地方高校师范专业中学化学与无机化学几个知识点教学衔接的探讨

2020-06-07蒋正静王红艳殷竟洲李荣清徐继明

化工时刊 2020年2期

蒋正静王红艳殷竟洲李荣清徐继明张宇

(淮阴师范学院化学化工学院，江苏淮安 223300)

近年来，各个高校都在陆续启动各种专业认证，师范专业也不例外。高校的师范专业，更加明确了OBE办学理念，把培养有理想信念、有道德情操、有较扎实的学识、有仁爱之心的合格的人民教师作为本专业的培养目标。我校作为一个以师范教育为特色的地方师范院校，已经陆续开始了中学教育师范专业认证工作，并以此为契机，进一步提升师范教育的质量。无疑，要成为一名合格的人民教师，具有较扎实的学识是一个基本的、必要的条件。2017版普通高中化学课程标准指出，要以发展化学学科核心素养为主旨，发展高中学生“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”五个方面的核心素养[1]。可见，要成为一名合格的中学化学教师任重道远。在近年的高考模式下，地处苏北的高校、加上化学专业的社会认知现状，我校化学师范专业招收的学生中只有部分是高中选修化学的，他们在高中阶段，大部分只学习了化学必修1、化学必修2[2,3]，化学基础是比较薄弱的。在新的招生录取形势，高校化学教师，尤其是大一无机化学教师如何让学生完成化学知识平稳的过渡、有效的衔接，使学生更好地巩固专业思想面临严峻的挑战。同时，要使师范专业学生的知识、能力、素养得到全面发展，给未来的学生提供优质的化学师资，必须充分了解高中化学教学要求、知识体系，研究其与大学课程的联系、承启关系，理解、把握高中化学内容的“度”，让师范生站在“教师”的高度，理解大学阶段学习内容与中学化学内容的联系，经过对比、分析，采取切实可行的应对措施，实现大学与高中化学教学的有效衔接，保证化学课程学习体系的延续性和统一性。作为多年从事无机化学教学的一线教师，笔者仅对教学过程中，学生在无机化学学习过程中经常遇到的而在中学化学中由于考虑学生的知识基础不便说清的几个知识点的衔接与过渡提一点体会。

1 可逆反应与化学平衡

在中学化学教材中，为了便于理解和掌握，通常说可逆反应在一定条件下、进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应达到化学平衡[2]。在无机化学教学中，首先要让学生弄清楚究竟什么是可逆反应，并不是说，既能向正向进行又能向逆向进行的反应就是可逆反应。在中学教材中，考虑到学生的知识背景和认知水平，往往轻描淡写，在描述时，强调“一定条件”，而作为师范专业学生，心里应该明白这里的“一定条件”内涵是什么？此处的“一定条件”实际上是指正逆处于“同一条件”下。例如，铅蓄电池充放电反应，反应既能正向进行又能逆向进行，正、逆反应条件都是一定的，但不是同一条件，所以该反应不是可逆反应；其次，可逆反应必须是在封闭系统内进行，化学平衡状态才能够达成。如高中化学经常用合成氨的例子供学生讨论[4]：高温高压和催化剂存在下，氮气氢气发生可逆反应，反应器中氨气、氮气、氢气总是同时存在的，因此很多学生就会有一连串的疑惑：合成氨工业是否只能采用间歇式反应器，待一次反应达平衡后再进行下一次反应？原料利用率一定很低了？生产效率一定很低吧？化肥一定很贵吧？而实际情况往往出乎意料，因为反应器(合成塔)并不是封闭体系，而且反应也没有达到化学平衡状态，产物不断引出，未反应掉的反应物循环利用，反应一直在进行中，没有“停滞”，实际生产效率高，原料利用率高，产品并不昂贵。再次，要让学生明白化学平衡是热力学概念，而反应速率是动力学概念，尽管实验事实确实如上述描述，达到化学平衡时，正反应速率和逆反应速率相等，但反应速率并不在化学平衡讨论范围内，化学平衡也不考虑达到平衡的时间问题。

2 化学平衡常数

中学化学教材中的化学平衡常数，只是一个实验平衡常数(或经验平衡常数)，多数情况下，其数值和单位(或量纲)会随着浓度(或压力)以及化学反应方程式的书写(计量系数)不同而不同。因为中学化学中涉及到的化学平衡多为溶液中的反应或单相反应(如Δn=0的气相反应)，不涉及多相反应，所以数值、单位等不用过多考虑。在无机化学中，随着接触的化学反应种类增加，同时为了计算、讨论方便，引入了标准平衡常数，其量纲为1，无论单相反应还是多相反应，标准平衡常数都是一个纯数(数学上的真数)，在后续的有关计算过程中，诸如对数运算，才不会出现歧义。还要让同学注意，标准态与中学化学中的标准状况的区别。标准状况规定了温度和压力(273.15 K，101325 Pa)，而标准状态，如讨论气体时，只规定了压力(pθ=100 kPa)，并没有规定温度，但很多同学会因为热力学数据表用的是298.15 K的数据，而误认为标准态也规定了温度。

