物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的意義與教學(xué)芻議

徐志強(qiáng)

摘要：物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖跟工藝流程圖、實(shí)驗(yàn)流程圖、反應(yīng)原理圖等不同，其核心內(nèi)容是“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”，涉及物質(zhì)相繼進(jìn)行的多步化學(xué)反應(yīng)。物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖具有多方面的功能，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)和應(yīng)用是必要的，應(yīng)該比工藝流程圖應(yīng)用得更多，在初中化學(xué)教學(xué)中需要注意把握好應(yīng)用的度。在應(yīng)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的教學(xué)中，需要注意抓好物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的分析、生成和應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)。介紹了有關(guān)的教學(xué)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖；功能與意義；教學(xué)實(shí)例；化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）2–0084–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖是化學(xué)教科書(shū)表征知識(shí)的一種重要方式，它以引發(fā)學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)的正確認(rèn)知、概括和表征為任務(wù)。從總體上看，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖在中學(xué)化學(xué)教學(xué)特別是化學(xué)習(xí)題中有明顯增加的趨向，其直接原因一定程度上在于物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖在高考、中考試題中頻頻出現(xiàn)。物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖有必要在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)和應(yīng)用嗎？我們應(yīng)該怎樣進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的教學(xué)？這是需要深入思考、探討的兩個(gè)問(wèn)題，也是本文著重討論的主題。

1 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的界定與分類(lèi)

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖跟工藝流程圖、實(shí)驗(yàn)流程圖、反應(yīng)原理圖等是不同的，其核心內(nèi)容是“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”，涉及物質(zhì)相繼進(jìn)行的多步反應(yīng)過(guò)程，表征時(shí)圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是物質(zhì)名稱(chēng)或化學(xué)式而不是工藝或設(shè)備名稱(chēng)。把表征物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系的圖稱(chēng)為“流程圖”是不準(zhǔn)確的，但是物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖不一定能反映物質(zhì)轉(zhuǎn)化的具體步驟和過(guò)程，例如圖1就屬于這種情況。

因此，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖可以細(xì)分為物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖和物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程圖。前者側(cè)重于表征轉(zhuǎn)化關(guān)系，后者側(cè)重于表征轉(zhuǎn)化過(guò)程。圖1是典型的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。

至于工藝流程圖、實(shí)驗(yàn)流程圖，它們不具有物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的上述特點(diǎn)，突出的是工藝或操作處理過(guò)程甚至設(shè)備、儀器，而不是物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。反應(yīng)原理圖往往是以主要化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)方程式為核心添加其他內(nèi)容形成的。下面圖2、圖3、圖4都不屬于物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖。

2 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的功能與意義

2.1 直觀、扼要地表征和概括物質(zhì)的化學(xué)變化關(guān)系

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖能表征物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，特別是復(fù)雜的化學(xué)變化關(guān)系。

例如，中學(xué)化學(xué)涉及的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律內(nèi)容主要有單質(zhì)、氧化物、酸、堿、鹽等各類(lèi)物質(zhì)相互變化的規(guī)律。圖1正是直觀地概括各類(lèi)物質(zhì)的化學(xué)變化關(guān)系的典型例子之一。

化學(xué)方程式是用化學(xué)式和特定符號(hào)表述化學(xué)反應(yīng)事實(shí)的式子，但不是所有的化學(xué)反應(yīng)都可以用化學(xué)方程式來(lái)表述的。如對(duì)于物質(zhì)發(fā)生多步轉(zhuǎn)化的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的表述，用化學(xué)方程式不是過(guò)于繁瑣就是根本無(wú)能為力。此時(shí)改用物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖往往令人有一目了然、重點(diǎn)突出、簡(jiǎn)潔明快之感。

例如，圖5清晰、扼要地表明了海水提鎂的主要步驟：

2.2 綜合表征物質(zhì)轉(zhuǎn)化條件、控制與操作等過(guò)程知識(shí)

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖能夠表征物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程及其步驟、條件甚至儀器設(shè)備和操作等重要“細(xì)節(jié)”，引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)步驟、反應(yīng)條件等角度具體地認(rèn)識(shí)并理解物質(zhì)反應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)，也有助于使學(xué)生置身于真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中。

例如，圖6綜合表征了實(shí)驗(yàn)室摸擬侯氏制堿法的條件、控制與操作等知識(shí)。

2.3 增加對(duì)實(shí)際的了解，增強(qiáng)化學(xué)知識(shí)應(yīng)用能力

新課程非常重視化學(xué)跟社會(huì)實(shí)際的聯(lián)系，而物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程圖比較適合用來(lái)描述社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際中的化學(xué)過(guò)程，自然有助于幫助學(xué)生了解實(shí)際生產(chǎn)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，增強(qiáng)他們應(yīng)用化學(xué)知識(shí)的能力。

