化學核心素養視域下的教學問題解析

嚴業安

（三明第一中學，福建 三明 365001）

化學核心素養是學生在認知活動中解答有關化學問題時呈現出來的關鍵素養，是學生用化學的眼光審視客觀事物時表現出來的一種能力水平，這是伴隨和影響學生一生的東西。那么，如何培養高中化學核心素養呢？清華大學化學系張希教授在中國化學奧林匹克（決賽）暨冬令營上說：“化學不只出現在書本上，也不僅停留在實驗室里，更是與我們的社會和生活息息相關。”高中化學核心素養應立足于具體的課堂教學或課外活動展開。提煉出一些貼近生活的具體情境的問題，讓學生有意識地關注身邊所發生的化學現象，思考如何利用學過的知識解答化學問題和解釋身邊的化學現象，不失為提升自身化學核心素養的一種途徑。以下14個具體問題的解答正是基于這一想法的嘗試。

【問題1】為什么喝水解辣的效果并不顯著，而喝牛奶卻可以很快消退辣覺？

【解答】辣的味覺來自于辣椒中所含有的辣椒素分子，這種分子通過與神經元末梢的受體蛋白質發生作用，激活鈣離子通道而產生辣的感覺。由于辣椒素的水溶性差、脂溶性好，利用牛奶中的脂肪成分溶解辣椒素，可降低辣椒素的濃度。簡單的相似相溶原理可幫助我們巧妙地解決生活中的問題。

【問題2】臭豆腐“聞起來臭、吃起來香”，其背后蘊含著什么化學道理？

【解答】研究表明，豆腐在發酵過程中，蛋白質在酶的作用下發生水解，其中含有的甲硫氨酸和半胱氨酸降解，產生易揮發的硫化氫氣體，因而“聞著臭”。同時，蛋白質水解產生的其他氨基酸，有的具有鮮美的滋味，因而“吃著香”。簡單的生物化學知識成功地運用到烹飪過程中，造就了這種家喻戶曉的美食。

【問題3】為什么冷的米飯顯得很硬且營養價值低？

【解答】大米的主要成分為淀粉，淀粉是葡萄糖單體脫水而成的聚合體，每個分子大約含有幾百到幾千個葡萄糖單元。其中直鏈淀粉的分子盤旋呈一個螺旋，每轉一圈，約含六個葡萄糖單元。葡萄糖單元含有若干羥基，螺旋內羥基間形成氫鍵，無法再與水分子形成氫鍵。所以淀粉在冷水中溶解度較低，人體消化系統中的淀粉酶無法分解它。煮飯時，大米在熱水中吸收水分，使淀粉分子體積膨脹，部分氫鍵被破壞，淀粉就溶在熱水中。剛煮好的米飯顯得粘稠、柔軟，有利于人體消化和吸收營養。

米飯放置一段時間變冷后，淀粉分子中原來斷裂的氫鍵再次形成，使米飯變得很硬。時間放置越長，米飯就顯得越硬，越來越不利于消化，吸收率下降，營養價值缺失。即使把冷飯放在鍋里或用微波爐重新蒸煮，其消化吸收率已無法與剛煮好的媲美，營養價值必然降低。

【問題4】“水滴石穿”是物理變化還是化學變化？

【解答】“水滴石穿”是一句成語，大意是“水不停地滴下來，能把下面的石頭滴穿”，比喻力量雖小，但功到自然成。水滴石穿既有物理變化的原因，也有化學變化的原因。水滴石穿的原因之一是水從高處滴落，其沖擊力比較大，沖擊力給石頭帶來磨損，水滴日復一日、年復一年，一滴一磨，石頭就被磨穿了。這一過程只是石頭的形狀發生了變化，沒有產生新的物質，是物理變化。水滴石穿也可能是由于水和空氣中的二氧化碳共同作用的結果。二氧化碳能溶于水，在通常狀況下，1體積水約能溶解1體積的二氧化碳，二氧化碳和水作用形成碳酸，水滴可看成是碳酸溶液，呈弱酸性。大理石、石灰石這類石塊的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），水滴落下來時，發生如下反應：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2可溶于水，導致石塊局部慢慢溶解而損失。溶洞現象是水滴石穿的一個典型例子。水滴石穿還有一種原因是受酸雨的腐蝕。

【問題5】什么是丁達爾現象？

【解答】當可見光通過膠體時，在入射光側面可觀察到光亮的通路（微弱閃光集合而成的光柱），該現象稱為丁達爾效應，也叫丁達爾現象。實驗室中常利用丁達爾現象來區分溶液與膠體。波長為400～750 nm的光為可見光，可見光在膠體的分散質微粒表面發生散射，形成丁達爾現象。膠體中分散質粒子直徑（為1～100 nm）小于可見光的波長，光波可以繞過粒子前進，并從粒子向各方向傳播，這就是散射現象，散射的光環組成了光柱。溶液中分散質粒子很小，散射很弱，看不到閃光和光柱。粗分散體系（懸濁液和乳濁液）中，分散質粒子大于光波波長，在光照射下產生反射作用，可看到顆粒的形狀而呈濁狀。

