对教学中几个疑问的探讨与思考

黄金泉

摘要：对化学教学中的4个案例提出了质疑。运用化学原理和实验探究，分别剖析了这4个教学案例中产生疑问的原由，并提出了一些有益于教学的思考和建议，以期与同行交流，共同提高。

关键词：教学案例；疑问探究；中学化学教学

文章编号：1005–6629（2015）3–0082–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

我们知道，教材是不可或缺的重要的文本。在读懂、读透、读活教材的同时，融入自己的教学智慧，灵活地对教材内容进行整合和拓展，是我们每个教师所追求的高境界。然而实际教学过程中，有些教师缺乏对教材内容深入研究和思考，甚至曲解了教材编写的意图，对在教学中遇到的一些教学实际问题，常常想当然地进行所谓的“合理”解释，结果不经意间导致了一些科学性错误，对学生产生了误导。下面笔者就几个常见的化学教学实际问题，浅谈自己的一些思考。但愿这些思考能给同行们带来一些启示。

1 工业上用焦炭在高温下还原二氧化硅制粗硅时，产物生成CO是因为焦炭过量吗？

在实际教学过程中，笔者经常听到同行关于碳与二氧化硅反应为什么生成CO而不是CO2是这样解释的：由于反应过程中，焦炭过量，而过量的焦炭在高温下会把CO2还原为CO，所以产物是CO。这样的解释对学生而言看似“合情合理”、“令人信服”，因为初中阶段学生就已经熟悉碳可以在高温下还原CO2生成CO的事实，果真如此吗？笔者在江苏“教学新时空”名师课堂高中化学，有幸听到金陵中学江敏老师开设的一节“化学反应进行的方向[1]”的公开课，授课中江老师从学生已有的认知出发定性地解释了高温条件下，碳与SiO2反应为什么是生成CO而不是CO2的问题。她是从熵拉动反应的因素考虑的：焦炭在高温下还原二氧化硅制粗硅是一个置换反应，由于C的金属性比Si的金属性弱，不利于该置换反应的发生，因此需要熵来拉动。虽然生成1mol CO2的熵比生成1mol CO的熵要大，看似有利于反应向生成CO2的方向进行，但对比SiO2+2C=Si+2CO和SiO2+C=Si+CO2这两个反应，很容易看出前者可以得到2mol CO，而后者只能得到1mol CO2，可见生成CO的熵值更大，更有利于“拉动”该反应的进行，所以是生成CO而不是生成CO2。笔者听后很受启发，围绕该反应重新进行了审视和研究，查阅相关文献，尝试通过近似计算从定量的角度来进行解释。有文献[2]记载，可以利用热力学参数，分别计算出碳与二氧化硅在高温下反应生成CO、碳与二氧化硅在高温下反应生成CO2时反应自发进行所需的温度。具体计算过程如下：

若反应生成CO2，即发生反应SiO2+C=Si+ CO2则：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO2）+ΔfGθ（Si）]-[ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C）]=（-394.4 kJ·mol-1+0）-（-805.0 kJ·mol-1+0）=410.6 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常温下该反应不能自发发生。经近似计算：ΔrHθ=465.89 kJ·mol-1；ΔrSθ=184.79 J·K-1·mol-1，根据ΔrG=ΔH-TΔS<0反应才能自发进行，推出只有T>2521.18K时，该反应才可能发生。

若反应生成CO，即发生反应SiO2+2C=Si+ 2CO，则：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO）×2+ΔfGθ（Si）]-（ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C））=[（-137.3 kJ·mol-1）×2+0]-（-805.0 kJ·mol-1+0 kJ·mol-1×2）=530.4 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常温下该反应也不能自发进行。同理，根据ΔrG=ΔHTΔS<0反应才能自发进行，近似计算推出只有T>1766.88K时，该反应才可能发生。