例如，圖7可以使學(xué)生增加對(duì)海水資源進(jìn)行綜合利用，從海水中提取NaCl、Na2CO3、Mg等物質(zhì)的了解。

2.4 有助于學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，把孤立、零散的物質(zhì)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖能夠把本來(lái)孤立和零散的物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)有意義的整體，也有助于學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成物質(zhì)相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的觀念，進(jìn)而更深刻地認(rèn)識(shí)客觀的物質(zhì)世界，體會(huì)到化學(xué)的深層次魅力，提升化學(xué)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

比如初三化學(xué)“碳”是物質(zhì)知識(shí)中很重要的一個(gè)板塊。在教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建圖8所示的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，使有關(guān)物質(zhì)的變化關(guān)系一目了然，提高學(xué)習(xí)的效率。

該圖可以清楚地呈現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)石灰石到石灰水的轉(zhuǎn)化，還可以引發(fā)對(duì)碳酸鈣、碳酸氫鈣跟碳酸（二氧化碳和水）的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的學(xué)習(xí)、探究。

2.5 有助于學(xué)生形成整體思考、過(guò)程思考和上位思考的習(xí)慣

總之，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)和應(yīng)用是必要的。由于中學(xué)化學(xué)具有基礎(chǔ)性，特別是初中化學(xué)具有啟蒙性質(zhì)，不宜太復(fù)雜，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖應(yīng)該比工藝流程圖應(yīng)用得更多。

就本質(zhì)而言，物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖只是一種工具、一種載體，它的應(yīng)用決定于課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容，其復(fù)雜程度受到內(nèi)容的制約，一般不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度、濫用的問(wèn)題。但對(duì)于初中化學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)，仍然需要注意把握好應(yīng)用的度。

3 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的教學(xué)

在應(yīng)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的教學(xué)中，需要注意抓好物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的分析、物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的生成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的分析

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的分析需要解決3個(gè)基本問(wèn)題：物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖所涉及的物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)是什么？該系統(tǒng)的起始物質(zhì)、終結(jié)物質(zhì)是什么？經(jīng)歷了哪些中間步驟？對(duì)每一個(gè)步驟來(lái)說(shuō)，則需要弄清楚反應(yīng)物、生成物是什么？怎樣實(shí)現(xiàn)這個(gè)化學(xué)變化？需要哪些特殊的反應(yīng)條件、儀器設(shè)備和操作？3個(gè)問(wèn)題逐級(jí)提升，能使學(xué)生由淺入深地了解物質(zhì)轉(zhuǎn)化的原理，厘清物質(zhì)之間的聯(lián)系，了解關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)操作。

3.2 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的生成

物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖最好用逐步生成的方法呈現(xiàn)給學(xué)生，盡量避免一次性成圖。物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖越復(fù)雜，就越要注意這個(gè)問(wèn)題。在呈現(xiàn)時(shí)，最好遵循由主到次、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由原理到操作的次序。

了解具體的化學(xué)變化和實(shí)驗(yàn)操作，會(huì)用化學(xué)方程式表示整個(gè)反應(yīng)過(guò)程，是物質(zhì)轉(zhuǎn)化分析的基礎(chǔ)。如果學(xué)生的這些知識(shí)基礎(chǔ)不太扎實(shí)，在進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖分析之前應(yīng)該作必要的“補(bǔ)課”。

3.3 物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的應(yīng)用

下面通過(guò)兩個(gè)教學(xué)實(shí)例來(lái)說(shuō)明物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的應(yīng)用。

3.3.1 物質(zhì)制備的流程轉(zhuǎn)化分析——以石灰石制備較為純凈的碳酸鈣為例

碳酸鈣含有鈣，可以作為補(bǔ)充人體內(nèi)鈣質(zhì)的食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，還可以用作發(fā)酵促進(jìn)劑、抗結(jié)塊劑、增白劑、配制食品的疏松劑以及牙膏中的摩擦劑等。但是，在用作食品添加劑時(shí)，必須按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量、用量和粒度（不可太粗）。

石灰石是比較容易找到的廉價(jià)原料，怎樣才能把它轉(zhuǎn)變成比較純凈的碳酸鈣粉末，從而使之用于生產(chǎn)中并為生活服務(wù)呢？在課堂教學(xué)中，首先請(qǐng)學(xué)生回憶曾經(jīng)學(xué)過(guò)的含碳物質(zhì)的轉(zhuǎn)化圖，然后請(qǐng)學(xué)生思考化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，寫(xiě)出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。

學(xué)生經(jīng)過(guò)討論，列出如下的反應(yīng)過(guò)程：

在此基礎(chǔ)上，請(qǐng)學(xué)生思考如何用方框和箭頭表示方法一的轉(zhuǎn)化流程圖。學(xué)生設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化流程圖如圖9、圖10、圖11。

接著引導(dǎo)學(xué)生從綠色化學(xué)的角度討論上述物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的不同之處以及可取之處，思考二氧化碳和水的循環(huán)使用，充分利用物質(zhì)資源，以此完善流程分析。經(jīng)過(guò)這樣的分析，學(xué)生就會(huì)弄清楚流程分析所涉及的原理，知道物質(zhì)轉(zhuǎn)變過(guò)程可以用箭頭表示，以及在這個(gè)流程分析中涉及的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。

