氯元素概念发展史及其教育价值

2021-05-23焦爱芳顾佳丽

中国教育技术装备 2021年7期

焦爱芳顾佳丽

摘要氯是典型的非金属元素，其发展史蕴含丰富的教育价值。在查阅大量文献资料的基础上，从氯气的发现、氧化学说的建立、氯元素的确立等角度阐明氯元素概念的发展史，从培养学生的学习兴趣、探究意识和批判性思维方面深入剖析氯元素概念发展史的教育价值。研究结果对优化教师的教学理念、丰富学生的化学史知识、发展学生的核心素养等具有一定的参考价值。

關键词化学;氯元素;教育价值;核心素养;批判性思维

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）07-0060-03

0 前言

氯（Chlorine），元素符号为Cl，主要存在于海水、海盐和海矿中，是一种重要的成盐元素，容易和金属元素形成天然的氯化物，分布最广的是氯化钠，其次是氯化镁，氯化钾等。氯也是人体血液和细胞中的常量元素，在人体内主要以氯离子的形式存在，可以与钠离子、钾离子结合，具有协同调控细胞、血液等的渗透压和电荷平衡等作用[1]。此外，氯也是消毒剂和清洁剂的主要组成部分[2]，具有杀菌消毒的作用。

氯位于第三周期第七主族，是卤素中最早被发现的元素，氯元素的发展过程漫长而曲折。2019年新人教版化学教材（必修1）对氯元素的发展史只简单介绍了氯气的发现、确认和命名，而对氯元素发现的过程没有提及。目前，国内[3-4]和国外[5-6]对氯元素的研究主要集中于氯气的发现及应用、氯气的教学设计等内容，而对于氯元素的发展史，特别是其蕴含的教育价值的研究很少。因此，本文较为详细地论述了氯元素的发展史，并深入挖掘其中的教育价值，不仅可以加深学生对化学元素的认识，而且有利于培养学生的核心素养。

1 氯元素概念发展史

氯气的发现——氯元素概念形成的前奏 18世纪初，德国化学家施塔尔（G.E.Stahl，1660—1734）提出燃素说，促进了人们对化学的研究，氢、氧、氮等化学元素相继被发现[7]，但那时人们对元素的概念还模糊不清。1789年，现代化学之父安托万-洛朗·德·拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）在《化学基础论》中对元素的定义是：“所有还不能用任何方法分解的物质都是元素，或者更确切地说，由于我们迄今尚未发现分离它们的手段，它们对于我们来说就相当于简单物质。”[8]

1774年，瑞典科学家舍勒（C.W.Scheele，1742—1786）

在研究软锰矿（主要成分MnO2）时，将软锰矿投入盛有浓盐酸的瓶中加热，很快产生一种黄绿色的气体，这种气体具有很强的刺激性，与加热王水的气味相似[9]，吸入少量就会使人的肺部感到极度难受。著名科学家格鲁柏、赫尔蒙德等人曾接触过这种气体，但都没有收集和研究[10]96。舍勒意识到自己发现了一种新的气体，随即开展了一系列研究，惊奇地发现这种黄绿色气体会使鲜艳的花朵黯然无色;微溶于水，形成的水溶液略显酸性[11];支持燃烧，能腐蚀金属容器[12];昆虫遇到该气体不能存活[2]。但遗憾的是，他并未深入分析这种气体的本质，由于笃信燃素说，他推测这种黄绿色气体是盐酸失去了当时所谓的“燃素——氢”生成的，因而把氯气命名为“失去燃素的盐酸”气[13]。

从现代化学的角度来看，早期的许多科学发现都要受到当时的理论水平和实验方法的限制。在燃素说的桎梏中，舍勒未能对这种黄绿色气体作出正确的解释，科学家制取单质固然非常困难，但确认一种元素同样不易。尽管把1774年看作新元素发现的年代，但对它真正的认识又经过了许多年。