经以上近似计算，在高温条件下这两个反应都能发生，但生成Si和CO的反应比生成Si和CO2的反应更容易进行，因生成Si和CO的温度较生成Si和CO2低754.3K，从工业化生产角度来看SiO2与C在高温下反应生成CO才符合生产实际。由此可见，工业上用焦炭在高温下还原二氧化硅制粗硅时，产物生成CO并非是因为焦炭过量，而主要是因为生成CO时所需的温度低的缘故。当然，对高一学生，笔者认为课堂上没有必要就该反应向学生解释为什么。但作为教师，要是非明确，清楚原由，切不可想当然地进行随意解释。否则，易对学生造成科学性误导。

2 粗盐中含有的Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质，能否加入Ba（OH）2正好达到既除去Mg2+，同时又除去SO42-的目的？

3 室温下，向饱和的Na2CO3溶液中通入足量的CO2气体，没有晶体析出是因为CO2气体中混有HCl气体的缘故吗？

笔者在一次课堂教学展示活动中，听取了一节课题为“Na2CO3与NaHCO3”的高三复习课。授课者在讲授Na2CO3在一定条件下可以转化为NaHCO3时，设计了这样一个教学环节：首先，PPT投影思考题：室温下，向饱和Na2CO3溶液中通入足量的CO2气体，会有晶体析出，此晶体是什么（请用化学方程式表示）？析出晶体的主要原因是什么？然后引导学生相互交流讨论，得出此晶体是NaHCO3，发生反应的化学方程式为CO2+H2O+ Na2CO3=2NaHCO3。析出晶体的主要原因是（1）生成的NaHCO3溶解度较Na2CO3小[注：Na2CO3的溶解度（20℃，21.5g）；NaHCO3的溶解度（20℃，9.6g）]；（2）Na2CO3转化为NaHCO3后，生成的NaHCO3质量增加了。同时指出反应消耗了水，溶剂水变少了也是晶体析出的原因之一，但不是主要原因。为帮助学生加深理解和记忆，他还特意将该反应过程在课堂上进行实验演示，具体步骤如下：向事先配好的饱和Na2CO3溶液（注：其配制方法是：向烧杯中加入一定量的蒸馏水，然后加入Na2CO3固体粉末，不断地搅拌，直至烧杯底部有固体粉末剩余为止）中通入由大理石和稀盐酸反应产生的CO2气体，结果出乎学生们的意料，通了很长时间也没有观察到晶体的析出。于是他趁势让学生讨论实验出现异常现象的原因。最后大家一致认为是通入的CO2气体中混有HCl气体，HCl气体与溶液中的Na2CO3反应生成了NaCl，因而没有NaHCO3晶体析出。由于课堂时间的关系，教师当时也赞成了这种说法，没有将异常现象的原因再深入探究下去。真实情况果真如此吗？是因为CO2气体中混有HCl气体造成的干扰吗？听课过程中笔者产生了疑惑，课后就在实验室里进行实验验证。

笔者先将大理石和稀盐酸反应产生的CO2气体，通过装有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，以除去可能混有的HCl气体，然后再将净化后的CO2气体通入到事先配制好的饱和Na2CO3溶液（注：配制方法同上）中，大约通了20多分钟，结果还是没能看到晶体的析出！这样就排除了HCl气体的干扰。既然不是HCl气体的干扰，那究竟是何原因导致了实验的异常？笔者阅读到了由游梅老师撰写的“一个大胆的猜想赢来的成功[5]”一文，从中受到启示，原来真正的“罪魁祸首”并非是CO2气体中混有的HCl气体，而是室温下配制的所谓的“饱和”Na2CO3溶液，在很大程度上并不是真正的饱和溶液的缘故！为此，笔者按照游老师介绍的方法，先把较多量的Na2CO3固体粉末在煮沸状态下的蒸馏水中进行溶解，配成较高温度下Na2CO3的浓溶液，然后将溶液静置，冷却至室温后过滤，在滤液中通入CO2，结果发现在15min左右有较多量的白色细小晶体析出（注：若事先在饱和Na2CO3溶液中加入少量的75%的酒精，析出效果会更好些）。将该白色细小晶体滤出、小心烘干并放入试管中加热（试管用带玻璃管的单孔橡皮塞封闭），将产生的气体通入澄清石灰水中，结果溶液变浑浊，证明该晶体中确实有NaHCO3。笔者后来分析该实验之所以难以成功，除了饱和Na2CO3溶液的因素外，还有一个主要的原因是CO2在水中的溶解度不大，导致通入的CO2只有很少一部分与饱和碳酸钠溶液反应，其余大部分CO2都跑掉了。因此，要想顺利获得成功，必须注意以下几个细节：一是要配制真正的饱和Na2CO3溶液；二是通入的CO2气流要大且连续；三是通入CO2气体的导管最好要插到试管底部，使CO2气泡破碎成更细小的气泡，以增大CO2气体与饱和碳酸钠溶液的接触时间，使其能被Na2CO3溶液充分吸收。

