“理想化”處理化學(xué)問題的分類辨析

張興濤 王澍

摘要： 簡單“理想化”地處理某些化學(xué)問題，是不科學(xué)的，很可能會導(dǎo)致錯誤的理解或結(jié)論。通過對化學(xué)理論應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物分析、化學(xué)實驗異?，F(xiàn)象等問題的分類辨析，說明“理想化”處理化學(xué)問題出現(xiàn)的錯誤及其原因。

關(guān)鍵詞： 理想化; 化學(xué)問題; 分類辨析

文章編號： 10056629（2019）7008505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

教師在化學(xué)教學(xué)中經(jīng)常依據(jù)已知的化學(xué)知識和經(jīng)驗，通過簡單的分析推理，得出一些“規(guī)律性”或看似“科學(xué)性”的“結(jié)論”，并通過這些“結(jié)論”引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握未知的化學(xué)知識。久而久之，形成某些教師的一種習(xí)慣，成為進行化學(xué)教學(xué)常用的方法。但是，正如北京師范大學(xué)吳國慶教授所講：“化學(xué)本身有規(guī)律，但化學(xué)的不規(guī)律比化學(xué)的規(guī)律更加普遍?！比艚處熢诨瘜W(xué)教學(xué)中，只進行簡單的分析推理而忽略了一些其他因素或?qū)滩膬?nèi)容進行不規(guī)范解讀，即對化學(xué)問題進行了所謂“理想化”處理，可能會得出一些有瑕疵的、甚至是完全錯誤的結(jié)論。這些不合理的結(jié)論可能又會被其他教師在化學(xué)教學(xué)中所采納，造成以訛傳訛，背離了化學(xué)學(xué)科的學(xué)科理念，也不利于發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 理想化與“理想化”處理概述

2.1 理想化處理

理想化，在科學(xué)研究應(yīng)用中，指突出地反映客觀事物的某一特性，忽略了其他次要方面的特性。這樣可以使事物的規(guī)律具有比較簡單的形式，從而便于人們?nèi)フJ識和掌握復(fù)雜問題。理想化處理某些復(fù)雜問題時，方法更為簡單而不發(fā)生大的偏差，是人類認識自然、探索未知的有效手段。

復(fù)雜問題是指包含部分的數(shù)量多、關(guān)聯(lián)因素多、背景不清晰或當(dāng)前研究不明確的問題。

2.2 理想化處理問題的方法

主要有： （1）建立合理的理想模型，把事件簡化或純化;（2）依據(jù)科學(xué)理論直接推理，要注意理論使用的條件;（3）依據(jù)科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行推理或知識遷移。三種方法均要遵循科學(xué)性和實證性。

例如，英國化學(xué)家紐蘭茲、法國地質(zhì)學(xué)家尚古多、俄國化學(xué)家門捷列夫把相對原子質(zhì)量（而非原子序數(shù)）由小到大排列，最終形成元素周期表，是化學(xué)發(fā)展的里程碑事件。在當(dāng)時的化學(xué)研究階段下，是理想化處理化學(xué)問題的典型代表。

2.3 理想化處理與“理想化”處理的區(qū)別

理想化處理，是指忽略掉一些因素或事實后，依據(jù)事物的主要特征，得到正確的規(guī)律或結(jié)論，是科學(xué)的，值得推廣的。

北京大學(xué)嚴宣申教授說：“即使很簡單的問題，也往往涉及幾個因素”，因而在進行知識遷移時“單因素考慮問題不全面。[1]”

“理想化”處理，是指忽略掉重要的因素或事實，或?qū)φ_的學(xué)科知識和理論進行不規(guī)范解讀，導(dǎo)致錯誤的理解或結(jié)論。這樣的理想化就需要打上引號了，即本文中的“理想化”，這樣的“理想化”處理化學(xué)問題，是不科學(xué)的，在教學(xué)中要避免。

3 部分化學(xué)問題分類辨析

筆者通過對化學(xué)教學(xué)中因“理想化”處理化學(xué)問題，得出的一些不全面或錯誤的化學(xué)規(guī)律和結(jié)論，從化學(xué)理論應(yīng)用、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物分析、化學(xué)實驗異常現(xiàn)象等問題進行分類辨析，去偽存真，為中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供參考。

3.1 化學(xué)理論應(yīng)用問題

3.1.1 N元素與Cl元素的非金屬性強弱比較

元素的非金屬性指元素的原子在化合物中吸引電子的能力，可以用元素電負性數(shù)值的大小衡量非金屬性的強弱。

高中化學(xué)教材中列舉了利用單質(zhì)與氫氣反應(yīng)生成氣態(tài)氫化物的難易、氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性、元素最高價氧化物的水化物的酸性強弱等，來判斷元素的非金屬性強弱，需要注意的是以上判斷依據(jù)的前提是同周期或同主族元素之間。

若忽略教材中要求的同周期或同主族這一前提，簡單照搬教材中判斷元素非金屬性強弱的依據(jù)，“理想化”處理這一問題，就會得到如表1所呈現(xiàn)的結(jié)論。

