化學(xué)核心素養(yǎng)視域下的教學(xué)問題解析

嚴(yán)業(yè)安

（三明第一中學(xué)，福建 三明 365001）

化學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生在認(rèn)知活動(dòng)中解答有關(guān)化學(xué)問題時(shí)呈現(xiàn)出來的關(guān)鍵素養(yǎng)，是學(xué)生用化學(xué)的眼光審視客觀事物時(shí)表現(xiàn)出來的一種能力水平，這是伴隨和影響學(xué)生一生的東西。那么，如何培養(yǎng)高中化學(xué)核心素養(yǎng)呢？清華大學(xué)化學(xué)系張希教授在中國化學(xué)奧林匹克（決賽）暨冬令營上說：“化學(xué)不只出現(xiàn)在書本上，也不僅停留在實(shí)驗(yàn)室里，更是與我們的社會(huì)和生活息息相關(guān)?！备咧谢瘜W(xué)核心素養(yǎng)應(yīng)立足于具體的課堂教學(xué)或課外活動(dòng)展開。提煉出一些貼近生活的具體情境的問題，讓學(xué)生有意識(shí)地關(guān)注身邊所發(fā)生的化學(xué)現(xiàn)象，思考如何利用學(xué)過的知識(shí)解答化學(xué)問題和解釋身邊的化學(xué)現(xiàn)象，不失為提升自身化學(xué)核心素養(yǎng)的一種途徑。以下14個(gè)具體問題的解答正是基于這一想法的嘗試。

【問題1】為什么喝水解辣的效果并不顯著，而喝牛奶卻可以很快消退辣覺？

【解答】辣的味覺來自于辣椒中所含有的辣椒素分子，這種分子通過與神經(jīng)元末梢的受體蛋白質(zhì)發(fā)生作用，激活鈣離子通道而產(chǎn)生辣的感覺。由于辣椒素的水溶性差、脂溶性好，利用牛奶中的脂肪成分溶解辣椒素，可降低辣椒素的濃度。簡(jiǎn)單的相似相溶原理可幫助我們巧妙地解決生活中的問題。

【問題2】臭豆腐“聞起來臭、吃起來香”，其背后蘊(yùn)含著什么化學(xué)道理？

【解答】研究表明，豆腐在發(fā)酵過程中，蛋白質(zhì)在酶的作用下發(fā)生水解，其中含有的甲硫氨酸和半胱氨酸降解，產(chǎn)生易揮發(fā)的硫化氫氣體，因而“聞著臭”。同時(shí)，蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的其他氨基酸，有的具有鮮美的滋味，因而“吃著香”。簡(jiǎn)單的生物化學(xué)知識(shí)成功地運(yùn)用到烹飪過程中，造就了這種家喻戶曉的美食。

【問題3】為什么冷的米飯顯得很硬且營養(yǎng)價(jià)值低？

【解答】大米的主要成分為淀粉，淀粉是葡萄糖單體脫水而成的聚合體，每個(gè)分子大約含有幾百到幾千個(gè)葡萄糖單元。其中直鏈淀粉的分子盤旋呈一個(gè)螺旋，每轉(zhuǎn)一圈，約含六個(gè)葡萄糖單元。葡萄糖單元含有若干羥基，螺旋內(nèi)羥基間形成氫鍵，無法再與水分子形成氫鍵。所以淀粉在冷水中溶解度較低，人體消化系統(tǒng)中的淀粉酶無法分解它。煮飯時(shí)，大米在熱水中吸收水分，使淀粉分子體積膨脹，部分氫鍵被破壞，淀粉就溶在熱水中。剛煮好的米飯顯得粘稠、柔軟，有利于人體消化和吸收營養(yǎng)。

米飯放置一段時(shí)間變冷后，淀粉分子中原來斷裂的氫鍵再次形成，使米飯變得很硬。時(shí)間放置越長，米飯就顯得越硬，越來越不利于消化，吸收率下降，營養(yǎng)價(jià)值缺失。即使把冷飯放在鍋里或用微波爐重新蒸煮，其消化吸收率已無法與剛煮好的媲美，營養(yǎng)價(jià)值必然降低。

