(xué)教材中鎂與水溶液反應(yīng)的素材在必修階段出現(xiàn)在對第三周期金屬性的探究[1]中；選修階段出現(xiàn)在對沉淀溶解平衡的探究中，即：向有氫氧化鎂生成的體系中加入氯化銨溶液，沉淀溶解[2]；而在高三復(fù)習(xí)階段則經(jīng)常以復(fù)雜溶液體系中的問題解決形式出現(xiàn)。筆者在鎂條與碳酸氫鈉溶液[3]、鎂條與氯化銀濾液[4]的實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于Mg-H2O體系的探究存在認(rèn)識階段性問題，可能缺少全面分析問題的能力，有系統(tǒng)研究的價值。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》關(guān)于科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的化學(xué)核心素養(yǎng)明確指出，能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，運用化學(xué)實驗進(jìn)行實驗探究[5]。近年來，高考題常出現(xiàn)以氧化還原反應(yīng)為知識載體、以數(shù)字化實驗圖為呈現(xiàn)形式，在素材中存在認(rèn)知沖突或異常實驗現(xiàn)象的探究實驗類試題。本文嘗試分析復(fù)雜體系Mg-H2O-CuCl2的反應(yīng)，研究其反應(yīng)進(jìn)程，明確反應(yīng)原理，找尋可應(yīng)用于教學(xué)的提升學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的實驗素材，以饋讀者。

二、實驗探究

分別采集實驗組、對照組“pH-時間”數(shù)據(jù)，平行實驗三次。

（四）實驗分析及結(jié)論

【方法一】實驗現(xiàn)象、分析及結(jié)論按照實驗歷程分為三個階段分別論述，相關(guān)實驗現(xiàn)象詳見表3。

（1）鎂條投入初期實驗現(xiàn)象及產(chǎn)物分析

實驗組鎂條表面有紅棕色固體析出，氣泡產(chǎn)生速率較快，反應(yīng)液基本澄清。

紅棕色固體是Cu，表明Mg與Cu置換反應(yīng)為優(yōu)勢反應(yīng)；實驗組中氣泡產(chǎn)生速率較快，且反應(yīng)液基本澄清，表明反應(yīng)Mg+2H+= Mg2++H2↑為速率較快的原電池反應(yīng)。

（2）3min后實驗現(xiàn)象及產(chǎn)物分析

實驗組中鎂條表面快速逸出氣泡，表面的脫落物不斷沉降，反應(yīng)液中出現(xiàn)藍(lán)白色沉淀物。檢測實驗組反應(yīng)液pH = 4. 85；離心其反應(yīng)液可見藍(lán)白色和紅棕色沉淀物；鎂表面被灰藍(lán)色固體覆蓋，用濃氨水洗滌后，鎂條表面露出紅棕色覆蓋層；氨水浸出液呈藍(lán)色，迅速用注射器抽取部分浸出液并封閉，其余部分置于敞口試管中，再過2min后試管中浸出液藍(lán)色略有加深。

（三）基于提升宏微結(jié)合與證據(jù)推理素養(yǎng)的教學(xué)活動

在本實驗探究中，基于實驗現(xiàn)象觀察的常規(guī)實驗方法一與基于pH變化檢測的數(shù)字化實驗方法二在宏觀辨識與微觀探析層面互為印證。在組織教學(xué)活動時，引導(dǎo)學(xué)生將觀察到的實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)圖相結(jié)合來得出結(jié)論或印證猜想，如：實驗方法一中鎂條投入初期表面產(chǎn)生氣泡較多，宏觀上看到有紅色固體析出，對應(yīng)數(shù)據(jù)圖A1-A2階段pH增大較快，分析得到形成Mg-Cu原電池裝置使反應(yīng)速率加快的結(jié)論；猜測反應(yīng)過程中存在Cu2+的水解，在數(shù)據(jù)圖pH = 4-6之間找到曲線趨緩的證據(jù)得以證明。實驗教學(xué)中設(shè)計宏微證據(jù)相結(jié)合的問題線，有利于診斷并提高學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

四、結(jié)語

通過實驗探究可以發(fā)現(xiàn)，在判斷某一化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生時，不僅需要從熱力學(xué)視角討論反應(yīng)的方向和限度，也需要從動力學(xué)視角研判這一化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的條件與競爭關(guān)系，例如Mg與Cu2+的反應(yīng)、Mg與H2O的反應(yīng)；在分析影響反應(yīng)速率的因素時，除了溫度、濃度、催化劑等常見因素外，還可能有原電池效應(yīng)、其他微粒的平衡移動等因素，例如Mg-Cu原電池裝置、Cu2+水解平衡移動；在書寫反應(yīng)方程式時，應(yīng)根據(jù)微粒所處pH環(huán)境確定其存在形式，才能得出該反應(yīng)與pH之間的正確關(guān)系，例如pH<10. 75時為Mg2+（pH增大）、pH≥10. 75時為Mg（OH）2（pH穩(wěn)定）。這些易忽視的視角在組織高中化學(xué)教學(xué)活動中應(yīng)該引起足夠的重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中教科書《化學(xué) 必修第二冊》[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019.

[2]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《化學(xué)選修4化學(xué)反應(yīng)原理》[M].人民教育出版社，2007.

[3]孫默，鄭曉紅.在“鎂與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)”實驗探究中發(fā)展核心素養(yǎng)[J].化學(xué)教育（中英文）， 2021，42（23）：82-87.

[4]孫默，鄭曉紅.變量控制在實驗探究專題教學(xué)中的應(yīng)用與評價——以“鎂+水”反應(yīng)體系為例[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（13）：102-108.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[6]吳文中.陰陽離子對鎂/水反應(yīng)體系的影響，化學(xué)教學(xué)[J]，2015，5：62-65.

[7]北京師范大學(xué).無機(jī)化學(xué)第五版上冊[M].高等教育出版社，2020.

（責(zé)任編輯：加順花）