3 金属活动性与金属性

很多同学一直分不清它们的区别和联系。在学习了电极电势后，从电极电势看，锂的电极电势代数值是最小的，说明锂的还原性是最强的[5]。中学教材中，学生学习了元素周期律后，经常会讨论为什么金属性顺序是钾钠锂顺序降低，从原子结构知识，很容易加以解释。于是就会产生疑惑，这似乎与大学的知识相矛盾？

有很多教师和同学对此都有探讨[5,9,10]。笔者认为让学生从以下几个方面理解，厘清思路，可能会更清晰、更易掌握一些：

第一、金属性和金属活动性讨论的范畴、角度不同。金属性是元素的性质，是某元素原子的性质，而金属活动性是单质的性质，是大量原子通过特定方式形成的一个集体的性质。

第二、决定强弱的因素及判断强弱的依据不同。金属性讨论的是原子(不局限于金属原子)在化学反应中失去电子成为阳离子的倾向，主要由原子结构决定，决定金属性强弱的因素有原子的半径、第一电离能、电子亲和势、电负性甚至产物的价态，其中，第一电离能最重要(显然不是唯一)。故通常金属性的强弱可以用金属元素的电离能或电负性大小来衡量。由此，从第一电离能的数据，可知钾、钠的金属性要比锂强。金属活动性是金属单质(一般不会讨论非金属)在稀酸或水中置换出氢气(或熔融状态下置换其他金属)能力的一个定性描述。判断金属活动性大小的依据是金属的半反应对应的电极电势，影响其值大小的因素有氧化还原电对的本性(如金属在水中离子化的倾向，强弱由升华能、电离能和水合能等决定)、浓度(压力)、温度、物质(包括反应物、产物等)的形态等。

第三、两者的关系，通常情况下金属性与金属活动性大小是一致的，但有反常情况。金属活动性显然与构成金属的原子的性质密切相关，金属性强，金属原子易失去电子，表现在整体上，金属活动性就强。因金属活动性不仅仅依赖于此，还与反应物产物的结构、性质以及反应条件有关，综合起来，出现反常现象也就不奇怪了。例如，锂的金属性和金属活动性就不一致，锂的电极电势除了与锂原子结构、金属锂的物理性质有关，还与反应的产物相关，因为Li有较小的原子半径，易于水分子结合生成水合离子而释放出较多的能量，这又抵消了因原子半径小等不利因素，故锂的电极电势代数值最小[6]。

第四、金属活动性与反应的剧烈程度不一定完全一致，金属活动性和反应的剧烈程度无关。例如：如果按电极电势高低来排列金属活动性顺序[2]，很快就会发现一个问题，Ca的电极电势比Na的小，活动性应比Na强，但与水反应Na更激烈，这似乎是矛盾的，作为师范专业的学生如何解决这个问题、完成过渡和衔接呢？首先必须让学生明白，电极电势是热力学数据，表示热力学的反应活性，衡量反应的趋势或能力问题，与反应速率无关，不能保证热力学性质与动力学性质不发生矛盾，反应趋势(能力)大，不代表反应一定能发生或反应一定更加激烈；反应速率不是热力学性质，与电极电势大小无关。这就容易说明Ca活动性应比Na强，活动性顺序表中Ca在Na前。同理，铯与水反应会爆炸，而锂与水反应很平和，不能误认为铯比锂活泼。锂的电极电势代数值是最小的，因此，锂仍是活动性最强的金属说明锂的还原性是最强的[6]。

4 金属活动性顺序与电极电势

提起金属活动性顺序表，很多同学马上就能熟练地背出：钾钙钠镁铝……，然而这是基于中学生的知识背景与认知水平的一个定性的说法，并不涉及反应中离子的浓度问题。学习了无机化学，学生们应该知道，金属活动性顺序表的依据就是标准电极电势，标准电极电势是在标态下(温度通常为298.15 K)的数据。例如，锡与铅离子反应，标态下用锡与铅离子溶液反应，确实没错：

标准态时，E⊖=E⊖(Pb2+/Pb)-E⊖(Sn2+/Sn)=-0.126V-(-0.136V)=0.010V > 0

反应自发向右进行。即，锡可以置换铅。

然而，当非标准态时，如铅离子浓度降低时到一定程度时，反应可能逆转。通常情况下自然会想到用电极电势或电池电动势来解释。例如当铅离子浓度是锡离子浓度的十分之一时，则：