【問題6】晴朗的天空為什么是呈藍色的？車輛在霧天行駛時為什么要用黃色燈？

【解答】散射光的強度可用雷利（Rayleigh）公式來表示。由雷利公式得知，散射強度和入射光的波長的4次方成反比，即入射光若波長越短就越容易發生散射，波長越長的光越容易透過。可見光中，黃色光的波長為580～600 nm，藍色光的波長為450～480 nm。大氣層可看成是一種氣溶膠，當白光照射在大氣層上時，藍色光幾乎都發生散射，而黃色光大體都透過，只有極少被散射，所以晴朗的天空顯示藍色，車輛在霧天行駛時用黃色燈。

【問題7】“鬼火”究竟是什么？

【解答】磷的拉丁文原意是發光物，我國古代典籍中就有燐這個詞，俗稱鬼火，按統一命名原則現在命名為磷，所以“鬼火”就是“磷火”。動物的牙齒和骨骼中含有元素磷，尸體在腐爛過程中發生復雜的生物變化、化學變化和物理變化，產生少量的P2H4和PH3氣體。P2H4比PH3更活潑，能夠自燃，火焰顯暗淡的藍綠色。空氣流動形成風，火焰就隨風飄蕩。有關反應方程式為：

【問題8】燒磚過程中，如果從窯頂噴水得到的是青磚，不噴水則得到紅磚，這是什么原因？

【解答】粘土是燒磚用的原料，主要成分為含水硅酸鋁（xAl2O3·ySiO2·nH2O），同時還摻有赤鐵礦（Fe2O3為主）、菱鐵礦（FeCO3為主）、黃鐵礦（FeS2為主）或褐鐵礦（Fe2O3·2Fe(OH)3為主）等礦物雜質。當磚坯在磚窯中高溫煅燒時，若氧氣充足，則上述鐵的化合物都轉化為Fe2O3，得到紅磚。鐵元素的含量越多，磚的顏色就越紅。磚坯燒制過程中，如果從窯頂向下噴適量的水，水會轉化為水蒸氣，水蒸氣和焦炭在高溫下反應生成H2和CO。H2和CO在高溫下將Fe2O3還原成Fe3O4或FeO，得到的磚就顯青灰色。

【問題9】為什么液化石油氣罐在用完之后再搖一搖或澆一點熱水又可使用一會兒？

【解答】目前家庭使用的液化石油氣的主要成分是丙烷、丙烯、丁烷和丁烯等低級烴的混合物。常溫下它們是氣體，通過加壓轉化為液體裝在鋼罐中。使用時旋開閥門，由于壓強突然減小，這些烴類化合物會立即氣化而噴出，點燃即可使用。當這些烴類化合物都氣化逸出后，火苗就逐漸變小了。這時把一些熱水澆在液化氣罐上，或者稍用力搖一搖液化氣罐，火苗就會突然變大起來。這是因為目前使用的液化石油氣中含有少量戊烷，常溫下戊烷是液體，升高溫度時其蒸氣壓增大，搖一搖或加熱有利于戊烷氣化。戊烷的數量雖然不多，但其產生的氣體可維持一段時間。應注意的事項，嚴禁使用明火對著液化氣罐直接加熱，否則會有爆炸的危險。

【問題10】實驗室蒸餾石油時要在蒸餾燒瓶中加入一些沸石或碎瓷片，其原理是什么？

【解答】在常壓下仔細觀察加熱純水的過程，會發現：把水加熱到100℃時，水并沒有沸騰；當溫度超過100℃以后一段時間，水卻突然沸騰了。為什么水會存在這種過熱現象呢？因為對液體加熱，沸騰時內部將有小氣泡生成，小氣泡充當“氣化核”的角色，液體在其周圍氣化。而小氣泡在純液體內難以形成，導致加熱時液體不容易沸騰，就產生過熱現象。化學工作者必須注意防止過熱現象的發生，因為過熱程度越大，沸騰的發生越劇烈，即暴沸，液體往往大量噴出，構成安全隱患。特別是在處理酒精、石油、乙醚等這些易燃液體時，伴隨氣泡噴濺出來的液體如果遇到明火就會燃燒起來。碎瓷片（或沸石）是一種多孔的硅酸鹽，通常內孔中存儲著氣體，加熱時這些氣體逸出，形成“氣化核”，跳過了形成微小氣泡的階段，這樣就大大地降低了液體的過熱程度。攪拌也有利于氣化核的形成。因此，加入碎瓷片（或沸石）和攪拌可以有效地減少過熱現象的產生。

