化学反应思维及其教学概说

2021-01-23吴俊明李梦雪

化学教学 2021年12期

关键词：化学教学

吴俊明李梦雪

摘要：阐述化学反应的4个基本问题。介绍如下几种化学反应思维：关于化学反应发生的思维、关于化学反应的逻辑思维、关于化学反应本质的思维、关于化学反应机理的思维、关于化学反应演化的思维、关于化学反应应用的思维。探讨化学反应思维的教学。

关键词：化学反应基本问题; 化学思维; 化学反应的演化; 化学教学; 现代化学教学

文章编号： 1005-6629（2021）12-0008-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学反应又称化学变化。没有物质（实物材料）及其化学变化就没有化学科学。从整体上看，化学的基本问题是物质的组成、结构和化学反应问题[1]。物质的组成、结构都跟物质的化学反应紧密联系着。因此，物质的化学变化是化学科学中最核心的基本概念。关于化学反应的思维（“化学反应思维”）始终伴随并且影响着人们感知、认识、实践和应用化学反应的全部过程。化学反应思维是掌握化学反应和化学科学的关键，也是搞好化学教与学的关键。有鉴于此，本文对化学反应思维作一些粗浅的讨论。

1 化学反应的4个基本问题

从根本上说，思维源起于问题，没有问题就不会发生思维活动;如果问题欠佳，思维就可能无法正常进行或者出现错误;问题的质量如何对思维水平往往有很大的影响。就化学思维而言，化学思维起源于化学问题;化学反应思维应该产生于化学反应问题的解决过程之中。要恰当、顺利地开展化学反应思维，首先需要恰当、鲜明地确定需要通过思维解决的问题。

笔者认为，一般说来，引发化学反应思维的问题主要是：

（1）判定化学反应是否发生和存在的依据是什么——化学反应有哪些特征？化学反应最基本、最重要的特征是什么？衡量化学反应发生和完成的基本参量是什么？由化学反应的特征还可以进一步派生出怎样对化学反应进行合理分类、化学反应有哪些类型等问题。

（2）化学反应发生和存在的条件是什么，其中必要的条件又是什么？

（3）化学反应的本质是什么？

（4）化学反应的机理是什么？

这4个问题应该是化学反应思维的主干内容。化学科学的发展历史，包含了对化学反应的这4个基本问题进行探索、寻求解决的历史。

还有两个问题：

（5）化学反应（化学变化）跟物理变化、生物变化等变化有没有联系、有何联系？

（6）从物质世界的发展看，化学反应是如何产生和演化的？

这两个拓展性问题有助于全面地、完整地认识化学反应和认识客观世界，有重要的认识意义。

目前，这6个问题只是得到初步解决、基本解决或者局部解决，同时人们还会不断地发现新的具体问题和新的困惑。

至于如何对化学反应进行控制、如何对化学反应进行应用和评价等等，它们是关于化学反应的重要问题，但不是化学反应的基本问题，因为它们的完美解决必须以4个基本问题的解决为前提。

2 关于化学反应发生的思维

中学生刚开始学习化学时就被告知：一种或多种物质变成跟原来不同的新物质的变化是化学变化，没有新物质生成的变化叫做物理变化。怎样确定是不是生成了跟原来不同的新物质呢？教科书中通常用具体的事实，例如状态、颜色、嗅味、晶型以及发热、发光等现象作为依据来说明。

实际上，“有或沒有新的物质生成”是一个判断，而不是直接的事实依据。而且，状态、晶型、颜色等发生变化以及发热、发光时，相应物质不一定就发生了化学变化，用它们作为判据并非理直气壮。由于学生从日常生活中获得的经验非常有限，教科书这样处理只不过是一个无奈之举。为了弥补学生经验不足之困，教师的实验演示和分析、讲解十分必要。

化学反应发生判据的思维是化学反应发生思维的重要内容。

学生在感知有关实验时，要结合实验观察活动依次展开一系列思维活动，主要是：

定向思维活动——明确感知目标及其感知内容和感知重点。此时，学生的自觉性、教师的要求与指导以及学生个体的兴趣将同时对学生的感知和思维活动起调控作用。

收集、理解活动——根据确定的感知目标、感知内容和感知重点，感知和收集相应材料;然后，对获得的感知材料进行比较、初步选择、变换、组合，形成有意义的判断，达到初步的局部的理解。

综合、巩固活动——联系、综合所有的局部理解，形成对实验整体认识的初步结论，进行化学反应形象思维。在这一过程中，学生主体要对之前形成的各个初步的局部理解进行批评、核验、纠正、取舍、更换和补充，才能最终确定具有假说性质的认识。

运用、发展活动——在新的、更大范围内运用上述具有假说性质的初步结论进行核验、完善等活动，或者通过跟教科书核对、通过教师评价，确定、完善和发展实验观察及解释的结果。

