以競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)為載體的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)思辨價(jià)值探究

張道年

摘要：Fe³⁺與SO^2-₃;可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)也可以發(fā)生雙水解反應(yīng)，以研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)為提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，在化學(xué)學(xué)科實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生“量變引起質(zhì)變”的化學(xué)思維方式，引導(dǎo)學(xué)生“思辨”型的認(rèn)知方式。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng);量變引起質(zhì)變;思辨性

文章編號(hào)：1008-0546（2019）04-0071-07

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.020

Cu2+、Fe3+和Ag+是較為常見(jiàn)的金屬離子，都具有一定的氧化性，且氧化性逐漸增強(qiáng)。理論上三種離子都可以氧化I-，例如2Cu2++4I-2Cul↓+I2，2Fe3++2I-=2Fe2++I2，三者之中氧化性最強(qiáng)的Ag+卻因?yàn)榕c生成難溶的AgI間接地保護(hù)了I-使之不被Ag+氧化。那么Ag+與I-是不是就不發(fā)生氧化還原反應(yīng)了呢？結(jié)果是否定的，金劍鋒用電化學(xué)的方法證明了Ag+與I-之間肯定存在氧化還原反應(yīng)，只是在程度上較弱而已。因此水溶液中的兩種離子之間可能會(huì)同時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)，甚至是雙水解反應(yīng)，且不同反應(yīng)類型之間存在著競(jìng)爭(zhēng)，不同反應(yīng)所占比例隨著外界條件的變化而變化。理論上Fe3+與SO2-3之間的反應(yīng)既可以是氧化還原反應(yīng)，也可以是雙水解反應(yīng)，那么到底這兩種離子之間的反應(yīng)是如何進(jìn)行的呢？根據(jù)中學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以提供簡(jiǎn)單的電導(dǎo)率儀等手持儀器作為研究的工具，因此筆者就借助學(xué)校高二年級(jí)的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)這一平臺(tái)，帶領(lǐng)一批有興趣的理科班學(xué)生進(jìn)行研究活動(dòng)，這一活動(dòng)也成為了培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要契機(jī)。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“變化觀念與平衡思想”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等五個(gè)方面，本研究活動(dòng)也是從這五個(gè)方面出發(fā)的。

一、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)前的推理與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象常存在一定的差距，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合理論探究判斷出準(zhǔn)確的結(jié)論。如何設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，在研究Fe3+與SO2-3反應(yīng)類型時(shí)，活動(dòng)小組的同學(xué)一時(shí)找不到頭緒，胡亂地將不同濃度的Fe3+離子與SO2-3離子混在一起，由于兩種離子的濃度差距太大或者差距不大導(dǎo)致得到的現(xiàn)象五彩斑斕（圖1），但正是這種帶探究性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)使得同學(xué)們用更深刻的眼光來(lái)看待實(shí)驗(yàn)，來(lái)看待化學(xué)學(xué)科。同學(xué)們明白化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種艱苦的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并非純粹在玩。當(dāng)然雖然現(xiàn)象“五彩斑斕”，但其內(nèi)部還是存在一定規(guī)律的，這是一種“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”化學(xué)學(xué)習(xí)思維。

競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)存在著“熱力學(xué)控制”和“動(dòng)力學(xué)控制”之分。若兩種離子的反應(yīng)速度較快，則能迅速得到產(chǎn)物，這類反應(yīng)屬于動(dòng)力學(xué)控制。但若產(chǎn)物不能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，最終還是轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，這就屬于熱力學(xué)控制。例如Fe3+與SO2-3的反應(yīng)類型較為復(fù)雜，可以是氧化還原反應(yīng)，也可以是雙水解反應(yīng)。反應(yīng)方程式分別是?與SO2-3+H2O?2Fe2++SO2-4+2H+和2Fe3++3SO2-3+6H2O?2Fe（OH）3↓+3H2SO3，兩者反應(yīng)現(xiàn)象不完全一樣，前者理論上會(huì)生成Fe2*的淺綠色溶液，但是反應(yīng)前是Fet的淺黃色溶液，實(shí)際上由于離子濃度較小，所以可見(jiàn)的基本上都是無(wú)色透明溶液。為了使結(jié)果更加科學(xué)合理，筆者結(jié)合采用電導(dǎo)率法進(jìn)行研究。電導(dǎo)率法是研究溶液行為的一種重要的方式，電導(dǎo)率的大小取決于離子的類型、濃度和所帶電荷等因素。當(dāng)然電導(dǎo)率法不能解決所有的探究性問(wèn)題，還必須有其他的實(shí)驗(yàn)手段予以配合，例如pH計(jì)等。因此活動(dòng)小組的同學(xué)進(jìn)行下述的實(shí)驗(yàn)。

