氯元素概念發展史及其教育價值

焦愛芳 顧佳麗

摘? 要 氯是典型的非金屬元素，其發展史蘊含豐富的教育價值。在查閱大量文獻資料的基礎上，從氯氣的發現、氧化學說的建立、氯元素的確立等角度闡明氯元素概念的發展史，從培養學生的學習興趣、探究意識和批判性思維方面深入剖析氯元素概念發展史的教育價值。研究結果對優化教師的教學理念、豐富學生的化學史知識、發展學生的核心素養等具有一定的參考價值。

關鍵詞 化學;氯元素;教育價值;核心素養;批判性思維

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0060-03

0 前言

氯（Chlorine），元素符號為Cl，主要存在于海水、海鹽和海礦中，是一種重要的成鹽元素，容易和金屬元素形成天然的氯化物，分布最廣的是氯化鈉，其次是氯化鎂，氯化鉀等。氯也是人體血液和細胞中的常量元素，在人體內主要以氯離子的形式存在，可以與鈉離子、鉀離子結合，具有協同調控細胞、血液等的滲透壓和電荷平衡等作用[1]。此外，氯也是消毒劑和清潔劑的主要組成部分[2]，具有殺菌消毒的作用。

氯位于第三周期第七主族，是鹵素中最早被發現的元素，氯元素的發展過程漫長而曲折。2019年新人教版化學教材（必修1）對氯元素的發展史只簡單介紹了氯氣的發現、確認和命名，而對氯元素發現的過程沒有提及。目前，國內[3-4]和國外[5-6]對氯元素的研究主要集中于氯氣的發現及應用、氯氣的教學設計等內容，而對于氯元素的發展史，特別是其蘊含的教育價值的研究很少。因此，本文較為詳細地論述了氯元素的發展史，并深入挖掘其中的教育價值，不僅可以加深學生對化學元素的認識，而且有利于培養學生的核心素養。

1 氯元素概念發展史

氯氣的發現——氯元素概念形成的前奏? 18世紀初，德國化學家施塔爾（G.E.Stahl，1660—1734）提出燃素說，促進了人們對化學的研究，氫、氧、氮等化學元素相繼被發現[7]，但那時人們對元素的概念還模糊不清。1789年，現代化學之父安托萬-洛朗·德·拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743—1794）在《化學基礎論》中對元素的定義是：“所有還不能用任何方法分解的物質都是元素，或者更確切地說，由于我們迄今尚未發現分離它們的手段，它們對于我們來說就相當于簡單物質。”[8]

1774年，瑞典科學家舍勒（C.W.Scheele，1742—1786）

在研究軟錳礦（主要成分MnO2）時，將軟錳礦投入盛有濃鹽酸的瓶中加熱，很快產生一種黃綠色的氣體，這種氣體具有很強的刺激性，與加熱王水的氣味相似[9]，吸入少量就會使人的肺部感到極度難受。著名科學家格魯柏、赫爾蒙德等人曾接觸過這種氣體，但都沒有收集和研究[10]96。舍勒意識到自己發現了一種新的氣體，隨即開展了一系列研究，驚奇地發現這種黃綠色氣體會使鮮艷的花朵黯然無色;微溶于水，形成的水溶液略顯酸性[11];支持燃燒，能腐蝕金屬容器[12];昆蟲遇到該氣體不能存活[2]。但遺憾的是，他并未深入分析這種氣體的本質，由于篤信燃素說，他推測這種黃綠色氣體是鹽酸失去了當時所謂的“燃素——氫”生成的，因而把氯氣命名為“失去燃素的鹽酸”氣[13]。

從現代化學的角度來看，早期的許多科學發現都要受到當時的理論水平和實驗方法的限制。在燃素說的桎梏中，舍勒未能對這種黃綠色氣體作出正確的解釋，科學家制取單質固然非常困難，但確認一種元素同樣不易。盡管把1774年看作新元素發現的年代，但對它真正的認識又經過了許多年。

