以金属及其化合物的教学为例谈微粒观的构建

陈世江

【摘 要】高中化学新课程改革核心任务提高学生的化学科学素养。化学基本观是基于这个理念提出的，要提高学科素养关键是突破以知识传授为核心的教学模式，转向以构建化学观为核心的教学。本文尝试以金属及其化合物知识为载体探讨如何促进学生构建化学基本观中的微粒观。

【关键词】化学基本观；金属及其化合物性质；建构；微粒

化学基本观是对具体化学知识深入理解后的抽象概括，随着时间推移学生会淡忘具体化学知识，所剩余的思想意识层面的东西，沉积下来的对物质世界的理解方式和思考方法就是化学学科素养。学生学科素养的提高依赖于化学基本观构建。化学基本观必须是学生在学习过程根据已有知识和经验思考、探究，付出一定心智后主动构建，教师虽无法安排专门的课时传授，但应有意识教学知识与活动帮助学生构建化学基本观。宋心琦教授指出：学生能否牢固地、准确地、哪怕只是定性地建立起基本的化学观念，应当是中学化学教学的第一目标。从微观世界思考宏观物质变化的微粒观是化学区别于其他学科重要标志，是化学学科特有的观念。高三总复习后期以模块知识为主，学生对于纷扰复杂的元素化合物知识始终云里雾里，即使一时记住了也不知如何应用。构建化学基本观中的微粒观是突破总复习的这一高原现象的有效方法，笔者拟设计以金属及其化合物知识为载体培养微粒观的构建。

一、实验探究金属单质稳定性促进学生构建微粒观

从微观角度认识金属的稳定性主要取决于金属的抗腐蚀能力，一般认为金属抗腐蚀能力与金属的活动性和金属表面氧化物的性能有关。从两个因素将金属抗腐蚀能力分为三类：第一类，金属本身化学性质很不活泼，如铂、金、银能在自然界中稳定存在。第二类，密度小且化学性质活泼的金属，如锂、钠、钾等在空气易被氧化且生成的氧化物比金属本身密度更大，难于覆盖在金属表面，结构中有空隙，腐蚀介质和氧气能继续与内部金属反应，另一个原因这些金属氧化物自身也不稳定。第三类，大多数性质活泼且密度较大的金属本身易被氧化，但由于生成的氧化物的密度比金属本身小，所以氧化物能紧紧地覆盖在金属表面形成致密保护膜。如铬、铝在空气中表面会生成一层氧化物（ Cr2O3 ， A12O3）保护膜。为了让学生从微观角度认识到金属表面层形成致密、坚韧而又紧紧附着在金属表面的保护膜是抗蚀的必要条件。在高三化学总复习安排学生做如下表1探究，帮助学生建构微粒观。

探究项目 提出假设 实验探究 现象 结论

铁易生锈，比铁更活泼的镁和铝为什么不生锈 镁和铝表面有氧化物保护膜， 1.铝片在酒精灯加热变软，用针捅破变软部分。

2.铝粉撒落在酒精灯火焰。

3.未打磨的镁条放入滴有酚酞的热水中加热煮沸。 1.有液体流出，但不铝片不燃烧。

2.铝粉剧烈燃烧，发出耀眼白光

3.酚酞长时间不变红。 铝片和镁片表面生成致密氧化物保护膜，且MgO和Al2O3熔点很高，保护内部金属进一步与氧气反应。

钠在空气也生成氧化钠，为什么钠在通常情况不能稳定存在 金属钠表面生成的氧化钠本身易与水和CO2反应，自身难保。 取少量氧化钠放置表面皿于空气中。 先变为糊状物质，10天后生成白色粉末状物质；往该粉末滴加盐酸产生气体。 氧化钠在空气逐渐生成疏松碳酸钠固体，最终全部钠块都反应生成碳酸钠。

铁和铜在潮湿的空气中都易生锈，为什么不受氧化膜保护呢。 氧化膜疏松，难于保护内部的金属。 1.分别将浓硫酸钝化过的铁钉和自然生锈的铁钉放置于一半放置于水中。 经钝化过的铁钉不生锈，而表面生锈的铁钉继续生锈。 通常情况下铁钉表面生成氧化铁膜很疏松难于保护内部的金属。