[實(shí)驗(yàn)一]固定Fe2濃度，改變SO2-3分離子濃度，完成11組系列實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.儀器及藥品

儀器：250mL燒杯（若干）、小試管（若干）、10mL移液管（3支）、三量程電導(dǎo)率傳感器（0-20，000μs/cm）、pH傳感器（0-14）;

藥品：FeCl3溶液（0.32mol/L）、Na2SO3溶液（0.04mol/L）、NaOH溶液（1.0mol/L）、KSCN溶液（0.1mol/L）、蒸餾水。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配制Na2SO3（0.04mol/L）溶液，F(xiàn)eCl3溶液（0.32mol/L）。

（2）***按V（SO2-3）/V（Fe3+）為0.5、1.0、2.0、2.5、4.0、5.0、7.5、10.0、11.0、12.0和13.0等11組混合溶液分別于小燒杯中，編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11等，溶液總體積40.0mL（詳見(jiàn)表1）。

（3）使用“三量程電導(dǎo)率傳感器”和“pH傳感器”分別測(cè)量各組溶液及去離子水的電導(dǎo)率（k）和pH值，記錄數(shù)據(jù);

（4）將各組溶液靜置6小時(shí)，觀察現(xiàn)象。

（5）取8.9號(hào)試管內(nèi)上層清液，都分成兩份，分別滴加2-3滴KSCN溶液和1.0mol/LNaOH溶液，觀察現(xiàn)象。

[小結(jié)]大量實(shí)驗(yàn)摸索后小組同學(xué)最終確定了用簡(jiǎn)單的試管實(shí)驗(yàn)方案探知離子反應(yīng)類型，其本質(zhì)是“實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新意識(shí)”的理念。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小組同學(xué)運(yùn)用了重要的化學(xué)方法“控制變量法”，1-11號(hào)試管中的Fe+的物質(zhì)的量是固定的，不斷改變加入的SO個(gè)離子的濃度，為了維持Fe+濃度相同，而SO號(hào)濃度不斷變化的規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)1-11號(hào)試管中加入不同體積的水，使得反應(yīng)溶液的總體積固定。

二、宏觀辨識(shí)與微觀探析

經(jīng)過(guò)艱苦的系列實(shí)驗(yàn)之后，現(xiàn)象是令人振奮的。小組的同學(xué)感到非常滿意的原因是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有可比性，觀察1-11號(hào)試管，在剛反應(yīng)時(shí)1-7號(hào)試管仍然呈無(wú)色，而8-11號(hào)試管則出現(xiàn)黃褐色顆粒狀物質(zhì)，而且顏色存在愈來(lái)愈深的趨勢(shì)（圖2）。將所有試管靜置6小時(shí)后的1-7號(hào)試管仍然無(wú)色，而8-11號(hào)試管上層無(wú)色，底部出現(xiàn)紅褐色沉淀（圖3），根據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)和試管中的元素種類基本上可以判斷8-11號(hào)試管中生成的是氫氧化鐵[Fe（OH）3]。

教材中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的實(shí)驗(yàn)步驟或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象也大大激發(fā)了學(xué)生的探究熱情，這也就是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在教學(xué)中的要求和體現(xiàn)。出現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象可以從微觀角度出發(fā)尋找原因，通過(guò)宏觀現(xiàn)象可以基本判斷出8-11號(hào)試管中生成了Fe（OH）3，那么為什么1-7號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)（或者生成氫氧化鐵的現(xiàn)象不明顯）紅褐色呢？“1-7號(hào)”與“8-11號(hào)”現(xiàn)象不同的深層原因是什么呢？表觀現(xiàn)象等感性認(rèn)識(shí)不足以探究清楚整個(gè)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，要想客觀地和理性地厘清整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后包含的為什么必須采用更多的物理和化學(xué)方法。因此本實(shí)驗(yàn)中活動(dòng)小組采用測(cè)量溶液的電導(dǎo)率以及pH值的方案。立足實(shí)驗(yàn)，建立模型，運(yùn)用證據(jù)去理性推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的未知原因。

[小結(jié)]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異性較大，具有很強(qiáng)的對(duì)比性，這樣的結(jié)果令我和同學(xué)們感到振奮，我們隱隱的感覺(jué)到現(xiàn)象的背后必定會(huì)有一股不一樣的力量在支撐著，激發(fā)了同學(xué)們繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和理論探討的熱情。我也感覺(jué)到前期的研究是卓有成效的，應(yīng)該繼續(xù)帶領(lǐng)同學(xué)們通過(guò)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和理論研究完成整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。