氧化学说的建立——氯元素认识的转折同时期，拉瓦锡一直致力于定量研究，他认为燃素说并不能解释所有的燃烧现象，特别是在发现氧气后，认识到燃烧是物质与氧气之间的反应，并在《燃烧概论》中系统陈述了燃烧的本质，提出完备的氧化学说，标志着长期统治化学界的燃素说的终结[14]，这也对科学的发展产生深远的影响。同时，他却建立了另外一个错误理论，即氧是酸的必要组成部分，正如氧的词源所暗示的那样：“oxy-”本义即“酸”，词根“gen”指“产生”，字面义“产生酸”。与氧化理论一致，盐酸被认为是氧和盐酸基（Mu）所组成的氧化物，化学式为MuO。同时，他认为氯气应该是盐酸被氧化的产物，应称之为氧化盐酸（oxymuriatic acid），用MuO2表示（后文中氧化盐酸都指Cl2）。由此可见，对于氯气本质的认识，人们在错误的道路上走得更远了。

1785年，法国化学家贝托雷（C.L.Berthollet，1748—

1822）也热衷于研究氯气。他将纯净的氯气通入盛有水的密封容器中[15]，发现水面上方的气体减少了，推测这是部分氯气溶于水的缘故。此外，他将该水溶液放在阳光下，却产生了盐酸和氧气[16]。他当时没有意识到这是氯气与水发生了如下反应：

他以为氧来自氯气而不是水，便错误地认为氯气本身能够分解，分解的式子表示为：氯=盐酸+氧。这使得他更加确信了拉瓦锡的观点。按照他的说法：“氧化盐酸是由氧和盐酸化合而成，但是它们之间结合得不是很牢固，遇到光就立刻分解。”[17]但在当时人们运用很多种方法都未能将氯气分解。以现代观点分析，贝托雷错误判断的主要原因在于对事物的分析过于片面，没有考虑到水对氯气的影响[18]，根本原因是他潜意识中认为酸中含有氧，因此很难跳出思维的束缚。

1809年，法国著名化学家盖·吕萨克（J.L.Gay-Lussac，1778—1850）和泰纳（L.J.Thenard，1777—1857）试图从氯气中分离出氧。他们将碳粉在高温下烧至红热，然后通入氯气，期待产生二氧化碳气体，这样既分离出氧，又得到盐酸基[19]。然而，实验进行了好几个月，无论怎么改变实验条件，两种物质都不发生反应。但是，将氯气通入盛有氢气的玻璃管中，只要稍微加热，就能产生氯化氢，却没有生成水，这表明氯气不含有氧。由于两位科学家对“酸中必含有氧”的理论深信不疑，以致并没有根据自己的实验事实进行深入思考和分析，而是继续把氯气看成一种化合物[20]。他们虽然徘徊于真理的边缘，但因为不能摆脱当时的理论框架，非常遗憾地错过了发现氯气的机会。

打破思维定式——氯元素概念的确立氯元素概念的确立最终还要归功于英国化学家戴维（H.Davy，1778—1829）。1810年，戴维推测如果氯气比盐酸含有更多的氧，那么它应该比盐酸具有更强的酸特性，但事实恰恰相反。氰化氢和硫化氢虽然不含氧，但具有弱酸性，这与拉瓦锡提出的“一切酸中都含有氧”相矛盾[21]，于是戴维猜想是否存在无氧酸呢？他开始研究氯气，按照拉瓦锡的观点，氯气比盐酸含有更多的氧，从而也更容易将氧分离出来。他将金属钾和氯气混合反应，得到盐类物质（KCl），没有发现氧化物。他继续尝试，用伏打电池堆使电流通过氯气连续放电几小时，引起强烈的爆炸，始终没有发现该气体分解的迹象，更不用说分解出氧[22]。他又用电流将木炭烧至白热，希望木炭在氯气中燃烧，结果根本不发生反应。即使先把木炭放在真空中强热，除去所有挥发性物质，再将其置于干燥的氯气中，也是一样。多次实验的失败，使戴维认识到这种气体的行为更容易假设它是一种化学元素，还建议将其名称改为Chlorine（氯），来自希腊文chloros[10]98，

是根据气体的颜色来命名的。我国起初把它译为绿气，随着化学的发展又改为氯。1811年11月，戴维将该论述整理成论文并发表，正式提出氯是一种元素。

马克思曾说过：在科学上，没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。戴维就是这样的人，他在研究氯气的过程中曾多次遭遇失败和他人的质疑，但始终没有放弃，最终证明氯为一种元素。在许多化学文献中都谈及戴维是第一个证明氯气本质的人，然而这些资料通常省略了对理解戴维工作的历史意义至关重要的两点：

1）当时与建立任何物质作为元素有关的概念和实验困难;

