以金屬及其化合物的教學為例談微粒觀的構(gòu)建

陳世江

【摘 要】高中化學新課程改革核心任務提高學生的化學科學素養(yǎng)?；瘜W基本觀是基于這個理念提出的，要提高學科素養(yǎng)關(guān)鍵是突破以知識傳授為核心的教學模式，轉(zhuǎn)向以構(gòu)建化學觀為核心的教學。本文嘗試以金屬及其化合物知識為載體探討如何促進學生構(gòu)建化學基本觀中的微粒觀。

【關(guān)鍵詞】化學基本觀；金屬及其化合物性質(zhì)；建構(gòu)；微粒

化學基本觀是對具體化學知識深入理解后的抽象概括，隨著時間推移學生會淡忘具體化學知識，所剩余的思想意識層面的東西，沉積下來的對物質(zhì)世界的理解方式和思考方法就是化學學科素養(yǎng)。學生學科素養(yǎng)的提高依賴于化學基本觀構(gòu)建?；瘜W基本觀必須是學生在學習過程根據(jù)已有知識和經(jīng)驗思考、探究，付出一定心智后主動構(gòu)建，教師雖無法安排專門的課時傳授，但應有意識教學知識與活動幫助學生構(gòu)建化學基本觀。宋心琦教授指出：學生能否牢固地、準確地、哪怕只是定性地建立起基本的化學觀念，應當是中學化學教學的第一目標。從微觀世界思考宏觀物質(zhì)變化的微粒觀是化學區(qū)別于其他學科重要標志，是化學學科特有的觀念。高三總復習后期以模塊知識為主，學生對于紛擾復雜的元素化合物知識始終云里霧里，即使一時記住了也不知如何應用。構(gòu)建化學基本觀中的微粒觀是突破總復習的這一高原現(xiàn)象的有效方法，筆者擬設計以金屬及其化合物知識為載體培養(yǎng)微粒觀的構(gòu)建。

一、實驗探究金屬單質(zhì)穩(wěn)定性促進學生構(gòu)建微粒觀

從微觀角度認識金屬的穩(wěn)定性主要取決于金屬的抗腐蝕能力，一般認為金屬抗腐蝕能力與金屬的活動性和金屬表面氧化物的性能有關(guān)。從兩個因素將金屬抗腐蝕能力分為三類：第一類，金屬本身化學性質(zhì)很不活潑，如鉑、金、銀能在自然界中穩(wěn)定存在。第二類，密度小且化學性質(zhì)活潑的金屬，如鋰、鈉、鉀等在空氣易被氧化且生成的氧化物比金屬本身密度更大，難于覆蓋在金屬表面，結(jié)構(gòu)中有空隙，腐蝕介質(zhì)和氧氣能繼續(xù)與內(nèi)部金屬反應，另一個原因這些金屬氧化物自身也不穩(wěn)定。第三類，大多數(shù)性質(zhì)活潑且密度較大的金屬本身易被氧化，但由于生成的氧化物的密度比金屬本身小，所以氧化物能緊緊地覆蓋在金屬表面形成致密保護膜。如鉻、鋁在空氣中表面會生成一層氧化物（ Cr2O3 ， A12O3）保護膜。為了讓學生從微觀角度認識到金屬表面層形成致密、堅韌而又緊緊附著在金屬表面的保護膜是抗蝕的必要條件。在高三化學總復習安排學生做如下表1探究，幫助學生建構(gòu)微粒觀。

探究項目 提出假設 實驗探究 現(xiàn)象 結(jié)論

鐵易生銹，比鐵更活潑的鎂和鋁為什么不生銹 鎂和鋁表面有氧化物保護膜， 1.鋁片在酒精燈加熱變軟，用針捅破變軟部分。

2.鋁粉撒落在酒精燈火焰。

3.未打磨的鎂條放入滴有酚酞的熱水中加熱煮沸。 1.有液體流出，但不鋁片不燃燒。

2.鋁粉劇烈燃燒，發(fā)出耀眼白光

3.酚酞長時間不變紅。 鋁片和鎂片表面生成致密氧化物保護膜，且MgO和Al2O3熔點很高，保護內(nèi)部金屬進一步與氧氣反應。

鈉在空氣也生成氧化鈉，為什么鈉在通常情況不能穩(wěn)定存在 金屬鈉表面生成的氧化鈉本身易與水和CO2反應，自身難保。 取少量氧化鈉放置表面皿于空氣中。 先變?yōu)楹隣钗镔|(zhì)，10天后生成白色粉末狀物質(zhì)；往該粉末滴加鹽酸產(chǎn)生氣體。 氧化鈉在空氣逐漸生成疏松碳酸鈉固體，最終全部鈉塊都反應生成碳酸鈉。

鐵和銅在潮濕的空氣中都易生銹，為什么不受氧化膜保護呢。 氧化膜疏松，難于保護內(nèi)部的金屬。 1.分別將濃硫酸鈍化過的鐵釘和自然生銹的鐵釘放置于一半放置于水中。 經(jīng)鈍化過的鐵釘不生銹，而表面生銹的鐵釘繼續(xù)生銹。 通常情況下鐵釘表面生成氧化鐵膜很疏松難于保護內(nèi)部的金屬。

