金屬和鹽溶液反應(yīng)后成分判定的量化模型教學(xué)法

岳敏

摘要： 提出一種金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣成分判定的量化模型，通過直觀的圖示模型演示不同量金屬和鹽溶液的反應(yīng)，過程完整，邏輯清晰，生成物一目了然。通過教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生在該知識(shí)點(diǎn)的單元練習(xí)正確率明顯提升，驗(yàn)證了該模型能加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。該方法易學(xué)易用，有效培養(yǎng)了學(xué)生的量化分析能力。

關(guān)鍵詞： 金屬活動(dòng)性; 置換反應(yīng); 圖示教學(xué); 量化模型

文章編號(hào)： 10056629（2022）06008505

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 研究背景

化學(xué)學(xué)科是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門學(xué)科。但初中化學(xué)的學(xué)習(xí)存在時(shí)間短、入門淺的特點(diǎn)，很多實(shí)驗(yàn)僅限于規(guī)范操作、觀察表象，對(duì)于歸納總結(jié)規(guī)律和理解反應(yīng)原理幫助不大。當(dāng)后期教學(xué)涉及到反應(yīng)本質(zhì)和量化實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生缺乏理論支持，量化實(shí)驗(yàn)難以完成。面對(duì)這些困難，教師需要深入思考如何在學(xué)生已有的認(rèn)知起點(diǎn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法，盡量把抽象的理論模型化、圖像化，從而能夠較為直觀地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)，避免學(xué)生產(chǎn)生畏難心理。同時(shí)，教師更應(yīng)思考如何在教學(xué)中把知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)邏輯化，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，構(gòu)建化學(xué)學(xué)科思維，為高一層次的深度學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。深度學(xué)習(xí)的特征之一是聯(lián)想與結(jié)構(gòu)，指的是經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的相互轉(zhuǎn)化，涉及的就是教學(xué)內(nèi)容問題。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)整合和意義聯(lián)結(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使得知識(shí)具有情境化、整體化和結(jié)構(gòu)化的特征，從而有利于學(xué)生認(rèn)知的整體建構(gòu)以及知識(shí)遷移能力的形成。

在金屬活動(dòng)性順序的應(yīng)用中，金屬與鹽溶液的反應(yīng)是初中化學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于簡單的一種金屬和一種鹽溶液是否反應(yīng)，可以通過宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以判斷，但其反應(yīng)后的產(chǎn)物，與反應(yīng)物的量和反應(yīng)程度相關(guān)，初中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件就難以證明了。當(dāng)涉及結(jié)合較復(fù)雜反應(yīng)條件的兩類題型（第一類是一種金屬和多種鹽溶液反應(yīng)，另一類是多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)），要構(gòu)建反應(yīng)物的量與反應(yīng)先后的邏輯鏈，推導(dǎo)出最終的濾液濾渣成分，就亟需借助直觀的輔助模型來幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)。該知識(shí)點(diǎn)的傳統(tǒng)教學(xué)方法通常是讓學(xué)生以金屬與鹽溶液的反應(yīng)順序結(jié)合化學(xué)方程式為理論基礎(chǔ)，然后根據(jù)在生成的濾液或?yàn)V渣中滴加足量的稀鹽酸產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來推定生成物的成分。以Zn和AgNO3、 CuSO4溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Cu>Ag，存在反應(yīng)Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag（先）、 Zn+CuSO4ZnSO4+Cu（后），如在濾液中滴加稀鹽酸有白色沉淀生成，則濾液中一定有AgNO3，從而推斷加入的Zn少量，濾液中有未反應(yīng)完的AgNO3、 CuSO4和反應(yīng)生成的Zn（NO3）2，濾渣中只有少量置換出的Ag;如在濾渣中滴加稀鹽酸有氣泡生成，則濾渣中一定有Zn，從而推斷加入的Zn過量，濾液中的AgNO3、 CuSO4已全部反應(yīng)完，只有反應(yīng)生成的Zn（NO3）2，濾渣中有全部置換出的Ag和Cu，以及過量的Zn。該方法學(xué)生理解起來相當(dāng)困難，判斷生成物經(jīng)常錯(cuò)、漏。而且這種講解方式只覆蓋了加入的金屬少量和過量兩種情況，存在反應(yīng)過程不明確、知識(shí)體系不完整的缺點(diǎn)，不利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的深化培養(yǎng)。因此，如果能設(shè)計(jì)一種針對(duì)金屬與鹽溶液反應(yīng)的直觀模型，可以幫助學(xué)生加深理解、快速掌握這類反應(yīng)的習(xí)題解法。