氧化學說的建立——氯元素認識的轉折? 同時期，拉瓦錫一直致力于定量研究，他認為燃素說并不能解釋所有的燃燒現象，特別是在發現氧氣后，認識到燃燒是物質與氧氣之間的反應，并在《燃燒概論》中系統陳述了燃燒的本質，提出完備的氧化學說，標志著長期統治化學界的燃素說的終結[14]，這也對科學的發展產生深遠的影響。同時，他卻建立了另外一個錯誤理論，即氧是酸的必要組成部分，正如氧的詞源所暗示的那樣：“oxy-”本義即“酸”，詞根“gen”指“產生”，字面義“產生酸”。與氧化理論一致，鹽酸被認為是氧和鹽酸基（Mu）所組成的氧化物，化學式為MuO。同時，他認為氯氣應該是鹽酸被氧化的產物，應稱之為氧化鹽酸（oxymuriatic acid），用MuO2表示（后文中氧化鹽酸都指Cl2）。由此可見，對于氯氣本質的認識，人們在錯誤的道路上走得更遠了。

1785年，法國化學家貝托雷（C.L.Berthollet，1748—

1822）也熱衷于研究氯氣。他將純凈的氯氣通入盛有水的密封容器中[15]，發現水面上方的氣體減少了，推測這是部分氯氣溶于水的緣故。此外，他將該水溶液放在陽光下，卻產生了鹽酸和氧氣[16]。他當時沒有意識到這是氯氣與水發生了如下反應：

他以為氧來自氯氣而不是水，便錯誤地認為氯氣本身能夠分解，分解的式子表示為：氯=鹽酸+氧。這使得他更加確信了拉瓦錫的觀點。按照他的說法：“氧化鹽酸是由氧和鹽酸化合而成，但是它們之間結合得不是很牢固，遇到光就立刻分解。”[17]但在當時人們運用很多種方法都未能將氯氣分解。以現代觀點分析，貝托雷錯誤判斷的主要原因在于對事物的分析過于片面，沒有考慮到水對氯氣的影響[18]，根本原因是他潛意識中認為酸中含有氧，因此很難跳出思維的束縛。

1809年，法國著名化學家蓋·呂薩克（J.L.Gay-Lussac，1778—1850）和泰納（L.J.Thenard，1777—1857）試圖從氯氣中分離出氧。他們將碳粉在高溫下燒至紅熱，然后通入氯氣，期待產生二氧化碳氣體，這樣既分離出氧，又得到鹽酸基[19]。然而，實驗進行了好幾個月，無論怎么改變實驗條件，兩種物質都不發生反應。但是，將氯氣通入盛有氫氣的玻璃管中，只要稍微加熱，就能產生氯化氫，卻沒有生成水，這表明氯氣不含有氧。由于兩位科學家對“酸中必含有氧”的理論深信不疑，以致并沒有根據自己的實驗事實進行深入思考和分析，而是繼續把氯氣看成一種化合物[20]。他們雖然徘徊于真理的邊緣，但因為不能擺脫當時的理論框架，非常遺憾地錯過了發現氯氣的機會。

打破思維定式——氯元素概念的確立? 氯元素概念的確立最終還要歸功于英國化學家戴維（H.Davy，1778—1829）。1810年，戴維推測如果氯氣比鹽酸含有更多的氧，那么它應該比鹽酸具有更強的酸特性，但事實恰恰相反。氰化氫和硫化氫雖然不含氧，但具有弱酸性，這與拉瓦錫提出的“一切酸中都含有氧”相矛盾[21]，于是戴維猜想是否存在無氧酸呢？他開始研究氯氣，按照拉瓦錫的觀點，氯氣比鹽酸含有更多的氧，從而也更容易將氧分離出來。他將金屬鉀和氯氣混合反應，得到鹽類物質（KCl），沒有發現氧化物。他繼續嘗試，用伏打電池堆使電流通過氯氣連續放電幾小時，引起強烈的爆炸，始終沒有發現該氣體分解的跡象，更不用說分解出氧[22]。他又用電流將木炭燒至白熱，希望木炭在氯氣中燃燒，結果根本不發生反應。即使先把木炭放在真空中強熱，除去所有揮發性物質，再將其置于干燥的氯氣中，也是一樣。多次實驗的失敗，使戴維認識到這種氣體的行為更容易假設它是一種化學元素，還建議將其名稱改為Chlorine（氯），來自希臘文chloros[10]98，

是根據氣體的顏色來命名的。我國起初把它譯為綠氣，隨著化學的發展又改為氯。1811年11月，戴維將該論述整理成論文并發表，正式提出氯是一種元素。

馬克思曾說過：在科學上，沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點。戴維就是這樣的人，他在研究氯氣的過程中曾多次遭遇失敗和他人的質疑，但始終沒有放棄，最終證明氯為一種元素。在許多化學文獻中都談及戴維是第一個證明氯氣本質的人，然而這些資料通常省略了對理解戴維工作的歷史意義至關重要的兩點：