三、變化觀念與平衡思想

在實(shí)際的中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，有很多教師認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)是有先后次序的。講到Cl2與FeBr溶液的反應(yīng)時(shí)，很多教師說(shuō)Cl2是先與Fe2+反應(yīng)，后與Br2反應(yīng)的。講到Cl2與KI和NaBr混合溶液的反應(yīng)時(shí)，很多教師說(shuō)Cl2先與I-反應(yīng)，后與Br-反應(yīng)的。講到銅粉和鐵粉的混合物與FeCl3溶液的反應(yīng)時(shí)，很多教師說(shuō)Fe3+是先與鐵粉反應(yīng)，再與銅粉反應(yīng)的。為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？其實(shí)是教師同行對(duì)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)認(rèn)識(shí)的誤區(qū)。中學(xué)化學(xué)一般不講化學(xué)反應(yīng)歷程，只講化學(xué)方程式。除了極少數(shù)本身就是基元反應(yīng)的化學(xué)方程式（或離子方程式）之外，化學(xué)方程式一般只表示反應(yīng)物和產(chǎn)物之間的最終結(jié)果，不表示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際過(guò)程（或歷程）。有些中學(xué)教師不清楚反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)結(jié)果的關(guān)系，所以常常會(huì)出現(xiàn)誤將化學(xué)方程式當(dāng)成反應(yīng)過(guò)程的現(xiàn)象，這種錯(cuò)誤直接導(dǎo)致了教師認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)是有先后順序的[2]。Fe3+與SO2-3反應(yīng)類型出現(xiàn)遞變的最主要因素是離子濃度之比發(fā)生變化，本質(zhì)上就是化學(xué)學(xué)科思維中的“量變引起質(zhì)變”。量變之所以可以引起質(zhì)變的原因在于無(wú)論是“雙水解反應(yīng)”還是“氧化還原反應(yīng)”都是可逆反應(yīng)，一旦某種離子的濃度發(fā)生了變化，平衡就會(huì)發(fā)生正向或者逆向的移動(dòng)，體現(xiàn)“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)觀。但是僅僅是依靠推測(cè)是不科學(xué)的，因此我又指導(dǎo)同學(xué)們補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，用化學(xué)學(xué)科實(shí)踐的方式將推理固化。

[實(shí)驗(yàn)二]互滴方式的不同對(duì)反應(yīng)類型的影響取兩支試管，分別加入5mLNa2SO3（0.04mol/L）溶液和FeCl3溶液（0.32mol/L），再分別向其中滴加少量的FeCl3溶液（0.32mol/L）和Na2SO3（0.04mol/L）溶液，觀察現(xiàn)象。

Fe（OH）3↓+H2SO3←Fe3++SO2-3+H2O→Fe2++SO2-4+H+

“將少量Fe3+與SO2-3離子溶液中逐滴滴加”和“將少量SO2-3與Fe3+離子溶液中逐滴滴加”的現(xiàn)象是有區(qū)別的，因此離子滴加順序（見(jiàn)圖4）不同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也大不相同。前者馬上出現(xiàn)紅褐色難溶物Fe（OH）3，而后者并沒(méi)有出現(xiàn)，仍然是澄清透明的溶液。因此可以推知“Fe3+與SO2-3離子溶液中滴加”發(fā)生的是雙水解反應(yīng)，而“SO2-3與Fe3+離子溶液中滴加”發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)。原因在于在Fe3+溶液中隨著c（SO2-3）濃度的增大，溶液的堿性在增強(qiáng)，直接導(dǎo)致c（Fe3+）的氧化能力減弱，所以氧化還原反應(yīng)的程度在減弱，而雙水解反應(yīng)的程度在增大。原因也可想而知，F(xiàn)e*t離子進(jìn)入溶液后在堿性環(huán)境中，F(xiàn)e3+離子的氧化性減弱，難以氧化SO2-3離子，在堿性環(huán)境中Fe3+會(huì)與OH-反應(yīng)生成Fe（OH）3。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)逐漸向Fe3+離子溶液中滴加SO2-3離子時(shí)就會(huì)出現(xiàn)試管中“酸性逐漸增強(qiáng)，而堿性逐漸減弱”的結(jié)果。類似的案例有很多，“Fe3++與SO2-3的反應(yīng)”因?yàn)镕e3+溶液顯酸性，而SO2-3溶液顯堿性，所以將SO2-3離子向Fe3+離子溶液中滴加時(shí)發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，S2-+2Fe3+-2Fe2++S↓;將Fe3+離子向S2-離子溶液中滴加時(shí)發(fā)生的是雙水解反應(yīng)，3S2-+2Fe3++6H2O=2Fe（OH）3↓+3H2S↑。