E=E(Pb2+/Pb)-E(Sn2+/Sn)

E=-0.019V < 0

所以上述反应的方向发生逆转，即锡不能置换铅。

有些金属可以在酸度很小的时候，就能将氢气置换出来，有些金属在酸的浓度较稀的时候几乎看不到反应的发生，当酸的浓度增大时，则反应可明显地进行，有的同学就会好奇，如果用金属铜与盐酸反应，增加盐酸的浓度是否反应也能进行呢？即反应：Cu+2H+=Cu2++H2能否正向进行？可以应用电极电势的知识加以解释：

Cu+2H+=Cu2++H2

(+)2H++2e-=H2(-)Cu -2e-=Cu2+

E=E(H+/H2) -E(Cu2+/Cu)

=0+0.059 lgc(H+)-0.34-0

=-0.34+0.059lgc(H+)≥0

lgc(H+)≥5.76

c(H+)≥5.79×105(mol·L-1)

通过有关计算看出，要使该反应发生，盐酸的浓度最少达到约5.79×105mol·L-1，显然，这个反应条件无法满足，通常是不会发生的。实际情况是，浓盐酸浓度约为12 mol·L-1，因此，依理论计算结果可以得出结论：该反应实际上不可能进行。但是，作为师范生，要认识到，金属铜与盐酸不反应，这一结论也不是绝对的，当产物的形态发生变化时，金属的电极电势会发生改变，如：在浓盐酸中，加热，当产物为配酸时，降低了铜的电极电势，则金属铜与浓盐酸的反应：Cu+6HCl=2H2[CuCl3]+H2，也是可以发生的。

严格地说，金属活动性顺序适用于水溶液，对非水溶液体系、高温固相反应等体系往往不适用。

拓展一下，学生们自然会联想到实验室用二氧化锰与盐酸反应制取氯气的反应，在中学化学学习时，老师一定会强调盐酸必须是浓盐酸。同样的反应物，为什么要浓盐酸可以而稀盐酸不行呢？师范专业的大学生要清楚地解决这个问题，还是从电池电动势入手，通过能斯特方程进行有关计算，问题迎刃而解。

E⊖(MnO2/Mn2+)=1.2293V

E⊖(Cl-/Cl2)=1.360V

标态时：

E⊖=E⊖(MnO2/Mn2+) -E⊖(Cl-/Cl2)

=1.2293V -1.360V=-0.131V<0

所以，标准状态时，反应不能进行。

当用浓盐酸时(浓度以12 mol·L-1记)，则：

=1.36V

=1.30V

E=E(MnO2/Mn2+)-E(Cl-/Cl2)

=1.36V-1.30V

=0.06V>0

所以，二氧化锰与浓盐酸反应可以发生。

5 电解质与电离

6 键的极性与分子的极性

很多同学在中学阶段只学习过化学必修1和必修2，没有学习过物质结构与性质这部分内容，对于双原子分子，根据化学键的极性对分子的极性进行判断，化学键有极性则分子就有极性，化学键是非极性的分子就是非极性分子，没有问题。但是，对于多原子分子极性的判断，面临很大的困难。如何确定正负电荷重心是否重合，进而判断分子的极性？对于以极性键结合的多原子分子，在中学选修模块《物质结构与性质》教材中，强调要根据分子的几何构型进行判断，在无机化学的学习中，通过杂化轨道理论或价层电子对互斥理论，经过反复练习，根据分子的对称性，也可以进行基本的判断。对于非极性键结合的多原子分子，往往想当然认为其必然是非极性分子，当出现特殊情况时，如在判断臭氧分子极性时，大部分同学就陷入迷茫，按中学教学内容，相同原子O形成的化学键为非极性键，所以，由非极性键结合形成的分子，理所应该是非极性分子，而无机化学学习中，得知臭氧为极性分子，觉得匪夷所思。通过分析臭氧分子的结构看出，臭氧分子为V形，处于中心位置的O原子上孤电子对与两侧氧原子上的孤电子对产生的偶极并不能完全抵消，整个分子的正负电荷重心不能重合，同时分子中的离域π键的贡献，使得分子具有极性且比较稳定。当然这是唯一一个有极性的单质分子，是个特例。这就让学生形成一个新的概念，并不是由非极性键结合的分子就一定是非极性分子[7]。

7 化合价与氧化数

在初中化学里就学习了化合价的概念，是根据化合物中不同元素原子数目比值关系总结出的数值。由化合价的概念知道，化合价只能取整数，随着接触的物质种类的增多，计算化合价就遇到了困难，即使是四氧化三铁这样的常见物质，也无法用化合价的概念去解释铁的化合价。对无机化学的学习中，引入了氧化数的概念，是对化合价概念的科学的修正和发展，让学生用发展的眼光研究化学问题是十分必要的。