【問題4】“水滴石穿”是物理變化還是化學(xué)變化？

【解答】“水滴石穿”是一句成語，大意是“水不停地滴下來，能把下面的石頭滴穿”，比喻力量雖小，但功到自然成。水滴石穿既有物理變化的原因，也有化學(xué)變化的原因。水滴石穿的原因之一是水從高處滴落，其沖擊力比較大，沖擊力給石頭帶來磨損，水滴日復(fù)一日、年復(fù)一年，一滴一磨，石頭就被磨穿了。這一過程只是石頭的形狀發(fā)生了變化，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)，是物理變化。水滴石穿也可能是由于水和空氣中的二氧化碳共同作用的結(jié)果。二氧化碳能溶于水，在通常狀況下，1體積水約能溶解1體積的二氧化碳，二氧化碳和水作用形成碳酸，水滴可看成是碳酸溶液，呈弱酸性。大理石、石灰石這類石塊的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），水滴落下來時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，Ca(HCO3)2可溶于水，導(dǎo)致石塊局部慢慢溶解而損失。溶洞現(xiàn)象是水滴石穿的一個(gè)典型例子。水滴石穿還有一種原因是受酸雨的腐蝕。

【問題5】什么是丁達(dá)爾現(xiàn)象？

【解答】當(dāng)可見光通過膠體時(shí)，在入射光側(cè)面可觀察到光亮的通路（微弱閃光集合而成的光柱），該現(xiàn)象稱為丁達(dá)爾效應(yīng)，也叫丁達(dá)爾現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)室中常利用丁達(dá)爾現(xiàn)象來區(qū)分溶液與膠體。波長為400～750 nm的光為可見光，可見光在膠體的分散質(zhì)微粒表面發(fā)生散射，形成丁達(dá)爾現(xiàn)象。膠體中分散質(zhì)粒子直徑（為1～100 nm）小于可見光的波長，光波可以繞過粒子前進(jìn)，并從粒子向各方向傳播，這就是散射現(xiàn)象，散射的光環(huán)組成了光柱。溶液中分散質(zhì)粒子很小，散射很弱，看不到閃光和光柱。粗分散體系（懸濁液和乳濁液）中，分散質(zhì)粒子大于光波波長，在光照射下產(chǎn)生反射作用，可看到顆粒的形狀而呈濁狀。

【問題6】晴朗的天空為什么是呈藍(lán)色的？車輛在霧天行駛時(shí)為什么要用黃色燈？

【解答】散射光的強(qiáng)度可用雷利（Rayleigh）公式來表示。由雷利公式得知，散射強(qiáng)度和入射光的波長的4次方成反比，即入射光若波長越短就越容易發(fā)生散射，波長越長的光越容易透過?？梢姽庵?，黃色光的波長為580～600 nm，藍(lán)色光的波長為450～480 nm。大氣層可看成是一種氣溶膠，當(dāng)白光照射在大氣層上時(shí)，藍(lán)色光幾乎都發(fā)生散射，而黃色光大體都透過，只有極少被散射，所以晴朗的天空顯示藍(lán)色，車輛在霧天行駛時(shí)用黃色燈。

【問題7】“鬼火”究竟是什么？

【解答】磷的拉丁文原意是發(fā)光物，我國古代典籍中就有燐這個(gè)詞，俗稱鬼火，按統(tǒng)一命名原則現(xiàn)在命名為磷，所以“鬼火”就是“磷火”。動(dòng)物的牙齒和骨骼中含有元素磷，尸體在腐爛過程中發(fā)生復(fù)雜的生物變化、化學(xué)變化和物理變化，產(chǎn)生少量的P2H4和PH3氣體。P2H4比PH3更活潑，能夠自燃，火焰顯暗淡的藍(lán)綠色?？諝饬鲃?dòng)形成風(fēng)，火焰就隨風(fēng)飄蕩。有關(guān)反應(yīng)方程式為：

【問題8】燒磚過程中，如果從窯頂噴水得到的是青磚，不噴水則得到紅磚，這是什么原因？

【解答】粘土是燒磚用的原料，主要成分為含水硅酸鋁（xAl2O3·ySiO2·nH2O），同時(shí)還摻有赤鐵礦（Fe2O3為主）、菱鐵礦（FeCO3為主）、黃鐵礦（FeS2為主）或褐鐵礦（Fe2O3·2Fe(OH)3為主）等礦物雜質(zhì)。當(dāng)磚坯在磚窯中高溫煅燒時(shí)，若氧氣充足，則上述鐵的化合物都轉(zhuǎn)化為Fe2O3，得到紅磚。鐵元素的含量越多，磚的顏色就越紅。磚坯燒制過程中，如果從窯頂向下噴適量的水，水會(huì)轉(zhuǎn)化為水蒸氣，水蒸氣和焦炭在高溫下反應(yīng)生成H2和CO。H2和CO在高溫下將Fe2O3還原成Fe3O4或FeO，得到的磚就顯青灰色。