3.3.2 混合物分離和提純的轉(zhuǎn)化流程分析

物質(zhì)轉(zhuǎn)化的流程分析，更多地表現(xiàn)出來(lái)的是將混合物中的不同物質(zhì)分離出來(lái)或者將雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為主要成分，以此提高其純度。分離和提純作為重要的方法，不僅在化學(xué)研究中具有重要意義，在化工生產(chǎn)中也同樣具有十分重要的作用。

物質(zhì)分離和提純?cè)谶x擇試劑和實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)滿(mǎn)足幾個(gè)要求：提純后的物質(zhì)成分不變；不能損耗或減少被提純物質(zhì)的質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作方法簡(jiǎn)單易行；用化學(xué)方法除去溶液中的雜質(zhì)時(shí)，為使被分離的物質(zhì)或離子盡可能除凈，若需要加入過(guò)量的分離試劑，在多步分離過(guò)程中，后加的試劑應(yīng)能夠把前面所加的無(wú)關(guān)物質(zhì)或離子除去。

在初中階段，對(duì)于無(wú)機(jī)物常用下列方法分離和提純：

（1）過(guò)濾-結(jié)晶法。例如氯化鈉固體的提純，就可以采取溶解、過(guò)濾、蒸發(fā)結(jié)晶的方法實(shí)現(xiàn)。

（2）生成沉淀法。例如NaCl溶液里混有少量的MgCl2雜質(zhì)，可加入過(guò)量的NaOH溶液，使Mg2+離子轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2沉淀（但引入新的雜質(zhì) OH-），過(guò)濾除去Mg（OH）2然后加入適量鹽酸，調(diào)節(jié)pH為中性。

關(guān)于物質(zhì)的分離，可以借鑒“金屬的化學(xué)性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)中對(duì)留下的含有硝酸銀、硝酸銅的廢液處理：實(shí)驗(yàn)小組先在廢液中加入過(guò)量的鐵粉，充分反應(yīng)后過(guò)濾得到銀、銅和鐵的混合物。他們?cè)O(shè)計(jì)了如圖12所示方案從銀、銅、鐵的混合物中分離回收銀和銅，并得到硫酸亞鐵晶體（提示：銀在受熱的情況下不發(fā)生變化）。

引導(dǎo)學(xué)生思考圖12所示流程中哪些試劑的加入必須要過(guò)量以及必要的實(shí)驗(yàn)操作，歸納本流程中涉及的知識(shí)點(diǎn)（反應(yīng)原理），書(shū)寫(xiě)有關(guān)的化學(xué)方程式。要在課堂上讓學(xué)生能夠理解這個(gè)背景下涉及的流程分析的明線(xiàn)和暗線(xiàn)、起點(diǎn)和落腳點(diǎn)。明線(xiàn)為廢液的處理和回收；暗線(xiàn)為金屬的活動(dòng)性順序、金屬的性質(zhì)、酸堿鹽的性質(zhì)；起點(diǎn)為科學(xué)探究的方法；落腳點(diǎn)為基本的實(shí)驗(yàn)操作技能、化學(xué)用語(yǔ)、對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的分析評(píng)價(jià)。

關(guān)于物質(zhì)的提純，向?qū)W生展示除去氯化鉀樣品中含有的雜質(zhì)氯化鈣和氯化鎂的流程圖（見(jiàn)圖13）并組織討論。

除去氯化鈣和氯化鎂其實(shí)是除去什么離子？加入過(guò)量的KOH溶液的目的是什么？X溶液是什么？除去什么離子？根據(jù)圖13所示流程，回憶過(guò)濾和蒸發(fā)操作分別有哪些注意點(diǎn)？以上這些問(wèn)題，都是我們?cè)诜治隽鞒虉D時(shí)，需要引起重視的問(wèn)題，也是我們進(jìn)行流程圖分析的本意所在。學(xué)生討論結(jié)果：用過(guò)量的氫氧化鉀溶液除去氯化鎂；用過(guò)量的碳酸鉀溶液進(jìn)一步除掉氯化鈣；最后加入過(guò)量的鹽酸除去過(guò)量的氫氧化鉀溶液和過(guò)量的碳酸鉀溶液。

4 幾點(diǎn)思考

在物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程分析的過(guò)程中，應(yīng)注重對(duì)知識(shí)的理解與運(yùn)用，通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化、假設(shè)對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用與實(shí)踐重組能力的培養(yǎng)，提升學(xué)生思維品質(zhì)以及處理問(wèn)題意識(shí)。通過(guò)創(chuàng)設(shè)制取、分離、除雜等不同的問(wèn)題情境，讓學(xué)生感受化學(xué)特有的研究和呈現(xiàn)方式——物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖，并體驗(yàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖的建構(gòu)過(guò)程，為學(xué)生最終形成物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀奠定基礎(chǔ)。圍繞物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程，通過(guò)問(wèn)題鏈的研討，層層深入逐步加深對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程方法及操作技能的認(rèn)識(shí)。

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