表1

以随堂实验形式探究表1内容，从微观角度对比金属表面氧化膜结构及其性质比较发现他们之间的内在联系不但复习了学过的知识，也促进了学生深入微观世界思考化学中的其他问题。

二、对金属钝化的微观探究帮助学生微粒观的构建

将宏观感性认识的物质与微观抽象的粒子相联系是化学学科区别与数学、物理等学科的重要特色。化学学科的这一特点也是通常被学生认为难以学习掌握的原因之一。从分子学说的提出到近代原子结构的认识无一例外地都将宏观现象与微观世界相联系，所以将宏观与微观相联系的思维方法和理念是化学领域又一重要基本观念。关于金属钝化的知识高中课本叙述的篇幅只寥寥几行字，学生对此也一知半解。事实上金属钝化包含大量化学知识且在工业中有着重要的应用。金属铁和铝的钝化机理目前有两种学说。第一种薄膜理论，也是目前高中教材认可的理论。当金属铁和铝浸入浓硝酸（大于60%）时，认为金属表面生成致密的氧化物保护膜。第二种为吸附氧理论，认为金属表面吸附一层单分子氧，使金属表面反应活性降低而钝化。但薄膜理论和吸附氧理论都无法解释Mg在非氧化性酸HF中钝化，Nb和Mo在盐酸中钝化。也无法解释不是使用强氧化剂而电化学法使金属钝化。海军工程大学的李连杰博士认为：金属在电解质溶液中产生的金属离子，在金属表面的液层如果向外扩散的速度很慢，就会引起金属表面离子浓度逐渐增大，当大量正电荷的金属离子在金属表面聚集时，必然对金属上的电子产生引力，一些电子被吸引到金属表层，但金属的正电荷会阻止电子外溢，如图1所示，当内外的正电荷作用力相当时，金属溶解速度变得很小处于“钝化”状态。

通过以金属钝化知识为载体探究微观世界，培养学生把宏观物质变化和现象与微观相联系，使学生建立起物质变化统一于微观变化的理念。

三、以氢氧化铝阻燃机理创设情景促进微粒观的构建。

氢氧化铝阻燃剂是目前国内应用最广泛的合成无卤阻燃剂材料之一，它具有阻燃、消烟、填充等大功能，相对含卤阻燃剂有燃烧时无二次污染，在聚合物中分散性好等优点。广泛用于电工、电线、电缆、日用品、建筑材料、运输等塑料和橡胶制品中。课堂上演示如图2所示一小块添加氢氧化铝阻燃剂的聚苯乙烯白色泡沫塑料和另一块未添加氢氧化铝阻燃剂的聚苯乙烯塑料（本地装饰材料店购买）同时放酒精灯点燃。实验现象为含氢氧化铝的苯板不燃烧。

引导学生讨论氢氧化铝阻燃剂原理。氢氧化铝受热分解的热化学方程式：

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

（1）氢氧化铝受热分解为吸热反应，此外反应产物中水转化为水蒸汽也吸收热量。以上吸热过程使得环境温度难于达到聚合物的着火点。

（2）从微观角度分析：氢氧化铝分解产生水蒸汽稀释氧气使得可燃物表层氧气的浓度下降。 同时在可燃物表面生成Al203保护膜隔绝氧气，可阻止燃烧。

（3）氧化铝微粒有较强的脱水性，使聚乙烯塑料碳化而不产生挥发性，从而阻止火焰蔓延。

通过以上阻燃机理的分析，学生从微观世界深化认识氢氧化铝的分解反应，帮助学生构建微粒观。

四、总结

化学基本观的构建不是纸上谈兵，在总复习过程中不是把金属及其化合物知识按金属单质、氧化物、氢氧化物每种具体的物质性质单纯罗列出，而后要求学生逐一记忆背诵，这种把具体知识以静态形式呈现显然无法帮助学生构建化学基本观，纵使学生花大量精力记忆也无法将所学知识活用。本文把具体元素化合物知识深入理解加工成可迁移的观念性认识。化学基本观对具体知识的学习有引领作用，有助于将知识转化为能力。

参考文献：

[1]宋心琦，胡美玲，對中学化学的主要任务和教材改革的看法[J]：化学教育，2001，（9）：9～13

[2]李连杰，桂赤斌。 金属钝化现象的电子理论研究[J]，腐蚀研究，2009，（8）：24～25