初中化学方程式书写的模型建构与应用

【摘要】本文从构建化学方程式中的气体生成物符号“↑”和固体生成物符号“↓”的书写模型、构建四大基本反应的应用模型、构建“夺氧式反应”“金属与氧化性酸反应”“多氧化合物反应”的配平模型入手，系统论述化學方程式书写中的模型认知思想以及模型建构的基本方法与应用。

【关键词】化学方程式 书写 模型建构与应用

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）10-0060-03

化学方程式作为初中化学重要的专业用语和学习工具，以符号的形式，科学、简明地表达了物质变化的规律，体现了“宏观—微观—符号”三重表征的有机联结。学生初次接触和书写化学方程式，很容易出现这样那样的错误：或者搞不清楚化学反应过程中反应物和生成物的状态，导致错标或漏标气体生成物符号“↑”和固体生成物符号“↓”;或者因为不能从本质上理解四大基本反应类型，导致不能自如地衔接有关的初中、高中化学知识;或者仅会用最小公倍数法、奇数配偶法配平简单的化学方程式，而对夺氧式反应、金属与氧化性酸反应、多氧化合物反应的化学方程式配平感到无从下手。

笔者认为，化学方程式是后续学习化学计算和化学应用的基础。为化学方程式的书写建构有效的思维模型，有助于学生科学认识化学反应过程中的物质变化规律，提高学生学习化学的兴趣和学科思维品质，进而发展学生的模型认知学科素养。

一、模型及模型认知的概念解析

（一）关于模型

“模型”一词在拉丁语中写作modulus，意思是尺度、样本、标准。学界有关模型的观点主要有三种：其一，模型是与真实物体单一事件或一类事物相对应且具有解释力的试探性体系或结构;其二，模型是一种科学认知的工具，包括科学方法和科学操作;其三，模型是概括、抽象和简化了的原型，它的合理性需要通过逻辑和实验来检验。

（二）关于模型认知

《普通高中化学课程标准（2017年版）》首次凝练了化学学科核心素养，其中便包括一个“证据推理与模型认知”核心素养，涉及“模型认知”的解释为“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。

有学者明确提出：模型认知是运用模型思想（模型方法）认识事物和解决问题的思维方法。

（三）关于模型建构

笔者以为，模型建构指的是通过思维建模活动，可视化地表征、归纳、分析、解释知识或问题的过程，体现思维的系统性。化学建模可以使学生对研究对象或学习内容的认识思路外显，便于建立结构化的知识体系。

二、化学方程式书写中的模型建构与应用

化学方程式书写涉及的知识面广、综合性强，需要学生有系统的化学知识以及分析和解决实际问题的能力。在化学方程式书写中确立模型建构的思想方法，有助于加深学生对知识和概念的理解，培养学生的学科思维和模型认知学科素养。从学生在化学方程式书写中的常见问题出发，笔者决定从三个方面入手，培养学生的模型认知素养。

（一）构建化学方程式中气体生成物符号“↑”和固体生成物符号“↓”的书写模型

很多学生弄不清楚化学方程式中的气体符号“↑”和固体符号“↓”的书写规律，为此，教师可以在授课过程中帮助学生建立一个如图1所示的直观模型。首先，化学反应一般都是在溶液中进行。其次，反应物中不需要标记气体或固体符号。再次，如果生成物中有气体产生，应能看到液体中有向上的气泡产生，故而要在气体生成物的后面加上“↑”符号，但这需要一个前提，即反应物中无气体;如果反应物中有气体，则在化学反应过程中会一直有气泡存在，就算生成物中也有气体，很难区分哪些气泡是反应物的、哪些气泡是生成物的，于是气体生成物的后面便不能加“↑”符号。最后，关于固体符号的书写，与气体符号书写的道理相同：如果能看到液体中有固体生成物下沉，则应在固体生成物的后面加上“↓”符号;如果反应物中已有固体，在反应过程中不能看到固体生成物下沉，则固体生成物的后面不能加“↓”符号。

（二）四大基本反应的应用模型

初中所学的化学方程式较多，用模型思想来解释和记忆，可梳理出化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应四大基本反应及其反应模型，如图2所示。

化合反应是通过化学变化将多种物质合成一种物质的反应，分解反应是通过化学变化将一种物质分解成多种物质的反应，二者的反应过程刚好相反，可借此促进学生形成互逆的关联思维。例如：学习2H2+O2[点燃]2H2O这个化合反应后，可以想到通过分解H2O得到H2和O2，这样，之后学到电解水的反应原理时就很容易理解2H2O[通电]H2↑+O2↑这个分解反应了。

置换反应的原理是一种单质去占取一种化合物中的某一个位置，把相应位置的另一种元素以单质的形式置换出来。为什么A单质可以去占取B的位置呢？原因在于，化学变化中能力强的物质往往会抢去能力弱的物质的位置。将该模型应用于理解金属活动性顺序表中排序的奥秘，可知：排在前面的活泼金属可以将排在后面的不活泼金属从它的盐溶液中置换出来、使之变成单质;排在氢前面的金属可以与酸反应置换出氢气，而排在氢后面的金属不能与酸反应。

复分解反应是两种物质都分解后再重新组合，强调的是分解的过程，所以反应物必须是化合物，且反应物、生成物往往都是酸、碱、盐。复分解反应的本质在于：反应物先在水溶液中解离成阴、阳离子，这些阴、阳离子再重新组合，形成新的物质，新的物质中必定有一种物质是固体、气体或水，这个复分解反应才可能发生。教师可引导学有余力的学生思考强酸制弱酸、强碱制弱碱的反应原理，强化初中、高中化学知识的衔接。