4 NH3与CH4何者更稳定？

实际教学过程中，笔者在一些教辅资料中经常看到：“比较NH3与CH4稳定性的强弱？”这一类问题，没有任何前提和背景。这种说法妥当吗？在苏教版《必修2》[6]“元素周期律”这部分教材内容上，以信息提示的方式出现了这样一段话：“元素的非金属性越强，它的单质越容易与氢气反应形成气态氢化物，气态氢化物越稳定”。由于N和C这两种非金属元素位于元素周期表第二周期相邻位置，且C排在N的前面，根据同周期非金属元素变化规律可知：N的非金属性大于C，则NH3的稳定性大于CH4，这也是大多数教辅资料中提供的参考答案；但分子内部的键能也能反映出分子的稳定性。“通常，键能愈大，键愈牢固，由该键构成的分子也就愈稳定[7]。”笔者查阅了教材[8]上给出的键能数据，H-N键的键能为393 kJ·mol-1，H-C键的键能为413 kJ·mol-1，显然H-C键的键能比H-N键的键能大，所以NH3的稳定性小于CH4；再从热力学方面看，NH3和CH4的热分解反应的热力学数据如表2。

从热力学数据中可以看出，NH3分解进行的趋势比CH4分解趋势大，NH3分解反应的熵变比CH4大，说明NH3比CH4分解所需的温度低，因而NH3的稳定性小于CH4。NH3的稳定性不如CH4可以从物质结构方面加以解释：CH4分子的形状是正四面体形，具有高度的空间对称性，使得CH4分子具有空间结构的对称稳定性；而NH3分子中存在一个非键孤电子对，对成键电子具有排斥作用，使得NH3分子的形状为三角锥形。NH3分子的对称性不如CH4分子，导致NH3分子的稳定性较差，这也正符合物质结构决定物质性质这一化学思想。可见，NH3和CH4何者更稳定的比较问题较为特殊，它是一个违反元素周期律和电负性规则的特殊现象。因此，笔者以为不能仅从元素周期律的角度来对它进行考量。否则，易引起歧义，尤其是在试题创作时更应加以注意。

综上所述，教学中在整合和拓展教材内容时，对一些看似简单的问题，切不可想当然人云亦云，而要进行深入研究，探讨问题的本质与内涵，做到真正把握教材编写的意图，以免产生一些科学性误导。而这一误导不仅仅是知识的误导，更重要的是科学方法和科学思维的误导，应该极力避免。

参考文献：

[1][名师课堂高中化学]江敏.化学反应进行的方向[EB/OL].（2012-10-12）[2014-09-25]. http：//hx.jssjys.com/ Html/Article/2140/.

[2]白涛，魏群，陈荣.对“硅”教学中几个疑问的探讨[J].化学教学，2008，（3）：72～73.

[3]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科·化学1（必修） [M].南京：江苏教育出版社，2014.

[4]郭琨编著.海洋手册[M].北京：海洋出版社，1984.

[5]游梅.一个大胆的猜想赢来的成功[J].中学化学教学参考，2014，（7）：36～37.

[6]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科·化学2（必修）[M].南京：江苏教育出版社，2013：5.

[7]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室.无机化学（上册）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1995：255.

[8]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学.物质结构与性质（选修）[M].南京：江苏教育出版社，2014：49.