如何將溶液中看不見摸不著的溶質(zhì)可視化，如何把微觀的化學(xué)反應(yīng)精準(zhǔn)量化，使實(shí)際化學(xué)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)下充分反應(yīng)后的溶質(zhì)和濾渣的判斷直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，是本文設(shè)計(jì)教學(xué)模型的目標(biāo)所在。本文將從學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)出發(fā)，構(gòu)造數(shù)軸與柱狀圖結(jié)合的圖示模型法，幫助學(xué)生直觀理解反應(yīng)物的量與反應(yīng)產(chǎn)物間的關(guān)系，以此構(gòu)建量化模型，快速判斷反應(yīng)后的成分。

2 相關(guān)研究

金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣成分（或組成）的判斷是初中化學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，很多一線教師針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)做了較多研究和實(shí)踐。比如，文獻(xiàn)[1]提出應(yīng)用離子共存理論模型，利用鉤叉標(biāo)記法能快速準(zhǔn)確地解決這類相關(guān)問題;文獻(xiàn)[2]利用“列表法”分析，可將復(fù)雜問題簡單化，將反應(yīng)后的濾液濾渣成分直觀展示出來;文獻(xiàn)[3]引入時(shí)鐘法，解析金屬與鹽溶液的反應(yīng)，以此化解難點(diǎn);文獻(xiàn)[4]根據(jù)金屬與鹽溶液反應(yīng)的兩種類型（一種金屬和混合鹽溶液反應(yīng);兩種混合金屬粉末和一種鹽溶液反應(yīng)），利用圖示法分析金屬與鹽溶液的反應(yīng)過程;文獻(xiàn)[5]采用實(shí)驗(yàn)探究和計(jì)算模擬相結(jié)合的教學(xué)模式，將“一種金屬與多種鹽溶液反應(yīng)”或“多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)”的體系模型化，淺顯直觀地展示了該過程中各種反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的。綜合分析上述方法，我們發(fā)現(xiàn)這些方法在教材適配性和軟硬件基礎(chǔ)上有一定要求，上海初中化學(xué)教材中沒有保留原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)化學(xué)反應(yīng)中得失電子和離子反應(yīng)方程式也沒有涉及，相對(duì)科學(xué)的“離子共存理論模型”難以在教學(xué)中順利落實(shí);列表和時(shí)鐘法對(duì)學(xué)生的抽象理解能力要求較高;計(jì)算化學(xué)更是對(duì)學(xué)校的軟硬件配置都提出了更高的要求。因此上述方法在上海市普通初級(jí)中學(xué)的教學(xué)中較難實(shí)踐。對(duì)此，筆者從多年的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出一套循序漸進(jìn)的數(shù)軸與柱狀圖結(jié)合的圖示法，在課件制作演示、板書講解或草稿推算中都較易實(shí)現(xiàn)，能幫助學(xué)生直觀理解反應(yīng)物的量與反應(yīng)產(chǎn)物間的關(guān)系，以此構(gòu)建量化模型，快速判斷反應(yīng)后的成分組成。

3 模型構(gòu)建

3.1 教學(xué)知識(shí)點(diǎn)說明

（1） 金屬活動(dòng)性順序，見圖1。

通過常見金屬與鹽溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們化合物的溶液里置換出來。

（2） 化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒：

反應(yīng)前后原子的種類和個(gè)數(shù)不變。

3.2 模型設(shè)計(jì)

