“化學反應的介質”教學設計

文章編號:1005-6629(2010)01-0051-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

教師在教學時經常會遭遇這樣一類問題:學生在書寫方程式或進行實驗設計時經常忽視化學反應所處的環境，即化學反應的介質，從而產生如下錯誤:強酸性介質中生成堿性氣體如NH3、強堿性介質中生成酸性氣體如SO2、應該使用酸性介質時卻使用了堿性介質等等。正是這樣一些細節問題導致了實驗的失敗、工藝流程的錯誤以及學生考試時不必要的失分。有相當一部分學生對于這些錯誤不以為然，多次糾正后效果甚微。

為解決此問題筆者在高三一輪復習時專門設計了“化學反應的介質”這一節課，目的是讓學生從化學的視角去思考問題:化學反應是有條件的，是在一定環境下才能發生的。從而使學生養成嚴謹的思維習慣，讓他們意識到細節往往決定成敗。

1 設計思想

(1)創設多層面、多角度的相關問題，讓學生體會。誘發學生不斷激起認知沖突，喚起其求知欲望，讓學生情不自禁地進入到情景中，領會介質的重要性。

(2)將教學內容分為三大塊:無機反應中的介質、有機反應中的介質、電化學反應中的介質。使學生意識到介質問題貫穿了元素化合物、有機化學、電化學等諸多知識板塊。

(3)注重學生化學素養的培養。盡可能聯系實際情景，將抽象的問題具體化，讓學生感受化學的真實性、實用性和實驗性。

2教學過程紀要

[引入]創設問題，激起學生的認知沖突。

[問題1]請書寫下列反應的離子方程式:

(1)Mg與稀HNO3反應，HNO3的還原產物中N元素呈-3價。

(2)將CH4和O2通入KOH溶液中形成燃料電池，請寫出電池的負極反應式。

(3)S與NaOH溶液共熱發生歧化反應。

[答案](1)4Mg+10H++NO3-=4Mg2++NH4++3H2O

(2)CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O

(3)3S+6OH- 2S2-+SO32-+3H2O

[學生的典型錯誤]

(1)4Mg+9H++NO3-=4Mg2++NH3↑+3H2O

(2)CH4-8e-+2H2O=CO2↑+8H+

(3)3S+4OH- 2S2-+SO2↑+2H2O(或將S2-寫成H2S等)

對于寫3個離子方程式，學生的錯誤率甚高。離子方程式的書寫雖是高中化學的重點，可同學們并不覺得其是難點，一向認為自己掌握得還不錯，今天居然落得幾乎要全軍覆沒，頓覺氣餒。

[教師]不知道大家有沒有發現自己寫錯的離子方程式都源于同一種錯誤，自己回顧一下，能不能找到錯誤的根源?

[學生]思考總結，并低聲相互討論，若有所悟。

[小結](教師巡視教室與學生交流)大部分同學的錯誤在于沒有注意反應所處的環境，生成物所呈現的形式與溶液的酸堿性是有關的。如果反應環境是酸性的，則離子方程中不應使用OH-;如果反應環境是堿性的，則離子方程中不應使用H+;其他物質也應以其相應的方式呈現，如酸性環境生成CO2，堿性環境生成CO32-，弱堿性環境還會生成HCO3-等。

化學反應的介質決定物質呈現的形態，介質控制不當還會導致化學實驗的失敗、工藝流程的錯誤等。所以，化學反應需要在合適的介質下進行。今天我們這節課就來學習一下介質對無機反應、有機反應、電化學反應中的重要性。

2.1無機反應中的介質

[問題2]判斷下列離子組是否能大量共存

A. pH=7的溶液中:Fe3+、Cl-、SO42-、Na+

B. NH4+、Al3+、NO3-、HCO3-

C. 使甲基橙呈紅色的溶液中: K+、NO3-、Na+、 [Ag(NH3)2]+

[解析]均不能共存。A中的Fe3+應存在于酸性介質中，pH=7的中性介質中鐵元素應以Fe(OH)3形式存在;B中的Al3+和HCO3-因發生雙水解反應不能共存。C中[Ag(NH3)2]+ 在酸性介質中不能存在，其配體NH3可以與介質中的H+反應， 使[Ag(NH3)2]+遭受破壞， 所以[Ag(NH3)2]+只能存在于堿性介質中。