2）氯作为元素的建立对当代化学理论的影响[23]。

戴维的成功不仅仅在于确立了氯元素的概念，更重要的是出色地修正了拉瓦锡的含氧酸理论和燃烧的氧化学说，这为后来酸的氢理论和更广泛的氧化概念的发展奠定了基础。

2 氯元素概念发展史的教育价值

英国哲学家弗·培根曾说过：“学习历史可以使人明智。”氯元素概念发展史饱含数位科学家的心血，展示了科学家在研究中的科学方法和科学精神。教师在实际教学中适当地呈现氯元素的产生发展过程，对于学生体会其中的科学思想和科学精神具有重要意义。

激发学生的学习兴趣 “兴趣是最好的老师。”如果单一的教学方式不能引起学生的学习兴趣，就无法达到启迪智慧的目的。氯氣似乎是舍勒偶然发现的，但偶然中往往潜藏着必然性，这种必然性体现在：

1）舍勒从小就痴迷于化学实验，对化学有着浓厚的兴趣，这使得他具有善于捕捉微小变化和新事物的能力;

2）舍勒多年从事化学研究，这使得他具有丰富的学识和明锐的洞察力，从而成为首个发现氯气的人。

因此，在氯气知识教学中，教师可以采取循循善诱的方式使学生明白学习化学必须有敏锐的观察力、勤于思考的习惯和对事物的好奇心。通过舍勒制备氯气的过程，让学生了解知识产生的曲折历程，课本中的知识不再单调无味，而是充满趣味性，从而激发学生探究知识的欲望和学习的积极性。

培养学生的探究意识高中阶段的化学课程处在一个关键的位置，是学生科学素养提升的飞跃期。在这一阶段的学习中，对学生的要求不单单停留在知识层面，更多的是提高学生的能力，发展学生的素养，培养学生的探究意识。在教学中，教师可以通过创设问题情境引发学生思考，让学生带着问题探究，去体验和感受知识的产生和发展过程，从而使知识的传授达到“润物细无声”的效果，同时有助于培养学生的思维能力和探索精神[24]。如在探究氯气的性质时，教师提出问题：氯气为什么能使鲜艳的花朵黯然无色？激发学生的求知欲，引导学生自主设计探究性实验：

1）将干燥的氯气通入盛有紫色纸花的瓶中;

2）将干燥的氯气通入盛有紫色鲜花的瓶中。

通过两个实验的对比，学生直观地感受到使花朵褪色的不是氯气而是次氯酸。将氯元素发展史融入课堂教学，对教师丰富教学方式开辟新途径，对培养学生的探究意识具有重要的价值。

培养学生的批判性思维培养学生的批判性思维是化学新课程的一个重要内容。在氯元素发展史上，面对数个实验事实，舍勒忠实于燃素说，贝托雷坚持维护氧化学说，盖·吕萨克和泰纳笃信氧化学说，由于迷信科学权威，使他们无法揭开氯元素的面纱。而戴维则总结前人的经验，以科学实验和严谨的分析为基础，以大量实验事实为依据，用批判的眼光进行审查，不盲目从众，敢于向已有的理论挑战，勇于批判创新，获得最终的成功[25]。由此可见，批判性思维对一个人的发展是至关重要的。在教学中，教师通过引导学生体会戴维的批判性精神，使学生善于思考，善于创新。同时，批判性思维的养成有利于促进学生对知识的吸收和转化，有利于学生形成求真务实的学习态度，可以使学生感受到化学学科的魅力和发展性，加深对科学本质的认识[26]。

3 结语

任何基本概念和原理的形成一开始都不是完美无缺的，都要经历一个不断修正、完善和发展的过程[27]。氯元素概念的形成经过了由发现到认识、由错误认识到正确认识的曲折历程。从舍勒制备出氯气，到拉瓦锡将氯气视为氧的化合物，再到戴维最终确定氯为一种化学元素，氯元素概念的确立凝聚了数位科学家的智慧。在教学中，教师恰当地引入一些化学元素产生发展的故事，加深学生对知识完整性的理解，学习科学家的研究方法和科学精神，能够调动学生学习化学的主动性，有利于发展学生的核心素养。■

参考文献

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[8]拉瓦锡.化学基础论[M].北京：北京大学出版社，2008：

[9]沙国平，张连英.化学元素的发现及其命名探源[M].成都：西南交通大学出版社，1996：14.