該模型構(gòu)建基于金屬與鹽溶液反應(yīng)時(shí)，最活潑的金屬首先與最不活潑的金屬元素形成的鹽溶液反應(yīng)。即如果A>B>C，則A優(yōu)先與C的鹽溶液反應(yīng)，當(dāng)C的鹽溶液全部反應(yīng)完后再與B的鹽溶液反應(yīng)。在模型中，鹽溶液柱狀圖分布為“弱下強(qiáng)上”，金屬柱狀圖分布為“強(qiáng)先弱后”。當(dāng)然，我們需要和學(xué)生說明，溶液是均一穩(wěn)定的混合物，本文中的量化模型圖是金屬和鹽溶液反應(yīng)的定量反應(yīng)數(shù)學(xué)模型圖，僅用于表示反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量之間的關(guān)系。真實(shí)的情況是所有反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，只是由于活動(dòng)性差異我們可以看作反應(yīng)有先后。同時(shí)，所有的化學(xué)反應(yīng)都基于質(zhì)量守恒定律，因?yàn)樵撃Ｐ蛨D設(shè)置的目的是幫助學(xué)生理解反應(yīng)物的量不同會(huì)導(dǎo)致生成物成分不同，而不涉及參加反應(yīng)的固體和析出的固體質(zhì)量的精準(zhǔn)計(jì)算，所以在圖形比例上只考慮金屬和溶液中溶質(zhì)的相對(duì)關(guān)系，在相對(duì)原子質(zhì)量的比例上不做比例調(diào)整。

3.2.1 一種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

以Zn和FeSO4溶液為例，金屬活動(dòng)性Zn大于Fe，存在反應(yīng)Zn+FeSO4ZnSO4+Fe，當(dāng)反應(yīng)物Zn的量不同時(shí)，用柱狀圖表示反應(yīng)物之間的量化關(guān)系，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖2所示。

3.2.2 一種金屬與兩種鹽溶液反應(yīng)

以Zn和AgNO3、 Cu（NO3）2溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn大于Cu、 Cu大于Ag，存在反應(yīng)Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag、 Zn+Cu（NO3）2Zn（NO3）2+Cu，因?yàn)榉磻?yīng)生成的Cu會(huì)與AgNO3溶液發(fā)生反應(yīng)Cu+AgNO3Cu（NO3）2+2Ag仍生成Ag，所以看作Zn先將AgNO3反應(yīng)完后，再與Cu（NO3）2反應(yīng)。即表示鹽溶液的柱狀圖為先反應(yīng)的在下，后反應(yīng)的在上，記作“弱下強(qiáng)上”。

當(dāng)反應(yīng)物Zn的量不同時(shí)，用柱狀圖表示反應(yīng)物之間的量化關(guān)系，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖3所示。

3.2.3 一種金屬與三種鹽溶液反應(yīng)

以Fe和AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2溶液反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Fe>Cu>Ag，存在反應(yīng)Fe+2AgNO3Fe（NO3）2+2Ag、 Fe+Cu（NO3）2Fe（NO3）2+Cu、 Fe與Zn（NO3）2不反應(yīng)。同理看作Fe? 先將溶液中AgNO3反應(yīng)完后，再與Cu（NO3）2反應(yīng)。即表示鹽溶液的柱狀圖“弱下強(qiáng)上”由下往上依次為AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2。

當(dāng)反應(yīng)物Fe的量不同時(shí)，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖4所示。

3.2.4 多種金屬與一種鹽溶液反應(yīng)