[問題3]腐蝕銅板后的混合溶液中含Cu2+、Fe3+和Fe2+，請參照下表(表1)給出的數據和藥品，簡述除去CuCl2溶液中Fe3+和Fe2+的實驗步驟。

[解析]從表中數據可以看出，將介質的pH調至3.2即可將Fe3+完全轉化成Fe(OH)3除去。但是通過調節介質的pH的方式無法將Fe2+與Cu2+分離，故應先將Fe2+氧化成Fe3+，然后再調節介質的pH。

[答案]實驗步驟為:①通入足量氯氣， 將Fe2+氧化成Fe3+; ②加入CuO調節溶液的pH至3.2～4.7;③過濾以除去Fe(OH)3。(若不限制藥品， CuO、 Cu(OH)2、 CuCO3、 Cu2(OH)2CO3等均可用來調節溶液的pH)。

從上題可以看出，用恰當的方法調節介質的pH，可以將不同的金屬陽離子實現分離。

2.2 電化學反應中的介質

[問題4]對氫氧燃料電池若使用的電解質不同，兩極發生的反應也不同，請寫出下列氫氧燃料電池的極反應方程式:

(1)稀H2SO4作電解質溶液

(2)KOH溶液作電解質溶液

(3)固體氧化物作電解質(高溫下傳遞O2-)

(4)熔融碳酸鹽作電解質

[解析] (1)由于使用了酸性介質，所以書寫方程式應使用H+和H2O(以下類似) 。負極 2H2-4e-→4H+， 正極O2+4e-+4H+→2H2O;

(2)負極 2H2-4e-+4OH-→4H2O，

正極 O2+4e-+2H2O→4OH-;

(3)負極 2H2-4e-+2O2-→2H2O，

正極 O2+4e-→2O2-;

(4)負極 2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2↑，

正極 O2+4e-+2CO2→2CO32-。

由于使用了不同的介質，電極反應式的書寫截然不同。

[問題5]在鋁表面著色，先用電解法使鋁表面附上一層氧化鋁。其方法是將鋁件作陽極，鐵作陰極，用碳酸氫鈉作電解液，進行電解。其原理是，通電后在鋁件與電解液的接觸面上逐漸形成一層 Al(OH)3薄膜， 薄膜的某些部位存在著小孔， 電流從小孔通過并產生熱量使 Al(OH)3分解， 從而在鋁件表面形成一層較厚的氧化膜。試回答:

(1)鋁件表面形成一層 Al(OH)3 薄膜的電極反應式為_________。

(2)電解過程中，必須使電解液pH保持相對穩定(不能太大，也不能太小)的原因是_______。

(3)使用電解液為NaHCO3溶液，會減緩陰極區溶液pH的增大，能說明這一原理的離子方程式為__________________。

[解析]陽極應是鋁失電子生成Al3+，而生成的Al3+可和電解質溶液中的HCO3-發生雙水解反應生成Al(OH)3 薄膜， 進一步分解生成氧化鋁薄膜。 陰極應是電解質溶液中的水電離出的H+離子得電子生成氫氣，同時陰極區溶液pH增大，會使氧化鋁薄膜溶解。但這里使用NaHCO3電解液，HCO3-與生成的OH-反應，從而會減緩陰極區溶液pH的增大。故合理使用介質是氧化鋁薄膜能否形成的關鍵。

[答案](1)Al-3e-→Al3+， Al3++3HCO3-=Al(OH)3↓+3CO2↑; 或Al+3HCO3--3e-=Al(OH)3↓+3CO2↑;

(2) Al(OH)3、Al2O3均有兩性， pH太大或太小，都會使氧化鋁薄膜溶解。

(3)HCO3-+OH-=CO32-+H2O 。

2.3 有機反應中的介質

[問題6]已知:R-CH=CH2 R-CH2-CH2

-Br

[解析]這是2006年江蘇省高考化學試題23題第(4)小題，合成的流程并不復雜，一般學生都能找到正確的思路，但是得分卻不高。原因是在合成的過程中反復涉及了酸堿性不同的介質，起始物質中的官能團-COOH應根據不同的情況發生相應的反應。第一步堿性介質-COOH應轉化成-COONa，第二步酸性介質-COONa應轉化成-COOH，第三步堿性介質-COOH又轉化成-COONa。具體合成流程如下:

很多同學正是忽視了這些細節問題而失分。

由此可見，許多化學反應是在一定的介質下進行的。化學實驗、工業生產等應根據要求合理使用介質，才能確保成功。我們在教學中應注重培養學生的“介質”觀念，培養學生良好的化學素養。

[后記]《化學反應的介質》是一節蘇州市的公開課，聽課老師普遍反映良好。經過這節課后，學生思考這類問題的意識明顯增強，由于介質問題導致的考試失分也明顯減少。