如果学生自己进行实验，还需要进行实验思维活动。

3 关于化学反应的逻辑思维

在化学反应体系中一定有反应物和生成物，有时还有催化剂和反应物载体;化学反应总有其发生的条件（包括通常条件和特殊条件）;根据化学反应的不同特征可以对化学反应做出不同的比较和分类……这些关于化学反应的思维规律是化学反应的基本逻辑。

在判定发生了化学反应后，按照上述逻辑对具体的化学反应开展分析和综合思维，作出关于化学反应概念的定义、判断、推理、分类、限制与概括等运作，都属于化学反应的逻辑思维活动。

除了逻辑思维活动外，还可能进行化学反应的系统思维和联想思维活动。

4 关于化学反应本质的思维

化学反应又称化学变化。所谓变化，是指事物在形态、本质上产生不同于先前的状况。事物原来的形态、本质被新的形态、本质代替往往要经历一系列连续的步骤，延续或长或短的时间。这里所说的“一系列连续的步骤”就构成了事物形态和本质的具体变化过程。由此看来，化学反应的本质可以归结为过程，化学反应就是化学过程，化学反应等同于化学过程。

化学过程的决定因素是什么？弄清这个问题有助于进一步弄清化学过程的本质。

最初，从波义耳到拉瓦锡都认为：化学过程是物质种类发生变化的过程，是物质的组成、结构发生变化的过程，物质的组成、结构满足一定的条件就会发生化学反应。由此，物质的组成和结构自然被认为是化学过程的决定因素。但是，当时的化学家们对物质的组成、结构是怎样具体地影响化学过程的规律却不太清楚。

19世纪初，贝托雷（C.L. Berthollet， 1748～1822，法）在其论著《亲和力定律的研究》和《化学静力学概论》中提出：化学反应不单要看亲和力，更重要的是反应中各物质的质量以及产物的性质，尤其是产物的挥发性及溶解度。他指出，化学反应一方面决定于亲和力的大小，另一方面也决定于反应物的质量;外部条件，首先是温度，对化学反应过程和化学反应的结果也有较大影响[2]。他还曾用一系列的实验来证明他的化学亲和力理论，特别是关于质量效应的观点。后来，人们对化学过程的研究大体上沿着化学亲和力的影响、反应物质量的影响、外部条件对过程的影响3条线展开，这种情况跟贝托雷的思路似有关联。

19世纪中叶开始形成的化学热力学逐步撇开了亲和力概念，撇开了发生化学反应的原因这个比较抽象的问题，转向具体地关注化学反应是怎样进行的，通过反应物和产物的始态和终态来说明化学过程的方向和限度。稍晚开始形成的化学动力学则关注化学反应的内在指标跟外部条件的关系，研究温度、压强、浓度等因素对化学反应速率的影响，寻找对化学过程进行控制的方法。形成了化学热力学和化学动力学相互补充、为解决化学过程问题提供理论依据、“双龙拱珠”的局面。20世纪上半叶建立的分子结构理论和活化分子理论使得对化学过程的研究进一步深入到具体的机理，涉及到反应物和产物分子的量子态，反应体系的状态也由平衡态、近平衡态扩展到远离平衡态。

上述关于化学反应本质的思维是从确定化学过程的决定因素着手的，嗣后，化学热力学和化学动力学使思维活动转向关注化学反应是怎样具体地进行的，揭示了化学过程跟能量、有序性（熵）的关联，分子结构理论和活化分子理论则从微观角度揭秘了化学过程的精细结构，使人们更进一步地接近了化学过程的本质。

关于化学反应本质的思维成果主要是：化学反应的本质是分子的组成、结构和性质随着时间延续发生变化的过程;化学过程有其方向、速率和限度，有其途径和历程机理;化学过程有多种形式，主要是变化过程、平衡过程、循环过程和演化过程4种类型，等等[3]。

5 关于化学反应机理的思维

反应物一步直接转化为产物的化学反应叫做基元反应，又称简单反应[4]。基元反应没有任何中间产物，这是判定基元反应的准则。现实中的化学反应不一定是一步完成的，多数化学反应需要经历若干个步骤才能完成。化学反应的方程式通常不能说明反应的实际过程。

反应机理又称反应历程，是用某一化学变化所经历的全部基元反应按照一定规律组合来描述复杂反应的过程结构以及总反应与基元反应内在联系的基元反应组合。反应机理应能详细描述反应物每一步转化的过程，包括过渡态的形成、键的断裂和生成，以及各步的相对速率大小等。完整的反应机理需要考虑到反应物、催化剂、反应的立体化学、产物以及各物质的用量[5，6]。

从微观角度看，反应物分子一般总是经过若干简单反应步骤，才最后转化为产物分子。每一个简单的反应步骤，就是一个基元反应。

基元反应的动力学规律符合质量作用定律，即：基元反应的化学反应速率与反应物浓度数值相应方次的乘积成正比;其方次即为各物质前面系数，均取正值。例如：

对于单分子反应A→产物，对应的反应速率方程式为： v=k[cA]