以CuSO4溶液與Zn和Fe混合物反應(yīng)為例，金屬活動(dòng)性Zn>Fe>Cu，存在反應(yīng)Zn+CuSO4ZnSO4+Cu、 Fe+CuSO4FeSO4+Cu。因?yàn)榉磻?yīng)生成的FeSO4會(huì)與Zn發(fā)生反應(yīng)Zn+FeSO4ZnSO4+Fe仍生成ZnSO4，所以看作CuSO4先將Zn反應(yīng)完后，再與Fe反應(yīng)。即表示金屬的柱狀圖為先反應(yīng)的在下，后反應(yīng)的在上，記作“強(qiáng)先弱后”。當(dāng)反應(yīng)物CuSO4溶液的量不同時(shí)，反應(yīng)后的濾渣濾液如圖5所示。

4 教學(xué)實(shí)踐效果反饋與思考

筆者近年來開始在課堂教學(xué)中使用上述模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應(yīng)后生成物的判斷。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D示教學(xué)法的效果，2020學(xué)年對(duì)所任教的兩個(gè)初三班級(jí)開展對(duì)比教學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)班級(jí)采用了模型圖示法講解金屬與鹽溶液反應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，另一個(gè)班級(jí)采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行講解，兩個(gè)班級(jí)均在知識(shí)點(diǎn)教學(xué)完成后進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的練習(xí)，測試結(jié)果顯示采用模型圖示教學(xué)法班級(jí)的正確率為96%，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法班級(jí)的正確率為92%，該班級(jí)在后續(xù)重新采用模型圖示法講解后，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的正確率達(dá)到98%。可以看出，本文提出的模型圖示教學(xué)方法對(duì)幫助學(xué)生理解金屬和鹽溶液的量化反應(yīng)有明顯的效果，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)的、理想狀態(tài)下的量化計(jì)算這一類推斷題的解決大有助益，學(xué)生應(yīng)用這種模型圖示法，解題能力有明顯的提高。

該模型教學(xué)法還可以用到其他初中化學(xué)教學(xué)中遇到的難點(diǎn)重點(diǎn)，比如在溶液中溶解度受溫度影響不同的兩種溶質(zhì)的分離和提純;溶解度曲線學(xué)習(xí)中A、 B、 C三種等質(zhì)量飽和溶液隨溫度變化后的濃度，以及溶質(zhì)、溶劑和溶液的量的判斷。分散體系中反應(yīng)物的量無法測量，計(jì)算推演也過于抽象，這些理想狀態(tài)下量化計(jì)算類的課程教學(xué)靠化學(xué)實(shí)驗(yàn)更是難以體現(xiàn)，都可以應(yīng)用該模型教學(xué)法。

5 結(jié)語

本文提出了一種用于金屬與鹽溶液反應(yīng)后濾液濾渣判定的量化模型圖示教學(xué)法，該方法利用量化模型圖演示不同量金屬和鹽溶液的反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量的關(guān)系構(gòu)建了一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)模型，過程完整，生成物一目了然。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了利用該模型開展教學(xué)可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，易學(xué)易用，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的量化分析能力，在知識(shí)點(diǎn)的單元練習(xí)中學(xué)生成績提升明顯。需要說明的是，這種量化模型必需限定在至少三個(gè)基礎(chǔ)之上，即（1）金屬活動(dòng)性順序任何條件下都適用;（2）所有反應(yīng)是熱力學(xué)控制而沒有動(dòng)力學(xué)控制;（3）所有反應(yīng)均有足夠長時(shí)間，是反應(yīng)完全的。金屬和鹽溶液反應(yīng)的實(shí)際情況往往因?yàn)殡姌O極化、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、共沉積等問題會(huì)有更復(fù)雜的表現(xiàn)，限于初中化學(xué)教學(xué)范圍和深度，這些問題本文不做深入討論。

在今后的教學(xué)改革中，我們可以借助一些應(yīng)用軟件將該模型圖動(dòng)態(tài)化，通過拖動(dòng)加入量的柱狀圖來改變反應(yīng)物的量，將反應(yīng)后的濾液濾渣成分做成直觀可視化的圖式，以幫助學(xué)生理解更復(fù)雜的量變過程，有效提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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