（三）不同类型化学方程式的配平模型

所有化学变化都符合质量守恒定律，即参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成物各物质的质量总和，也就是说，化学反应前后原子的种类、数目和质量都没有改变。因此，配平化学方程式的过程便是清楚地体现这种“质量守恒”的过程。

1.夺氧式反应的化学方程式配平模型

初中化学介绍了用热还原法还原金属矿物从而得到金属材料的知识，这一类反应的本质是夺取化合物中的氧原子，可简称为夺氧式反应。此类反应通常需要高温条件支持，常用的还原剂有一氧化碳、氢气和碳。

以CO还原FeO为例，其化学反应式是CO+FeO—Fe+CO2，微观过程如下：1个CO分子需要得到1个O原子变成1个CO2分子，而FeO刚好可以提供1个O原子后将自身变为1个Fe原子，从而完成该化学反应方程式的配平，CO+FeO[高温]Fe+CO2。再如CO还原Fe2O3，其化学反应式是CO+Fe2O3—Fe+CO2，微观过程如下：1个Fe2O3中有3个O原子和2个Fe原子，3个O原子需要3个CO分子来夺取，所以CO前需要配个3;相应地，CO2前也要配个3，即3CO+Fe2O3[高温]2Fe+3CO2。于是，教师可以为学生建构如图3所示的以CO为还原剂的热还原法制取金属单质的化学方程式配平模型。

换成是用氢气或碳作为还原剂，其微观分析及建模类似，此处不再赘述。

运用模型建构的方法展开课堂教学，可以激发学生的学习兴趣，降低学生的学习难度，发展学生的化学建模思维。

2.金属与氧化性酸反应的化学方程式配平模型

众所周知，金属与酸反应一定有对应的盐生成，其中：H+如果不变成H2就会生成水;酸根离子则生成对应的气体，如浓硫酸生成二氧化硫、浓硝酸生成二氧化氮、稀硝酸生成一氧化氮。为这类化学方程式建模，即金属+氧化性酸=盐+水+气体。用观察法配平此类方程式比较困难，加上此时学生还没有学习利用氧化还原反应配平化学方程式的方法，教师可以指导学生借用数学建模的方法完成对此类化学方程式的配平。假设有两种反应物，设简单反应物的化学计量数为1、复杂反应物的计量数为x，其配平过程如图4所示。

以配平Cu+HNO3（稀）—Cu（NO3）2+NO+H2O为例：第一步，设Cu的计量数为1，HNO3（稀）的计量数为x，则1Cu+xHNO3（稀）—Cu（NO3）2+NO+H2O。第二步，根据Cu原子守恒，则Cu（NO3）2的计量数为1;根据N原子守恒，NO的计量数为x-2;根据H原子守恒，H2O的计量数为x/2。于是可得：1Cu+xHNO3（稀）—1Cu（NO3）2+（x-2）NO+（x/2）H2O。第三步，根据O原子个数守恒列方程3x=6+（x-2）+（x/2），解得x=8/3。第四步，将x=8/3代入化学方程式并化简成整数，得3Cu+8HNO3（稀）=3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。

其实，运用数学建模方法可以配平所有的化学方程式，且更易于学生理解化学方程式中“=”的意义。

3.多氧化合物反应的化学方程式配平模型

以多氧化合物K2O2、KO2、KO3与H2O反应的化学方程式为例，对比K2O2+H2O—KOH+O2，KO2+H2O—KOH+O2和KO3+H2O—KOH+O2可发现，它们的基本模型是K2O+H2O=2KOH，四个反应中都生成了KOH，只是前三个反应的生成物中还生成了O2，O2来自K2O2、KO2、KO3这些多氧化合物，把这些多氧化合物与基本模型中的K2O比较，存在这样一条规律：K2O2比K2O多1个氧原子，因此1个K2O2与H2O反应就产生1个O;2个KO2比K2O多3个氧原子，因此2个KO2与H2O反应就产生3个O;2个KO3比K2O多5个氧原子，因此2个KO3与H2O反应就产生5个O。于是，上述三个反应就非常容易配平了。

K2O2+H2O=2KOH+1/2O2↑

2KO2+H2O=2KOH+3/2O2↑

2KO3+H2O=2KOH+5/2O2↑

再把上述三個方程式的化学计量数化为整数，可得：

2K2O2+2H2O=4KOH+O2↑

4KO2+2H2O=4KOH+3O2↑

4KO3+2H2O=4KOH+5O2↑

归类整理多氧化合物反应的化学方程式配平方法，可以得出如图5所示的配平模型。

化学方程式的书写是整个中学化学学习的重点和难点，模型思想是化学学科的核心思想之一，用模型建构的方法培养学生化学方程式书写中的系统性思维，进而提高其研究和解决问题的能力，是核心素养导向下的初中化学教学改革的基本方向。

参考文献

[1]雷范军.新课程教学中强化训练化学模型方法初探.化学教育，2006，27（4）：16-18，27.

[2]美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].戢守志，金庆和，梁静敏，等，译.北京：科学技术文献出版社，1999：76.

[3]查有梁.教育建模[M].南宁：广西教育出版社，1998.

[4]周正祥，杨玉琴.指向“证据推理与模型认知”的教学设计：以“原子结构模型的演变”为例.化学教育（中英文），2018，39（23）：25-30.

注：本文系广西教育科学“十三五”规划A类课题“基于化学学科核心素养的初高中衔接教学策略研究”（2019A048）的阶段研究成果。

作者简介：廖小正（1967— ），广西全州人，高级教师，主要研究方向为中学化学教学。

（责编 白聪敏）