1）當時與建立任何物質作為元素有關的概念和實驗困難;

2）氯作為元素的建立對當代化學理論的影響[23]。

戴維的成功不僅僅在于確立了氯元素的概念，更重要的是出色地修正了拉瓦錫的含氧酸理論和燃燒的氧化學說，這為后來酸的氫理論和更廣泛的氧化概念的發展奠定了基礎。

2 氯元素概念發展史的教育價值

英國哲學家弗·培根曾說過：“學習歷史可以使人明智。”氯元素概念發展史飽含數位科學家的心血，展示了科學家在研究中的科學方法和科學精神。教師在實際教學中適當地呈現氯元素的產生發展過程，對于學生體會其中的科學思想和科學精神具有重要意義。

激發學生的學習興趣? “興趣是最好的老師。”如果單一的教學方式不能引起學生的學習興趣，就無法達到啟迪智慧的目的。氯氣似乎是舍勒偶然發現的，但偶然中往往潛藏著必然性，這種必然性體現在：

1）舍勒從小就癡迷于化學實驗，對化學有著濃厚的興趣，這使得他具有善于捕捉微小變化和新事物的能力;

2）舍勒多年從事化學研究，這使得他具有豐富的學識和明銳的洞察力，從而成為首個發現氯氣的人。

因此，在氯氣知識教學中，教師可以采取循循善誘的方式使學生明白學習化學必須有敏銳的觀察力、勤于思考的習慣和對事物的好奇心。通過舍勒制備氯氣的過程，讓學生了解知識產生的曲折歷程，課本中的知識不再單調無味，而是充滿趣味性，從而激發學生探究知識的欲望和學習的積極性。

培養學生的探究意識? 高中階段的化學課程處在一個關鍵的位置，是學生科學素養提升的飛躍期。在這一階段的學習中，對學生的要求不單單停留在知識層面，更多的是提高學生的能力，發展學生的素養，培養學生的探究意識。在教學中，教師可以通過創設問題情境引發學生思考，讓學生帶著問題探究，去體驗和感受知識的產生和發展過程，從而使知識的傳授達到“潤物細無聲”的效果，同時有助于培養學生的思維能力和探索精神[24]。如在探究氯氣的性質時，教師提出問題：氯氣為什么能使鮮艷的花朵黯然無色？激發學生的求知欲，引導學生自主設計探究性實驗：

1）將干燥的氯氣通入盛有紫色紙花的瓶中;

2）將干燥的氯氣通入盛有紫色鮮花的瓶中。

通過兩個實驗的對比，學生直觀地感受到使花朵褪色的不是氯氣而是次氯酸。將氯元素發展史融入課堂教學，對教師豐富教學方式開辟新途徑，對培養學生的探究意識具有重要的價值。

培養學生的批判性思維? 培養學生的批判性思維是化學新課程的一個重要內容。在氯元素發展史上，面對數個實驗事實，舍勒忠實于燃素說，貝托雷堅持維護氧化學說，蓋·呂薩克和泰納篤信氧化學說，由于迷信科學權威，使他們無法揭開氯元素的面紗。而戴維則總結前人的經驗，以科學實驗和嚴謹的分析為基礎，以大量實驗事實為依據，用批判的眼光進行審查，不盲目從眾，敢于向已有的理論挑戰，勇于批判創新，獲得最終的成功[25]。由此可見，批判性思維對一個人的發展是至關重要的。在教學中，教師通過引導學生體會戴維的批判性精神，使學生善于思考，善于創新。同時，批判性思維的養成有利于促進學生對知識的吸收和轉化，有利于學生形成求真務實的學習態度，可以使學生感受到化學學科的魅力和發展性，加深對科學本質的認識[26]。

3 結語

任何基本概念和原理的形成一開始都不是完美無缺的，都要經歷一個不斷修正、完善和發展的過程[27]。氯元素概念的形成經過了由發現到認識、由錯誤認識到正確認識的曲折歷程。從舍勒制備出氯氣，到拉瓦錫將氯氣視為氧的化合物，再到戴維最終確定氯為一種化學元素，氯元素概念的確立凝聚了數位科學家的智慧。在教學中，教師恰當地引入一些化學元素產生發展的故事，加深學生對知識完整性的理解，學習科學家的研究方法和科學精神，能夠調動學生學習化學的主動性，有利于發展學生的核心素養。■

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