表1

以隨堂實驗形式探究表1內(nèi)容，從微觀角度對比金屬表面氧化膜結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)比較發(fā)現(xiàn)他們之間的內(nèi)在聯(lián)系不但復習了學過的知識，也促進了學生深入微觀世界思考化學中的其他問題。

二、對金屬鈍化的微觀探究幫助學生微粒觀的構(gòu)建

將宏觀感性認識的物質(zhì)與微觀抽象的粒子相聯(lián)系是化學學科區(qū)別與數(shù)學、物理等學科的重要特色?；瘜W學科的這一特點也是通常被學生認為難以學習掌握的原因之一。從分子學說的提出到近代原子結(jié)構(gòu)的認識無一例外地都將宏觀現(xiàn)象與微觀世界相聯(lián)系，所以將宏觀與微觀相聯(lián)系的思維方法和理念是化學領(lǐng)域又一重要基本觀念。關(guān)于金屬鈍化的知識高中課本敘述的篇幅只寥寥幾行字，學生對此也一知半解。事實上金屬鈍化包含大量化學知識且在工業(yè)中有著重要的應用。金屬鐵和鋁的鈍化機理目前有兩種學說。第一種薄膜理論，也是目前高中教材認可的理論。當金屬鐵和鋁浸入濃硝酸（大于60%）時，認為金屬表面生成致密的氧化物保護膜。第二種為吸附氧理論，認為金屬表面吸附一層單分子氧，使金屬表面反應活性降低而鈍化。但薄膜理論和吸附氧理論都無法解釋Mg在非氧化性酸HF中鈍化，Nb和Mo在鹽酸中鈍化。也無法解釋不是使用強氧化劑而電化學法使金屬鈍化。海軍工程大學的李連杰博士認為：金屬在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生的金屬離子，在金屬表面的液層如果向外擴散的速度很慢，就會引起金屬表面離子濃度逐漸增大，當大量正電荷的金屬離子在金屬表面聚集時，必然對金屬上的電子產(chǎn)生引力，一些電子被吸引到金屬表層，但金屬的正電荷會阻止電子外溢，如圖1所示，當內(nèi)外的正電荷作用力相當時，金屬溶解速度變得很小處于“鈍化”狀態(tài)。

通過以金屬鈍化知識為載體探究微觀世界，培養(yǎng)學生把宏觀物質(zhì)變化和現(xiàn)象與微觀相聯(lián)系，使學生建立起物質(zhì)變化統(tǒng)一于微觀變化的理念。

三、以氫氧化鋁阻燃機理創(chuàng)設情景促進微粒觀的構(gòu)建。

氫氧化鋁阻燃劑是目前國內(nèi)應用最廣泛的合成無鹵阻燃劑材料之一，它具有阻燃、消煙、填充等大功能，相對含鹵阻燃劑有燃燒時無二次污染，在聚合物中分散性好等優(yōu)點。廣泛用于電工、電線、電纜、日用品、建筑材料、運輸?shù)人芰虾拖鹉z制品中。課堂上演示如圖2所示一小塊添加氫氧化鋁阻燃劑的聚苯乙烯白色泡沫塑料和另一塊未添加氫氧化鋁阻燃劑的聚苯乙烯塑料（本地裝飾材料店購買）同時放酒精燈點燃。實驗現(xiàn)象為含氫氧化鋁的苯板不燃燒。

引導學生討論氫氧化鋁阻燃劑原理。氫氧化鋁受熱分解的熱化學方程式：

2Al（OH）3（s） = 3H2O（g） + Al2O3（s） △H=+194.6KJ/mol

（1）氫氧化鋁受熱分解為吸熱反應，此外反應產(chǎn)物中水轉(zhuǎn)化為水蒸汽也吸收熱量。以上吸熱過程使得環(huán)境溫度難于達到聚合物的著火點。

（2）從微觀角度分析：氫氧化鋁分解產(chǎn)生水蒸汽稀釋氧氣使得可燃物表層氧氣的濃度下降。 同時在可燃物表面生成Al203保護膜隔絕氧氣，可阻止燃燒。

（3）氧化鋁微粒有較強的脫水性，使聚乙烯塑料碳化而不產(chǎn)生揮發(fā)性，從而阻止火焰蔓延。

通過以上阻燃機理的分析，學生從微觀世界深化認識氫氧化鋁的分解反應，幫助學生構(gòu)建微粒觀。

四、總結(jié)

化學基本觀的構(gòu)建不是紙上談兵，在總復習過程中不是把金屬及其化合物知識按金屬單質(zhì)、氧化物、氫氧化物每種具體的物質(zhì)性質(zhì)單純羅列出，而后要求學生逐一記憶背誦，這種把具體知識以靜態(tài)形式呈現(xiàn)顯然無法幫助學生構(gòu)建化學基本觀，縱使學生花大量精力記憶也無法將所學知識活用。本文把具體元素化合物知識深入理解加工成可遷移的觀念性認識?；瘜W基本觀對具體知識的學習有引領(lǐng)作用，有助于將知識轉(zhuǎn)化為能力。

參考文獻：

[1]宋心琦，胡美玲，對中學化學的主要任務和教材改革的看法[J]：化學教育，2001，（9）：9～13

[2]李連杰，桂赤斌。 金屬鈍化現(xiàn)象的電子理論研究[J]，腐蝕研究，2009，（8）：24～25