淺談化學(xué)反應(yīng)的微觀變化與宏觀現(xiàn)象描述之間的矛盾及成因

許鴻福

摘要：本文通過實例，分析了物質(zhì)之間微觀上的化學(xué)反應(yīng)以及由此引起的宏觀上的現(xiàn)象變化之間矛盾的原因。

1、問題的提出

物質(zhì)之間微觀上的化學(xué)變化常伴有宏觀上的現(xiàn)象變化，而現(xiàn)象變化又從另一個側(cè)面證明了體系內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。例如，一定條件下的水溶液中，兩種溶液之間發(fā)生的化學(xué)變化常伴有難溶物的生成與溶解、揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生（如氣體的顏色與氣味）、體系的顏色變化等易于觀察的現(xiàn)象變化，有時還會引起體系溫度和酸堿性（pH值）的變化。物質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是絕對的、確定的，但是，由物質(zhì)變化引起的現(xiàn)象變化則是相對的、有條件的，因為“物質(zhì)變化是有條件的”，涉及“宏觀與微觀”以及“量變與質(zhì)變”等化學(xué)思想方法問題[1]。既然涉及反應(yīng)的“量”的問題，那么，關(guān)于化學(xué)變化過程中的現(xiàn)象分析和原因解釋也應(yīng)該具體問題具體分析，不能僅憑經(jīng)驗理解，更不能憑借定勢思維想當(dāng)然地解釋，例如中學(xué)階段關(guān)于Fe2+與Fe3+之間的轉(zhuǎn)化問題，二者的相互轉(zhuǎn)化涉及的內(nèi)容很多，包括有氧化性（還原性）、催化作用、離子檢驗等等，這些變化大都涉及到溶液的顏色變化，而這種顏色變化常常被人們認(rèn)為是一定的或必然的，其實不然，因為溶液的顏色變化涉及到物質(zhì)的濃度問題，當(dāng)濃度很小時，人們的眼睛是觀察不到溶液顏色變化的。

例1.（2010-上海-13）下列實驗過程中，始終無明顯現(xiàn)象的是

A. NO2通入FeSO4溶液中 B.CO2通入CaCl2溶液中

C. NH3通入AlCl3溶液中 D.SO2通入已酸化的Ba（NO3）2溶液中

NO2通入FeSO4溶液中一定有明顯現(xiàn)象嗎？

分析：對于A選項，涉及的化學(xué)反應(yīng)有：

3NO2+H2O=2H++2NO3-+NO

3Fe2++NO3-+4H+=3Fe3++NO↑+2H2O

合并兩式得到：3NO2+3Fe2++2H+=3Fe3++NO3-+2NO+H2O

反應(yīng)涉及到的變化有兩個：一是物質(zhì)變化，即Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+；二是現(xiàn)象變化，即有刺激性氣味的氣體產(chǎn)生，該氣體空氣中變?yōu)榧t棕色，溶液顏色可能由淺綠色變?yōu)辄S色。命題人根據(jù)NO2通入FeSO4溶液中一定發(fā)生了化學(xué)變化為依據(jù)判定出A選項一定出現(xiàn)了明顯的現(xiàn)象。事實上，如果溶液的濃度很小，小到肉眼觀察不到現(xiàn)象變化的時候，A選項就不正確了。如果命題人一定要把溶液顏色變化當(dāng)作明顯的現(xiàn)象變化的判據(jù)，則必須注明Fe2+的濃度，比如1mol/L，只有濃度（也就是量）達(dá)到一定范圍時，這種明顯的變化才可以觀察到，當(dāng)c（Fe2+）（題干也沒有指明）很小，比如0.001mol/L時，我們是很難也眼睛辨別明顯的現(xiàn)象變化的。同樣，也不可能把逸出的氣體作為判斷依據(jù)，因為通入氣體和逸出的氣體混在一起，而且又都是有刺激性氣味的氣體，逸出的是反應(yīng)產(chǎn)生的氣體還是沒有反應(yīng)或來不及反應(yīng)的氣體呢。本題命題人忽視了實際發(fā)生的化學(xué)變化和對應(yīng)的現(xiàn)象之間的“量”的關(guān)系。問題解決也不難，只要指明反應(yīng)體系的濃度（視覺可以觀察到的范圍之內(nèi)）或把“明顯現(xiàn)象”改為“一定發(fā)生了反應(yīng)”就可以了，或改為“向1mol/L的Fe（NO3）2溶液中加入稀硫酸”，因為該變化過程中不僅可以觀察到顏色變化，還有氣體逸出。類似情況，2006年高考廣東化學(xué)試題第18小題（見例2）就比較嚴(yán)密，試題通過一個物質(zhì)檢驗的靈敏反應(yīng)達(dá)到目的。

例2.下列實驗中，溶液顏色有明顯變化的是

A. 少量明礬溶液加入到過量NaOH溶液中

B. 往FeCl3溶液中滴入KI溶液，再滴入淀粉溶液

C. 少量Na2O2固體加入到過量NaHSO3溶液中

D. 往酸性高錳酸鉀溶液中滴入少量Fe2（SO4）3稀溶液

綜上所述可知，化學(xué)反應(yīng)確實發(fā)生了，因為微觀發(fā)生的化學(xué)變化的量的問題，宏觀上不一定會出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象變化。

2、微觀化學(xué)變化與宏觀現(xiàn)象描述的矛盾分析

2.1變化現(xiàn)象與變化原因不對應(yīng)