对于双分子反应A+B→产物或2A→产物，反应速率方程式为： v=k[cA][cB]或者v=k[cA]2

对于三分子反应A+B+C→产物，反应速率方程式为： v=k[cA][cB][cC]

对于三分子反应2A+B→产物，反应速率方程式为： v=k[cA]2[cB]

对于三分子反应A+2B→产物，反应速率方程式为： v=k[cA][cB]2

k为速率常数，与温度和催化剂有关，和反应物浓度无关。

上述计算式是基于硬球碰撞模型推导得到的，并且以活化能只有一个峰值为限定条件。从根本上说，反应机理应该以实验事实为依据。

弄清反应机理，能够更好地把握化学反应。

6 关于化学反应演化的思维

20世纪20年代后期，爱德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）发现了红移现象。20世纪60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和羅伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了“宇宙微波背景辐射”。根据这两个发现以及其他一些天文观测资料，许多科学家都相信，宇宙是由大约137亿年前发生的一次大爆炸形成的[7]。在大爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集于一个在空间和时间上都无尺度但却包含了宇宙全部物质和能量的“奇点”中，“奇点”体积很小、温度极高、密度极大。大爆炸后，“奇点”快速膨胀，温度相应下降。当温度降到10亿度左右时，化学元素开始形成;温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。化学元素的产生和演化使分子的产生和演化，以及化学反应的产生和演化有了可能。由此可以推测：化合反应虽然简单，却是原始的化学反应的主流类型，因为在此之前宇宙中是没有任何分子的。有了化合反应，宇宙中才可能有分解反应、置换反应、复分解反应……越来越复杂的化学反应的出现，表明宇宙中的化学反应有一个由简单到复杂的进化过程。与此同时，宇宙中的分子也越来越复杂，越来越多的生命基础分子和具有生物功能的分子逐步出现，为形形色色的生命的起源逐步做好必要的物质准备。生物和生物学变化、人和人类社会及社会变化的出现都是在化学变化之后出现的。宇宙中从简单分子出现到生命物质的分子形成是分子的进化过程，伴随着分子进化到一定程度，大量的生物化学反应逐步出现，使化学反应也越来越复杂，也在进化。元素的起源和演化，以及分子的形成和进化、化学反应的发生和进化汇合成了化学进化。整体看来，化学进化是逐步实现的。徐光宪教授把这个过程分为4个阶段：（1）化学元素的合成阶段;（2）星际小分子的合成阶段;（3）生物小分子的合成阶段;（4）生物大分子的合成阶段[8]。这个过程显示了物质由简单到复杂、体系由无序到有序的演化趋向。

依据客观世界普遍存在的对立统一规律，矛盾普遍存在，有进化就有退化。化学退化存在吗？有学者对此作出了肯定的回答，认为化合物的退化和元素的退化是化学退化的两个基本过程：化合物的退化过程就是化合物的分解过程，例如核酸和蛋白质的降解、氨基酸和核苷酸的分解，直至简单的化学分解反应;元素的退化就是化学元素的衰变[9]。（笔者以为，化合物的退化过程应该是化合物系统自发分解的过程，个别化合物的分解似难判定为化合物的退化。）化学反应的实质是过程，伴随着化合物退化的化学反应自然应该是由有序到无序的化学过程。研究化学退化不仅有理论意义也有实际意义：生命中物质代谢的调控、免疫化学、衰老生化、食品化学与营养化学、化学仿生以及有毒有害分子的消除等方面，都是化学退化反应可能的“用武之地”。

化学退化反应不等于化学反应退化。但是，化学退化反应的出现和多样化，能不能视为化学反应退化的开始或前奏？化学反应会不会像元素演化那样有一个像“核稳定岛”那样的极限？……疑问不少，需要进一步关注和思考。

7 关于化学反应应用的思维

化学反应的应用大体上有下列几种动因：

（1）利用化学反应获得需要的物质（生成物）;

（2）利用化学反应转变或者去除特定的物质（反应物）;

（3）利用化学反应获得（或吸收）热能以及获得光能、电能、膨胀功（例如叠氮化钠汽车安全气囊）等;

（4）利用化学反应改变特定的环境（例如用石灰石粉治理酸性土壤;用臭氧净化空气;吸收排气中温室气体的某些措施），等等。

化学反应的应用涉及技术思维。

应用的规模有大有小，大规模的社会性应用会涉及成本思维、社会性思维等。

8 化学反应思维的教学

化学反应思维的教学应该是教学一线的化学教师发挥聪明才智和教书育人功夫的生动舞台和创新天地。在这里，笔者提几点建议供参考：

（1）为启动学生的思维设计好问题或问题链，设计好学生的学习任务;