但是在分析Fe3+和SO2-3反應(yīng)類型是哪一種的思考和實(shí)踐過(guò)程中出現(xiàn)了思辨性的問(wèn)題。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)組中基本可以判定8號(hào)試管中出現(xiàn)明顯的紅褐色沉淀肯定是發(fā)生了雙水解反應(yīng)，那么此時(shí)有沒(méi)有發(fā)生氧化還原反應(yīng)呢？在研究的過(guò)程中需要厘清的事實(shí)是在上述關(guān)于兩種離子發(fā)生哪種反應(yīng)類型的推理判斷不能絕對(duì)化，推斷某個(gè)時(shí)刻到底是哪一種化學(xué)反應(yīng)類型這種思路本身就是錯(cuò)誤的，因?yàn)橹灰芤褐写嬖贔e3+和SO2-3兩種離子，無(wú)論氧化還原反應(yīng)還是雙水解反應(yīng)都是客觀存在的，只不過(guò)反應(yīng)的程度不同而已。為了證明這個(gè)思辨的學(xué)科實(shí)踐，活動(dòng)小組的同學(xué)們作了兩個(gè)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是“用鐵氰化鉀進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)”，另一個(gè)是“電化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，證明氧化還原反應(yīng)和雙水解反應(yīng)不是絕對(duì)的，而是“你中有我，我中有你”的格局。

[實(shí)驗(yàn)三]取8-11號(hào)試管中的上層清液少量于小試管中，再滴加1-2滴鐵氰化鉀溶液，觀察到藍(lán)色沉淀，說(shuō)明的確8號(hào)試管中雖然主要是雙水解反應(yīng)，但是的確也有氧化還原反應(yīng)，生成了Fe3+。

[實(shí)驗(yàn)四]以第8-11號(hào)試管中的溶液為研究對(duì)象，用石墨作電極材料設(shè)計(jì)為原電池，分別測(cè)量剛剛搭建好原電池裝置時(shí)的電壓值和放置兩天后的原電池電壓值。

按照不同c（Fe3+）：c（SO2-3）的濃度比進(jìn)行原電池實(shí)驗(yàn)（圖5），觀察到8-11號(hào)試管均出現(xiàn)了電流表指針的偏轉(zhuǎn)（圖6），只是指針偏轉(zhuǎn)的程度不同而已。因此，簡(jiǎn)單的鐵氰化鉀定性實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)方法證明無(wú)論溶液的酸堿性如何，氧化還原反應(yīng)和雙水解反應(yīng)都是同時(shí)存在的。

[小結(jié)]在第一部分猜測(cè)實(shí)驗(yàn)1-7號(hào)主要發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，而8-11號(hào)主要發(fā)生的是雙水解反應(yīng)。該猜測(cè)有宏觀現(xiàn)象的支撐，但其背后的理論依據(jù)是什么？筆者用平衡的思想進(jìn)行解讀，并做了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象也支持這種想法，體現(xiàn)了“變化觀念與平衡思想”。但是上述實(shí)驗(yàn)仍然較為粗糙，需要進(jìn)一步的進(jìn)行“打磨”，力爭(zhēng)建立模型。

四、證據(jù)推理與模型認(rèn)知

1-7號(hào)試管內(nèi)是澄清溶液，8-11號(hào)試管經(jīng)過(guò)6小時(shí)沉降之后在底部出現(xiàn)難溶物Fe（OH）3，而上層溶液也是澄清的，采用電導(dǎo)率法測(cè)定各組溶液的電導(dǎo)率，將數(shù)據(jù)列于表1。從表1發(fā)現(xiàn)1-11號(hào)試管中溶液的電導(dǎo)率是存在一定規(guī)律的，呈先減小后增大的趨勢(shì)，以c（SO2-3）/c（Fe3+）-電導(dǎo)率”作出圖7，該曲線給了小組同學(xué)巨大的喜悅和鼓勵(lì)。因?yàn)樗尸F(xiàn)的曲線看起來(lái)非常的優(yōu)美，將圖7中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬線性回歸，曲線方程式是y=2681.8x2-5199.9x+6625.5，R=0.9841，即當(dāng)c（SO2-3）/c（Fe3+）=0.9695時(shí)Fe3+和SO2-3兩種離子的濃度約為1：1時(shí)曲線出現(xiàn)最低點(diǎn)，此時(shí)溶液的電導(dǎo)率數(shù)值最低。出現(xiàn)這種情況后我與同學(xué)們根據(jù)先前的分析大膽地推測(cè)，此時(shí)就是兩種反應(yīng)類型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于前部分溶液近乎無(wú)色，所以發(fā)生的反應(yīng)以氧化還原反應(yīng)為主，而轉(zhuǎn)折點(diǎn)后由于溶液中出現(xiàn)紅褐色難溶物，因此以雙水解反應(yīng)為主。Fe3+與SO2-3離子的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，因此隨著離子濃度的變化，水溶液的酸堿性發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)類型的變化，伴隨的現(xiàn)象是電導(dǎo)率的變化。