【問題12】為什么油不溶于水？

【解答】溶解過程是溶劑分子拆散、溶質分子拆散、溶劑與溶質分子相結合（溶劑化）的過程。根據溶解過程的自由能變化公式△G=△H-T△S可知，如果△G＜0，溶解易于進行；△G＞0，溶解難于進行。油不溶于水（疏水效應）通常用“相似相溶”經驗規律來解釋。凡溶質與溶劑的結構越相似，溶解前后分子周圍作用力的變化越小，這樣的過程就越容易發生。若將油溶于水，需要破壞油分子間的弱的范德華力、水分子間的范德華力及部分氫鍵，再形成油分子與水分子之間相對較弱的范德華力。一般認為，后者不足以彌補前者損失的能量，故整個過程應吸熱，即焓變應為正值（△H＞0）。而由于兩相混合，混亂度增加，熵應增加（△S＞0）。故通常的解釋是焓變驅動了疏水效應的發生。近年來研究發現，在油分子周圍的水化層中，水分子間可形成比水相更強更有序的氫鍵，故將導致熵減（△S＜0），因此熵變（△S＜0）是油不溶于水的決定性因素。由此可見，油不溶于水這個看似簡單的現象，普遍而又復雜。疏水效應與很多重要的自然現象相關，如生物膜的結構、洗滌劑的去污原理、表面活性劑的作用、相轉移催化劑等。

【問題11】凝固點降低原理在生活和生產中的常見應用有哪些？

【解答】非揮發性、非電解質的稀溶液的蒸氣壓比純溶劑低，并且溶液濃度越大，蒸氣壓下降越多。在101 kPa下純液體和它的固相達平衡的溫度就是該液體的正常凝固點，此時液相的蒸氣壓與固相的蒸氣壓相等。純溶劑的凝固點為，但在溶液的蒸氣壓低于純溶劑的，所以溶液在不凝固。當溫度繼續下降到Tf，溶液的蒸氣壓和純溶劑固相的蒸氣壓相等，達到平衡，該溫度（Tf）即為溶液的凝固點。就是溶液凝固點的降低，它和溶液的質量摩爾濃度（m）成正比。冬天，撒一些鹽，會使覆蓋在馬路上的積雪較快地融化。松樹葉子在寒冬里能常青而不凍，是由于入冬前松樹葉內存儲了大量的糖分，降低了葉液的凝固點。在冬季，常常將一定量的甲醇或乙二醇加到汽車散熱器的冷卻水中，由于冰鹽浴的凝固點低于冰浴，可防止水的凍結。上述這些常見應用都利用了凝固點降低原理。在基礎有機化學實驗中，常采用測定物質熔點的方法來檢驗其純度。由于含雜質的有機物可看成是一種溶液，其中有機物為溶劑，雜質為溶質，故有機物含雜質時其熔點會比純有機物低。

【問題13】為什么醫院給病人作靜脈點滴用的輸液是0.9%的生理食鹽水、5%的葡萄糖注射液？滲透壓與生命現象關系密切嗎？

【解答】有關滲透壓的系統研究表明，生物細胞膜具有半透膜的性質。人體內的毛細血管壁和細胞膜就是半透膜，其滲透平衡與生命現象密切相關。臨床上給病人作靜脈點滴時，各種輸液的濃度需要仔細調節，確保它與血液的滲透壓相同，即需要用等滲溶液，如質量分數為0.9%的生理食鹽水、5%的葡萄糖注射液。這是醫學上需要遵守的原則，否則可能導致紅細胞中的水分子向高滲鹽水中滲透使紅細胞皺縮，或是水分子向紅細胞內滲透使紅細胞膨脹以致破裂。

人體的腎可看成特殊滲透器，代謝過程中產生的廢物通過它經滲透隨尿排出，有用的蛋白質仍留在腎小球內，故腎功能受損時尿中會出現蛋白質。淡水魚和海魚的魚鰓滲透功能有所差異，水和魚體液之間的滲透平衡通過魚鰓來調節，故淡水魚無法生活在海水中，淡水不能用來養殖海魚。樹根的滲透壓可高達1×106Pa，植物需要的養分和水分正是借助滲透作用輸送到樹葉末端。

【問題14】農田中施肥太濃時植物會被燒死，鹽堿地的農作物長勢不良，甚至枯萎，試解釋原因。

【解答】施肥太濃時或鹽堿地里，當土壤中肥料（或鹽類）的濃度超過在植物中的濃度時，水分會通過植物細胞膜從植物反滲透到土壤中，導致植物枯萎或“燒死”。