以金屬及其化合物的教學(xué)為例談微粒觀的構(gòu)建

陳世江

【摘 要】高中化學(xué)新課程改革核心任務(wù)提高學(xué)生的化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)。化學(xué)基本觀是基于這個理念提出的，要提高學(xué)科素養(yǎng)關(guān)鍵是突破以知識傳授為核心的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)向以構(gòu)建化學(xué)觀為核心的教學(xué)。本文嘗試以金屬及其化合物知識為載體探討如何促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建化學(xué)基本觀中的微粒觀。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)基本觀；金屬及其化合物性質(zhì)；建構(gòu)；微粒

化學(xué)基本觀是對具體化學(xué)知識深入理解后的抽象概括，隨著時間推移學(xué)生會淡忘具體化學(xué)知識，所剩余的思想意識層面的東西，沉積下來的對物質(zhì)世界的理解方式和思考方法就是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的提高依賴于化學(xué)基本觀構(gòu)建。化學(xué)基本觀必須是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程根據(jù)已有知識和經(jīng)驗(yàn)思考、探究，付出一定心智后主動構(gòu)建，教師雖無法安排專門的課時傳授，但應(yīng)有意識教學(xué)知識與活動幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)基本觀。宋心琦教授指出：學(xué)生能否牢固地、準(zhǔn)確地、哪怕只是定性地建立起基本的化學(xué)觀念，應(yīng)當(dāng)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的第一目標(biāo)。從微觀世界思考宏觀物質(zhì)變化的微粒觀是化學(xué)區(qū)別于其他學(xué)科重要標(biāo)志，是化學(xué)學(xué)科特有的觀念。高三總復(fù)習(xí)后期以模塊知識為主，學(xué)生對于紛擾復(fù)雜的元素化合物知識始終云里霧里，即使一時記住了也不知如何應(yīng)用。構(gòu)建化學(xué)基本觀中的微粒觀是突破總復(fù)習(xí)的這一高原現(xiàn)象的有效方法，筆者擬設(shè)計(jì)以金屬及其化合物知識為載體培養(yǎng)微粒觀的構(gòu)建。

一、實(shí)驗(yàn)探究金屬單質(zhì)穩(wěn)定性促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建微粒觀

從微觀角度認(rèn)識金屬的穩(wěn)定性主要取決于金屬的抗腐蝕能力，一般認(rèn)為金屬抗腐蝕能力與金屬的活動性和金屬表面氧化物的性能有關(guān)。從兩個因素將金屬抗腐蝕能力分為三類：第一類，金屬本身化學(xué)性質(zhì)很不活潑，如鉑、金、銀能在自然界中穩(wěn)定存在。第二類，密度小且化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬，如鋰、鈉、鉀等在空氣易被氧化且生成的氧化物比金屬本身密度更大，難于覆蓋在金屬表面，結(jié)構(gòu)中有空隙，腐蝕介質(zhì)和氧氣能繼續(xù)與內(nèi)部金屬反應(yīng)，另一個原因這些金屬氧化物自身也不穩(wěn)定。第三類，大多數(shù)性質(zhì)活潑且密度較大的金屬本身易被氧化，但由于生成的氧化物的密度比金屬本身小，所以氧化物能緊緊地覆蓋在金屬表面形成致密保護(hù)膜。如鉻、鋁在空氣中表面會生成一層氧化物（ Cr2O3 ， A12O3）保護(hù)膜。為了讓學(xué)生從微觀角度認(rèn)識到金屬表面層形成致密、堅(jiān)韌而又緊緊附著在金屬表面的保護(hù)膜是抗蝕的必要條件。在高三化學(xué)總復(fù)習(xí)安排學(xué)生做如下表1探究，幫助學(xué)生建構(gòu)微粒觀。

探究項(xiàng)目 提出假設(shè) 實(shí)驗(yàn)探究 現(xiàn)象 結(jié)論

鐵易生銹，比鐵更活潑的鎂和鋁為什么不生銹 鎂和鋁表面有氧化物保護(hù)膜， 1.鋁片在酒精燈加熱變軟，用針捅破變軟部分。

2.鋁粉撒落在酒精燈火焰。

3.未打磨的鎂條放入滴有酚酞的熱水中加熱煮沸。 1.有液體流出，但不鋁片不燃燒。

2.鋁粉劇烈燃燒，發(fā)出耀眼白光

3.酚酞長時間不變紅。 鋁片和鎂片表面生成致密氧化物保護(hù)膜，且MgO和Al2O3熔點(diǎn)很高，保護(hù)內(nèi)部金屬進(jìn)一步與氧氣反應(yīng)。

鈉在空氣也生成氧化鈉，為什么鈉在通常情況不能穩(wěn)定存在 金屬鈉表面生成的氧化鈉本身易與水和CO2反應(yīng)，自身難保。 取少量氧化鈉放置表面皿于空氣中。 先變?yōu)楹隣钗镔|(zhì)，10天后生成白色粉末狀物質(zhì)；往該粉末滴加鹽酸產(chǎn)生氣體。 氧化鈉在空氣逐漸生成疏松碳酸鈉固體，最終全部鈉塊都反應(yīng)生成碳酸鈉。

鐵和銅在潮濕的空氣中都易生銹，為什么不受氧化膜保護(hù)呢。 氧化膜疏松，難于保護(hù)內(nèi)部的金屬。 1.分別將濃硫酸鈍化過的鐵釘和自然生銹的鐵釘放置于一半放置于水中。 經(jīng)鈍化過的鐵釘不生銹，而表面生銹的鐵釘繼續(xù)生銹。 通常情況下鐵釘表面生成氧化鐵膜很疏松難于保護(hù)內(nèi)部的金屬。