1.熱力學(xué)研究

Fe3+與SO2-3的反應(yīng)類型辨析其實(shí)就是對(duì)反應(yīng)建立模型，到底是哪種類型的反應(yīng)是需要證據(jù)的，證據(jù)首先源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)再進(jìn)行推理。活動(dòng)小組從理論計(jì)算出發(fā)分別計(jì)算兩種不同反應(yīng)類型的K值，對(duì)反應(yīng)類型進(jìn)行初步推理。

2Fe3++SO2-3+H2O?2Fe2++SO2-4+2H+①

K=c3（H2SO3）/c2（Fe3+）c3（SO2-3）=K6w/ksp，F(xiàn)e（OH）3（Ka1Ka2）3=2.844788348x1020

2Fe3++3SO2-3+6H2O?2Fe（OH）3↓+3H2SO3②

△G=（-95.3）x2+（-1267）+76.7x2-[96.7x2-1002-237]=-258.6kJ·mol-1

△G=-RTlnK=-258.6kJ·mol-1，K=2.027231x1045

從吉布斯自由能的計(jì)算數(shù)據(jù)上來(lái)看，F(xiàn)e3+與SO2-3的反應(yīng)無(wú)論是氧化還原反應(yīng)還是雙水解反應(yīng)，其△G的數(shù)據(jù)均很小，因此兩種類型反應(yīng)的平衡常數(shù)都很大。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，雖然氧化還原反應(yīng)的K值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙水解反應(yīng)的K值，但總的來(lái)說(shuō)兩者均是較大的數(shù)值，所以在實(shí)際的反應(yīng)中兩種類型的反應(yīng)是同時(shí)并存在理論上是合理的。

2.兩種反應(yīng)類型的電化學(xué)計(jì)算

溶液的酸堿性對(duì)Fe3+的氧化能力很有影響，隨著Na2SO，物質(zhì)的量的增多，溶液堿性在增強(qiáng)，能斯特方程式計(jì)算分析可得Fe3+的氧化能力在降低，因此會(huì)生成越來(lái)越多的Fe（OH）3。所以從氧化還原反應(yīng)的角度也可以得出Fe3+和SO2-3兩種離子的反應(yīng)由氧化還原反應(yīng)逐漸遞變?yōu)殡p水解反應(yīng)。設(shè)定Fe3+、Fe2+的起始濃度為10-2mol/L，電極電勢(shì)φ（Fe3+/Fe2+）隨pH變化關(guān)系如下圖所示[3]。

線①：pH=0-2.2時(shí)，電極電勢(shì)為：Fe3++e-==Fe2+;φ（Fe3+/Fe2+）=φ（Fe3+/Fe2+）=0.717V;

線②：pH=2.2-7.45時(shí)，電極電勢(shì)為：Fe（OH）3+3H++e-==Fe2++3H2O;φ（Fe3+/Fe2+）=1.18-0.18pH。

（1）酸性條件下正、負(fù)極的電極方程式：

（+）Fe3++e-=Fe2+

φ=0.717V

（-）H2SO3-e-+H2O==SO2-4+4H+

φ=-0.20V

酸性環(huán)境下正負(fù)極的電極電勢(shì)計(jì)算

（+）Fe3++e-=Fe2+

φ=0.717V;

（-）SO2-4+4H++2e-=H2SO3+H2O

φ（SO2-4/H2SO3）=φ（SO2-4/H2SO3）+0.0591/2lg

c（SO2-4）/c4（H+）=-0.20+0.0591lg（10-28）4=-0.53096V

因此在酸性條件下，該電池電動(dòng)勢(shì)為E=φ（Fe3+/Fe2+）-φ（SO2-4/H2SO3）=0.717-（-0.53096）=1.24796V