在教學(xué)過程中經(jīng)常會遇到化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)現(xiàn)象（結(jié)果）之間的定性與定量問題的原因分析與解釋，此類問題不僅在試題中經(jīng)常出現(xiàn)，在教材中也時常見到，例如人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》（2007年2月版）中，關(guān)于鹽類水解的原因解釋，給出了氯化銨、氯化鈉和醋酸鈉三種鹽的pH值（教材圖3-14）：

通過圖示，我們可以很直觀地解釋鹽溶液的酸堿性和鹽類存在水解的事實，由于教材中沒有注明溶液的濃度及測定的條件，大部分學(xué)生就認(rèn)為氯化銨溶液的pH一定等于5.12。在與學(xué)生交流的過程中，學(xué)生經(jīng)常會提出這樣兩個問題：

1） 醋酸鈉溶液的pH一定等于9.88嗎？

2） 強堿弱酸鹽溶液的pH一定大于7嗎？

這里沒有指明測定環(huán)境，也沒有指明被測溶液的濃度，就算實驗在常溫下測定，這里也忽略了變化與結(jié)論之間“量”的關(guān)系。鹽類水解是客觀存在的事實，但是，鹽溶液的pH測定則是有條件的、相對的，1mol/L和0.001mol/L的CH3COONa溶液的pH肯定是不同的，0℃和25℃條件下測定的pH也不可能是相同的，更不可能都等于9.88。當(dāng)醋酸鈉溶液的濃度為1.0×10-8mol/L時，水解依然存在，但pH的測定結(jié)果還大于7嗎？鹽類水解后溶液的pH與溫度和c（H+）有關(guān)，此外，水解鹽溶液的pH還與形成鹽的酸或堿的相對強弱和所在體系的酸堿性有關(guān)。問題關(guān)鍵在于需要明確被測體系的溫度和溶液的濃度。

2.2變化現(xiàn)象與原因分析有錯誤

例3.（2010-上海-19）下列反應(yīng)的離子方程式正確的是

A. 苯酚與碳酸鈉溶液的反應(yīng)

+CO32-+HCO3-

B. 等體積、等濃度的Ca（HCO3）2溶液和NaOH溶液混合

Ca2++2HCO3-+2OH-=CaCO3+CO32-+2H2O

C. 硫酸亞鐵溶液中加入用硫酸酸化的過氧化氫溶液

Fe2++2H++H2O2=Fe3++2H2O

D. 淀粉碘化鉀溶液在空氣中變藍(lán)

4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-

根據(jù)淀粉碘化鉀溶液在空氣中變藍(lán)的事實，可以判斷體系一定發(fā)生了化學(xué)變化，問題是所給的離子反應(yīng)“4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-”能夠代表淀粉碘化鉀溶液變藍(lán)的真實反應(yīng)嗎？如果是，那么單質(zhì)碘在堿性環(huán)境中能夠存在嗎？根據(jù)氯氣在堿性條件下的反應(yīng)，我們可以推知，這個離子方程式不能代表淀粉碘化鉀溶液在空氣中變藍(lán)的真實反應(yīng)或最終反應(yīng)，它可能是變化過程中諸多反應(yīng)中的一步。根據(jù)相關(guān)資料[2]，單質(zhì)碘在堿性環(huán)境中的反應(yīng)能夠定量的進(jìn)行得到碘酸鹽：3I2+6OH-=5I-+IO3-+3H2O，說明D選項所給離子方程式是錯誤的。那么淀粉碘化鉀溶液在空氣中變藍(lán)的變化對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)究竟是怎樣的呢？一種解釋是KI在日光、氧氣和酸性條件（來自空氣中的CO2、SO2）下發(fā)生的日光反應(yīng)[3]：

4I-+O2+4H3O=2I2+6H2O

或4I-+O2+4H+=2I2+2H2O

這種解釋的離子方程式顯然也不能令人信服，因為來自空氣中溶解的二氧化碳的酸性是很弱的，二氧化硫的量更是極其微小的，所有離子方程式中根本不可能用H3O+或H+表示。綜合考慮堿性條件下二氧化碳的反應(yīng)與上海卷第19題D選項的離子方程式，得到如下反應(yīng)：

4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-

CO2+OH-=HCO3-

兩式合并：4I-+O2+4CO2+2H2O=2I2+4HCO3-

筆者認(rèn)為這種解釋應(yīng)該是比較合理的。

2010年高考全國I卷第28題和福建卷第23題都出現(xiàn)了“白色煙霧”的描述，而根據(jù)試題情境分析，前者指的是氯化銨，后者指的是氯化氫，顯然前者應(yīng)該是“白煙”，后者應(yīng)該是“白霧”。就中學(xué)階段化學(xué)變化引起的宏觀現(xiàn)象描述而言，“煙”指的是固體小顆粒，“霧”指的是液體小顆粒，“白色煙霧”應(yīng)該是白色的固體和液體小顆粒的混合物。為此，我們在描述化學(xué)變化的現(xiàn)象時，不能只簡單的、籠統(tǒng)的描述，要具體、準(zhǔn)確的表達(dá)清楚，化學(xué)變化的本質(zhì)、現(xiàn)象變化描述及變化原因分析應(yīng)當(dāng)力求科學(xué)、準(zhǔn)確、清楚、規(guī)范，否則就會出現(xiàn)問題，引起誤解甚至誤導(dǎo)。