【問題9】為什么液化石油氣罐在用完之后再搖一搖或澆一點(diǎn)熱水又可使用一會(huì)兒？

【解答】目前家庭使用的液化石油氣的主要成分是丙烷、丙烯、丁烷和丁烯等低級(jí)烴的混合物。常溫下它們是氣體，通過加壓轉(zhuǎn)化為液體裝在鋼罐中。使用時(shí)旋開閥門，由于壓強(qiáng)突然減小，這些烴類化合物會(huì)立即氣化而噴出，點(diǎn)燃即可使用。當(dāng)這些烴類化合物都?xì)饣莩龊螅鹈缇椭饾u變小了。這時(shí)把一些熱水澆在液化氣罐上，或者稍用力搖一搖液化氣罐，火苗就會(huì)突然變大起來。這是因?yàn)槟壳笆褂玫囊夯蜌庵泻猩倭课焱?，常溫下戊烷是液體，升高溫度時(shí)其蒸氣壓增大，搖一搖或加熱有利于戊烷氣化。戊烷的數(shù)量雖然不多，但其產(chǎn)生的氣體可維持一段時(shí)間。應(yīng)注意的事項(xiàng)，嚴(yán)禁使用明火對(duì)著液化氣罐直接加熱，否則會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。

【問題10】實(shí)驗(yàn)室蒸餾石油時(shí)要在蒸餾燒瓶中加入一些沸石或碎瓷片，其原理是什么？

【解答】在常壓下仔細(xì)觀察加熱純水的過程，會(huì)發(fā)現(xiàn)：把水加熱到100℃時(shí)，水并沒有沸騰；當(dāng)溫度超過100℃以后一段時(shí)間，水卻突然沸騰了。為什么水會(huì)存在這種過熱現(xiàn)象呢？因?yàn)閷?duì)液體加熱，沸騰時(shí)內(nèi)部將有小氣泡生成，小氣泡充當(dāng)“氣化核”的角色，液體在其周圍氣化。而小氣泡在純液體內(nèi)難以形成，導(dǎo)致加熱時(shí)液體不容易沸騰，就產(chǎn)生過熱現(xiàn)象?；瘜W(xué)工作者必須注意防止過熱現(xiàn)象的發(fā)生，因?yàn)檫^熱程度越大，沸騰的發(fā)生越劇烈，即暴沸，液體往往大量噴出，構(gòu)成安全隱患。特別是在處理酒精、石油、乙醚等這些易燃液體時(shí)，伴隨氣泡噴濺出來的液體如果遇到明火就會(huì)燃燒起來。碎瓷片（或沸石）是一種多孔的硅酸鹽，通常內(nèi)孔中存儲(chǔ)著氣體，加熱時(shí)這些氣體逸出，形成“氣化核”，跳過了形成微小氣泡的階段，這樣就大大地降低了液體的過熱程度。攪拌也有利于氣化核的形成。因此，加入碎瓷片（或沸石）和攪拌可以有效地減少過熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。

【問題12】為什么油不溶于水？

【解答】溶解過程是溶劑分子拆散、溶質(zhì)分子拆散、溶劑與溶質(zhì)分子相結(jié)合（溶劑化）的過程。根據(jù)溶解過程的自由能變化公式△G=△H-T△S可知，如果△G＜0，溶解易于進(jìn)行；△G＞0，溶解難于進(jìn)行。油不溶于水（疏水效應(yīng)）通常用“相似相溶”經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來解釋。凡溶質(zhì)與溶劑的結(jié)構(gòu)越相似，溶解前后分子周圍作用力的變化越小，這樣的過程就越容易發(fā)生。若將油溶于水，需要破壞油分子間的弱的范德華力、水分子間的范德華力及部分氫鍵，再形成油分子與水分子之間相對(duì)較弱的范德華力。一般認(rèn)為，后者不足以彌補(bǔ)前者損失的能量，故整個(gè)過程應(yīng)吸熱，即焓變應(yīng)為正值（△H＞0）。而由于兩相混合，混亂度增加，熵應(yīng)增加（△S＞0）。故通常的解釋是焓變驅(qū)動(dòng)了疏水效應(yīng)的發(fā)生。近年來研究發(fā)現(xiàn)，在油分子周圍的水化層中，水分子間可形成比水相更強(qiáng)更有序的氫鍵，故將導(dǎo)致熵減（△S＜0），因此熵變（△S＜0）是油不溶于水的決定性因素。由此可見，油不溶于水這個(gè)看似簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，普遍而又復(fù)雜。疏水效應(yīng)與很多重要的自然現(xiàn)象相關(guān)，如生物膜的結(jié)構(gòu)、洗滌劑的去污原理、表面活性劑的作用、相轉(zhuǎn)移催化劑等。