（2）堿性條件下的正、負(fù)極的電極方程式：

（+）Fe（OH）3+3H++e-=Fe2++3H2O

（-）SO2-3-2e-+H2O=SO2-4+2H+

堿性環(huán)境下電極電勢(shì)的計(jì)算：

（+）Fe（OH）3+3H++e-=Fe2++3H2O

當(dāng)pH=5.4，φ（Fe3+/Fe2+）=1.18-0.18pH=1.18-=-0.18x5.4=0.208V

（-）SO2-4+H2O+2e-==SO2-3+4OH-

φ=-0.92V

φ（SO2-4/SO2-3）=φ（SO2-4/SO2-3）+0.0591/2

lgc（SO2-4）/c（SO2-3）c（OH-）=-0.92+0.0591/2lg1/（10-8.6）4

=-0.92+1.01652

=0.09652V

<0.2V

從上述計(jì)算可以看出，在酸性條件下（pH=2.8）構(gòu)成的原電池電池電動(dòng)勢(shì)是1.24796V，說(shuō)明氧化還原反應(yīng)的趨勢(shì)很強(qiáng)。而當(dāng)弱酸性環(huán)境下（pH=5.4）構(gòu)成的原電池電池電動(dòng)勢(shì)是0.09652V。所以隨著酸性增強(qiáng)，該電池的電動(dòng)勢(shì)更大，氧化還原的趨勢(shì)更強(qiáng);而隨著溶液的堿性增強(qiáng)，電池電動(dòng)勢(shì)更小，氧化還原反應(yīng)的趨勢(shì)更小。所以符合溶液的pH值越大，F(xiàn)e+和SO3的反應(yīng)類型從氧化還原反應(yīng)向雙水解反應(yīng)遞變。

3.溶液pH值變化的微觀分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，該溶液的電導(dǎo)率和pH值發(fā)生變化是由于兩種離子的物質(zhì)的量之比發(fā)生變化導(dǎo)致的，因此從宏觀現(xiàn)象出發(fā)探討現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。試管中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括：

Fe3++3H2O?Fe（OH）3↓+3H+①

2Fe3++SO2-3+H2O?2Fe2++SO2-4+2H+

2Fe3++3SO2-3+6H2O?2Fe（OH）3↓+3H2SO3③

SO2-3+2H2O?H2SO3+2OH-④

當(dāng)向Fe3+溶液中逐漸滴加SO？溶液時(shí)，剛開(kāi)始溶液的pH值變化不大，1.7.1.8、2.0、2.1、2.8等，當(dāng)從7號(hào)到8號(hào)試管“過(guò)渡”時(shí)溶液的pH值出現(xiàn)5.4、5.8、6.0和6.2等數(shù)值。一方面，F(xiàn)e3+發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，所以水解的Fe3+的濃度在減少，所以pH值在增大，F(xiàn)e3++3H2O?2Fe（OH）3↓+3H+;另一方面，F(xiàn)e3+發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，生成了H+，溶液的pH值在減小，2Fe3++SO2-3+H2O?2Fe2++SO2-4+2H+。在8號(hào)和9號(hào)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)pH值發(fā)生“突變”，由2.8增長(zhǎng)到5.4。這是由于發(fā)生了雙水解反應(yīng)，2Fe3++3SO2-3+6H2O?2Fe（OH）3↓+3H2SO3，因?yàn)闆](méi)有再生成H+，所以一旦能夠水解生成H+的Fe3+減少了，溶液pH值就會(huì)增大。

4.溶液電導(dǎo)率變化微觀分析

溶液的電導(dǎo)率高低不僅與溶液中的離子類型有關(guān)，而且還與離子濃度、溶液溫度等有關(guān)，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)中所有的測(cè)量都是在室溫下進(jìn)行的，本文采用摩爾電導(dǎo)率數(shù)據(jù)（表2）對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的解釋。從摩爾電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，H+和OH-兩種離子的摩爾電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fe2+、Fe3+、SO2-3等，而Fe（OH）3;和H2SO;等是弱電解質(zhì)，對(duì)溶液的導(dǎo)電能力暫且忽略不計(jì)。因此本人認(rèn)為溶液的導(dǎo)電能力大小與溶液的H或者OH的濃度有很大的相關(guān)關(guān)系，因此做如下分析。

為什么1-7號(hào)試管溶液的電導(dǎo)率在持續(xù)降低，而8-11號(hào)試管中溶液的電導(dǎo)率又在持續(xù)增大呢？主要原因在于1-7號(hào)試管中加入的SO2-3的物質(zhì)的量較少，溶液的酸堿性主要還是考慮Fe3+的水解，因此溶液呈酸性。特別是1號(hào)試管，反應(yīng)的Fe3+最少，剩下的Fe3+濃度是各試管中最大的，所以水解生成的H+物質(zhì)的量最多，溶液的電導(dǎo)率較大。但隨著SO2-3的不斷增多，被消耗掉的Fe3+越來(lái)越多，因此水解生成的H+濃度降低，溶液的電導(dǎo)率在下降。但是1-7號(hào)試管中發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，生成的Fe3+也會(huì)水解生成H+，所以必須要考慮到Fe3+水解產(chǎn)生H+的物質(zhì)的量的問(wèn)題。