表1

以隨堂實(shí)驗(yàn)形式探究表1內(nèi)容，從微觀角度對比金屬表面氧化膜結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)比較發(fā)現(xiàn)他們之間的內(nèi)在聯(lián)系不但復(fù)習(xí)了學(xué)過的知識，也促進(jìn)了學(xué)生深入微觀世界思考化學(xué)中的其他問題。

二、對金屬鈍化的微觀探究幫助學(xué)生微粒觀的構(gòu)建

將宏觀感性認(rèn)識的物質(zhì)與微觀抽象的粒子相聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科區(qū)別與數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的重要特色。化學(xué)學(xué)科的這一特點(diǎn)也是通常被學(xué)生認(rèn)為難以學(xué)習(xí)掌握的原因之一。從分子學(xué)說的提出到近代原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識無一例外地都將宏觀現(xiàn)象與微觀世界相聯(lián)系，所以將宏觀與微觀相聯(lián)系的思維方法和理念是化學(xué)領(lǐng)域又一重要基本觀念。關(guān)于金屬鈍化的知識高中課本敘述的篇幅只寥寥幾行字，學(xué)生對此也一知半解。事實(shí)上金屬鈍化包含大量化學(xué)知識且在工業(yè)中有著重要的應(yīng)用。金屬鐵和鋁的鈍化機(jī)理目前有兩種學(xué)說。第一種薄膜理論，也是目前高中教材認(rèn)可的理論。當(dāng)金屬鐵和鋁浸入濃硝酸（大于60%）時，認(rèn)為金屬表面生成致密的氧化物保護(hù)膜。第二種為吸附氧理論，認(rèn)為金屬表面吸附一層單分子氧，使金屬表面反應(yīng)活性降低而鈍化。但薄膜理論和吸附氧理論都無法解釋Mg在非氧化性酸HF中鈍化，Nb和Mo在鹽酸中鈍化。也無法解釋不是使用強(qiáng)氧化劑而電化學(xué)法使金屬鈍化。海軍工程大學(xué)的李連杰博士認(rèn)為：金屬在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生的金屬離子，在金屬表面的液層如果向外擴(kuò)散的速度很慢，就會引起金屬表面離子濃度逐漸增大，當(dāng)大量正電荷的金屬離子在金屬表面聚集時，必然對金屬上的電子產(chǎn)生引力，一些電子被吸引到金屬表層，但金屬的正電荷會阻止電子外溢，如圖1所示，當(dāng)內(nèi)外的正電荷作用力相當(dāng)時，金屬溶解速度變得很小處于“鈍化”狀態(tài)。

通過以金屬鈍化知識為載體探究微觀世界，培養(yǎng)學(xué)生把宏觀物質(zhì)變化和現(xiàn)象與微觀相聯(lián)系，使學(xué)生建立起物質(zhì)變化統(tǒng)一于微觀變化的理念。

三、以氫氧化鋁阻燃機(jī)理創(chuàng)設(shè)情景促進(jìn)微粒觀的構(gòu)建。

氫氧化鋁阻燃劑是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的合成無鹵阻燃劑材料之一，它具有阻燃、消煙、填充等大功能，相對含鹵阻燃劑有燃燒時無二次污染，在聚合物中分散性好等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于電工、電線、電纜、日用品、建筑材料、運(yùn)輸?shù)人芰虾拖鹉z制品中。課堂上演示如圖2所示一小塊添加氫氧化鋁阻燃劑的聚苯乙烯白色泡沫塑料和另一塊未添加氫氧化鋁阻燃劑的聚苯乙烯塑料（本地裝飾材料店購買）同時放酒精燈點(diǎn)燃。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為含氫氧化鋁的苯板不燃燒。

引導(dǎo)學(xué)生討論氫氧化鋁阻燃劑原理。氫氧化鋁受熱分解的熱化學(xué)方程式：

2Al（OH）3（s） = 3H2O（g） + Al2O3（s） △H=+194.6KJ/mol

（1）氫氧化鋁受熱分解為吸熱反應(yīng)，此外反應(yīng)產(chǎn)物中水轉(zhuǎn)化為水蒸汽也吸收熱量。以上吸熱過程使得環(huán)境溫度難于達(dá)到聚合物的著火點(diǎn)。

（2）從微觀角度分析：氫氧化鋁分解產(chǎn)生水蒸汽稀釋氧氣使得可燃物表層氧氣的濃度下降。 同時在可燃物表面生成Al203保護(hù)膜隔絕氧氣，可阻止燃燒。

（3）氧化鋁微粒有較強(qiáng)的脫水性，使聚乙烯塑料碳化而不產(chǎn)生揮發(fā)性，從而阻止火焰蔓延。

通過以上阻燃機(jī)理的分析，學(xué)生從微觀世界深化認(rèn)識氫氧化鋁的分解反應(yīng)，幫助學(xué)生構(gòu)建微粒觀。

四、總結(jié)

化學(xué)基本觀的構(gòu)建不是紙上談兵，在總復(fù)習(xí)過程中不是把金屬及其化合物知識按金屬單質(zhì)、氧化物、氫氧化物每種具體的物質(zhì)性質(zhì)單純羅列出，而后要求學(xué)生逐一記憶背誦，這種把具體知識以靜態(tài)形式呈現(xiàn)顯然無法幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)基本觀，縱使學(xué)生花大量精力記憶也無法將所學(xué)知識活用。本文把具體元素化合物知識深入理解加工成可遷移的觀念性認(rèn)識。化學(xué)基本觀對具體知識的學(xué)習(xí)有引領(lǐng)作用，有助于將知識轉(zhuǎn)化為能力。

參考文獻(xiàn)：

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