【問題11】凝固點(diǎn)降低原理在生活和生產(chǎn)中的常見應(yīng)用有哪些？

【解答】非揮發(fā)性、非電解質(zhì)的稀溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑?，并且溶液濃度越大，蒸氣壓下降越多。?01 kPa下純液體和它的固相達(dá)平衡的溫度就是該液體的正常凝固點(diǎn)，此時(shí)液相的蒸氣壓與固相的蒸氣壓相等。純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)為，但在溶液的蒸氣壓低于純?nèi)軇┑模匀芤涸诓荒?。?dāng)溫度繼續(xù)下降到Tf，溶液的蒸氣壓和純?nèi)軇┕滔嗟恼魵鈮合嗟?，達(dá)到平衡，該溫度（Tf）即為溶液的凝固點(diǎn)。就是溶液凝固點(diǎn)的降低，它和溶液的質(zhì)量摩爾濃度（m）成正比。冬天，撒一些鹽，會(huì)使覆蓋在馬路上的積雪較快地融化。松樹葉子在寒冬里能常青而不凍，是由于入冬前松樹葉內(nèi)存儲(chǔ)了大量的糖分，降低了葉液的凝固點(diǎn)。在冬季，常常將一定量的甲醇或乙二醇加到汽車散熱器的冷卻水中，由于冰鹽浴的凝固點(diǎn)低于冰浴，可防止水的凍結(jié)。上述這些常見應(yīng)用都利用了凝固點(diǎn)降低原理。在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常采用測(cè)定物質(zhì)熔點(diǎn)的方法來檢驗(yàn)其純度。由于含雜質(zhì)的有機(jī)物可看成是一種溶液，其中有機(jī)物為溶劑，雜質(zhì)為溶質(zhì)，故有機(jī)物含雜質(zhì)時(shí)其熔點(diǎn)會(huì)比純有機(jī)物低。

【問題13】為什么醫(yī)院給病人作靜脈點(diǎn)滴用的輸液是0.9%的生理食鹽水、5%的葡萄糖注射液？滲透壓與生命現(xiàn)象關(guān)系密切嗎？

【解答】有關(guān)滲透壓的系統(tǒng)研究表明，生物細(xì)胞膜具有半透膜的性質(zhì)。人體內(nèi)的毛細(xì)血管壁和細(xì)胞膜就是半透膜，其滲透平衡與生命現(xiàn)象密切相關(guān)。臨床上給病人作靜脈點(diǎn)滴時(shí)，各種輸液的濃度需要仔細(xì)調(diào)節(jié)，確保它與血液的滲透壓相同，即需要用等滲溶液，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的生理食鹽水、5%的葡萄糖注射液。這是醫(yī)學(xué)上需要遵守的原則，否則可能導(dǎo)致紅細(xì)胞中的水分子向高滲鹽水中滲透使紅細(xì)胞皺縮，或是水分子向紅細(xì)胞內(nèi)滲透使紅細(xì)胞膨脹以致破裂。

人體的腎可看成特殊滲透器，代謝過程中產(chǎn)生的廢物通過它經(jīng)滲透隨尿排出，有用的蛋白質(zhì)仍留在腎小球內(nèi)，故腎功能受損時(shí)尿中會(huì)出現(xiàn)蛋白質(zhì)。淡水魚和海魚的魚鰓滲透功能有所差異，水和魚體液之間的滲透平衡通過魚鰓來調(diào)節(jié)，故淡水魚無法生活在海水中，淡水不能用來養(yǎng)殖海魚。樹根的滲透壓可高達(dá)1×106Pa，植物需要的養(yǎng)分和水分正是借助滲透作用輸送到樹葉末端。

【問題14】農(nóng)田中施肥太濃時(shí)植物會(huì)被燒死，鹽堿地的農(nóng)作物長勢(shì)不良，甚至枯萎，試解釋原因。

【解答】施肥太濃時(shí)或鹽堿地里，當(dāng)土壤中肥料（或鹽類）的濃度超過在植物中的濃度時(shí)，水分會(huì)通過植物細(xì)胞膜從植物反滲透到土壤中，導(dǎo)致植物枯萎或“燒死”。