Fe3++3H2O?Fe（OH）3↓+3H+

K1=c3（H+）/c（Fe3+）=K3/Ksp[Fe（OH）3]=（10-14）3/4×10-38=2.5×10-5

Fe2++2H2O?Fe（OH）2↓+2H+

K2=c2（H+）/c（Fe3+）=K3/Ksp[Fe（OH）3]=（10-14）2/8×10-16=1.25×10-13

從水解平衡常數(shù)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同濃度的Fe2+和Fe3+，F(xiàn)e3+水解生成的H+較多，而Fe2+的水解程度相比之下小的多，因此不需要考慮這部分水解生成的H+。而當(dāng)逐漸增加SO2-3離子后，反應(yīng)由氧化還原反應(yīng)逐漸遞變?yōu)殡p水解反應(yīng)，繼續(xù)增加SO2-3，溶液的堿性將增強(qiáng)，c（OH-）增加，溶液的電導(dǎo)率又呈增加的趨勢(shì)。

五、科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任

培養(yǎng)高中學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的終極目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任”，也是提升學(xué)生思辨能力的過(guò)程。什么是思辨性？萬(wàn)物要經(jīng)辨識(shí)，才會(huì)區(qū)別物與物之間的差異;萬(wàn)事要用辯證眼光看，方能分清事與事之間的聯(lián)系。然而，辨識(shí)能力的高低和辯證思維的巧拙，世上就出現(xiàn)爭(zhēng)論不休的事物，剛澄清一個(gè)問(wèn)題，又會(huì)冒出難以定論的事物，人類歷史就是這樣在不斷認(rèn)識(shí)事物和不斷創(chuàng)造事物的過(guò)程中前進(jìn)的。學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)的問(wèn)題，例如金屬離子Fe3+、Ag+、Cu2+與非金屬離子（或酸根離子）I-、S2-、SO2-3個(gè)間在理論上既可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也可以發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，甚至是雙水解反應(yīng)，到底是哪一種是隨條件改變而改變的。再例如，SO2-3與Ag+可以在堿性條件下發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，2Ag++3SO2-3+2OH-?2Ag↓+SO2-4+H2O，雖然從熱力學(xué)角度正向反應(yīng)進(jìn)行的程度較大，但反應(yīng)速率較慢，使得反應(yīng)速率較快的Ag+與SO2-3之間的沉淀反應(yīng)成為主要因素，即2Ag++3SO2-3?Ag2SO3↓。因此，競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)其實(shí)就是反應(yīng)速率和反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率之間的“博弈”。少量S2-滴入Fe3+離子溶液中，溶液此時(shí)呈酸性，溶液中立即生成黃色渾濁，發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，即2Fe3++S2-=2Fe2++S;若少量Fe3+滴入S2-離子溶液中，溶液此時(shí)呈堿性，立即生成大量黑色難溶物，2Fe3++3S2-=2Fe2S3↓。當(dāng)溶液的酸堿性發(fā)生變化時(shí)，金屬離子的氧化能力也會(huì)出現(xiàn)變化，其實(shí)也就是當(dāng)溶液的酸堿性發(fā)生變化時(shí)造成金屬離子的濃度發(fā)生變化，根據(jù)能斯特方程式，金屬離子的氧化能力就會(huì)發(fā)生變化。除此之外，當(dāng)外界條件不同時(shí)，最終的結(jié)果也將不同。案例包括，一是在H+、OH-或H2O不同條件下，MnO-4的氧化能力是不同的，最終的產(chǎn)物也是不同的;二是NaOH與CO2的物質(zhì)的量之比不同，最終的產(chǎn)物也是不同的，可能是Na2CO3，也有可能是NaHCO3，或是它們的混合物;三是HCl與Na2CO3的互滴、Br2與苯酚的互滴最終的現(xiàn)象是不同的。這些案例都是可以作為培養(yǎng)學(xué)生辯證思維的好素材。從競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)可以看出，化學(xué)反應(yīng)是非常奇妙的，需要從“辯證”的觀點(diǎn)去分析。物質(zhì)的量的改變會(huì)引起反應(yīng)類型的改變，也就是“量變引起質(zhì)變”的化學(xué)思維。而Fe3+與SO2-3的反應(yīng)作為高中化學(xué)經(jīng)常遇到的例子，將此反應(yīng)作為研究對(duì)象更具典型性。帶領(lǐng)學(xué)生研究Fe3+與SO2-3反應(yīng)類型就是要促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中明晰兩者任何濃度比的情況下，該反應(yīng)只是以某種反應(yīng)的類型為主，而不是僅僅以某一反應(yīng)類型進(jìn)行反應(yīng)。

在一項(xiàng)研究中不同的化學(xué)核心觀念會(huì)融入其中，“Fe3+和SO2-3反應(yīng)類型探究”探究的過(guò)程就是一個(gè)不錯(cuò)的培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的素材。

1-7號(hào)試管沒(méi)有出現(xiàn)紅褐色的沉淀物，而8-11號(hào)試管卻出現(xiàn)紅褐色的難溶物。宏觀的現(xiàn)象通過(guò)分析體現(xiàn)的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。所體現(xiàn)出的化學(xué)核心觀念是“物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀”“量變引起質(zhì)變”的辯證學(xué)科思維。包括動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的能力與技巧。包括基本的實(shí)驗(yàn)操作方法;選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法的能力;電導(dǎo)率法的學(xué)習(xí)等。本實(shí)驗(yàn)的研究思路就是正交實(shí)驗(yàn)，重復(fù)配制溶液是學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最主要工作，這最能鍛煉學(xué)生的耐心。百折不撓的實(shí)驗(yàn)精神。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中枯燥乏味成百次上千次配制溶液，可能會(huì)面臨失敗，失敗了還要從頭再來(lái)。責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)，分析思考的能力。出現(xiàn)的現(xiàn)象與自己本來(lái)的想象是不同的，如何去解決這個(gè)矛盾問(wèn)題就是關(guān)鍵。分析的過(guò)程中是否科學(xué)。計(jì)算、推理、實(shí)驗(yàn)等多種方法接連使用;運(yùn)用分析和綜合、歸納與演繹、抽象與概括、假設(shè)和建模等化學(xué)學(xué)科的思維方式進(jìn)行推斷。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成并非一朝一夕能夠達(dá)成，也不僅僅只是在課堂上形成的?；瘜W(xué)核心觀念包括微粒觀.元素觀、分類觀、物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀、能量觀、反應(yīng)限度觀等，這些學(xué)科觀念需要學(xué)科的思維方法去支撐，需要學(xué)科實(shí)踐去探究。但課堂教學(xué)迫于考評(píng)的壓力，往往用理論作為最主要的方式去處理問(wèn)題。但是在本實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)中以研究性學(xué)習(xí)的形式出現(xiàn)，學(xué)生不但學(xué)習(xí)了化學(xué)知識(shí)，還培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，讓學(xué)生明白化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究是非常艱苦的，因此將來(lái)要將化學(xué)作為自己的終身職業(yè)要做好一定的心理準(zhǔn)備。當(dāng)然對(duì)于那些習(xí)慣于挑戰(zhàn)自我的學(xué)生而言，化學(xué)也是可以讓他們大顯身手的好機(jī)會(huì)。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方式和接下來(lái)的探究也讓學(xué)生明晰了“度”的問(wèn)題，沒(méi)有一定如何變化的反應(yīng)，反應(yīng)類型如何存在多種，一般來(lái)說(shuō)反應(yīng)肯定是在這些類型的“綜合體”?；瘜W(xué)學(xué)科及學(xué)習(xí)活動(dòng)需要濃厚持久的化學(xué)學(xué)習(xí)與化學(xué)探究興趣等?？茖W(xué)技術(shù)領(lǐng)域普遍需要的重要品格，例如嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦硇?、智慧的靈活性，實(shí)證精神，敢于質(zhì)疑、創(chuàng)新，不怕困難的科學(xué)精神;積極、認(rèn)真、實(shí)事求是的態(tài)度等。各領(lǐng)域廣泛需要的重要品格，例如學(xué)習(xí)的自主性、自覺(jué)性，合作互助精神，強(qiáng)烈、持久的社會(huì)責(zé)任心、對(duì)人民群眾的關(guān)愛(ài)心;社會(huì)生存素養(yǎng)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、積極情感、家國(guó)情懷及國(guó)際視野。

參考文獻(xiàn)

[1]金劍鋒.基于熱力學(xué)和電化學(xué)原理厘清反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題——銀離子究竟能否氧化碘離子[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：81-83

[2]吳孫富，羅國(guó)成，李紅武.典型無(wú)先后次序競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究及教學(xué)策略[J].化學(xué)教學(xué)，2015（9）：94-97

[3]夏玉宇.化學(xué)實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：137

[4]王福成.以化學(xué)思想方法為支撐的學(xué)習(xí)能力考查[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（3）：42-45