（2） Cl2和N2的分子結(jié)構(gòu)不同，Cl2的氧化性強于N2，不能說明Cl元素比N元素的非金屬性強。

若從NCl3的水解反應(yīng)、氫鍵、第一電離能、電負性等角度比較N元素與Cl元素的非金屬性強弱，則會得到以下結(jié)果，如表2[2]。

3.1.2 反應(yīng)焓變與鍵能

在101kPa、 298K條件下，把1mol氣態(tài)AB分子生成氣態(tài)A原子和B原子的過程中所吸收的能量，稱為A—B共價鍵的鍵能。而對于不是AB型的H2O或NH3分子，其原子間斷開1mol共價鍵所需要的能量，稱為共價鍵的解離能，它們并不相同（文獻中給出的鍵能通常是平均值）。

反應(yīng)物和生成物均為氣體的化學(xué)反應(yīng)的焓變ΔH，可以用化學(xué)鍵的鍵能進行簡單計算。但是，利用鍵能計算反應(yīng)的焓變ΔH，需要注意反應(yīng)物和生成物的聚集狀態(tài)，否則就會得到錯誤的結(jié)果，如表3。

對于有聚集態(tài)物質(zhì)參加的反應(yīng)，反應(yīng)焓變ΔH可能與升華能、電離能、電子親和能、晶格能、鍵能等有關(guān)，而不僅僅與鍵能有關(guān)。對于環(huán)狀有機物等較復(fù)雜反應(yīng)，反應(yīng)焓變也不等于簡單的反應(yīng)物的鍵能與生成物的鍵能之差。

顯然，簡單氣態(tài)反應(yīng)的焓變一般可以通過反應(yīng)物的鍵能之和減去生成物鍵能之和來進行計算。因此，用鍵能計算焓變，不能簡單地“理想化”處理，要考慮具體的反應(yīng)環(huán)境。

3.2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析問題

3.2.1 有機物中羥基O原子的軌道雜化

H2O中O原子軌道雜化類型為sp3，有機物中羥基O原子軌道雜化類型是否和H2O中O原子相同？通過表4，用不同的處理方式，如何正確分析有機物中羥基O原子的軌道雜化類型。

（1） H2O中O原子軌道雜化類型為sp3;

（2） 乙醇可看成H2O中H被—CH2CH3替代的產(chǎn)物，乙醇中羥基O原子軌道雜化類型為sp3?！袄硐牖保ㄥe誤）所有有機物中羥基O原子的軌道雜化類型均為sp3。苯酚中的酚羥基O原子和羧基中的羥基O原子采用sp2雜化。

理想化（正確）醇類有機物中醇羥基O原子軌道雜化類型為sp3。

由表4知，有機物中羥基O原子的軌道雜化類型應(yīng)考慮羥基O原子的化學(xué)環(huán)境，苯酚中的酚羥基O原子和羧基中的羥基O原子均采用sp2雜化，原因是以上兩種結(jié)構(gòu)中的羥基O原子相連的C原子為sp2雜化，這樣可以形成穩(wěn)定的大π鍵?！袄硐牖钡赜蒆2O和CH3CH2OH的結(jié)構(gòu)得出有機物的羥基O原子均為sp3雜化是錯誤的。

3.2.2 手性碳與手性分子

手性分子有旋光性是因為含有手性碳。因此，容易“理想化”地認為： 含有手性碳的分子一定是手性分子。這種說法忽略了含有多個手性碳且中心對稱的情況，例如： 內(nèi)消旋酒石酸分子中的對稱結(jié)構(gòu)（見圖1），含有兩個手性碳且分子中心對稱，沒有旋光性，不是手性分子。

有手性碳的分子未必是手性分子，只含一個手性碳原子的分子一定是手性分子，但含多個手性碳原子的分子不一定是手性分子，需要從分子的整體對稱性考慮[4]。

3.3 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物分析問題

SiO2與C反應(yīng)的產(chǎn)物分析：

工業(yè)上制備單質(zhì)硅，SiO2與C在高溫下反應(yīng)生成Si和CO，而不是Si和CO2的原因。通過表5的對比，可以得出更科學(xué)、合理的解釋。

3.4 化學(xué)實驗異?，F(xiàn)象問題

3.4.1 氫氧化鋁與醋酸的反應(yīng)

蘇教版高中化學(xué)教材有： Al（OH）3既可以與強酸反應(yīng)，又可以與強堿反應(yīng)[6]。據(jù)此，有人得出： Al（OH）3不溶于弱酸，也不溶于弱堿的結(jié)論。

而實驗證實，Al（OH）3可完全溶于弱酸性的CH3COOH溶液，主要是由于Al（OH）3電離出的Al3+與CH3COO-發(fā)生配合作用所致，兩性偏堿性的Al（OH）3與CH3COOH的中和也會對溶解有所貢獻[7]。不能因為教材中有“Al（OH）3既可以與強酸反應(yīng)，又可以與強堿反應(yīng)”，而“理想化”地推定Al（OH）3不能溶于所有弱酸。教學(xué)中要避免對教材內(nèi)容進行“理想化”的異化解讀，防止出現(xiàn)科學(xué)性錯誤。

3.4.2 沉淀現(xiàn)象與溶度積Ksp

在一定溫度下，只要水溶液中的離子積Qc大于溶度積Ksp，就會有沉淀現(xiàn)象。事實未必如此。

例如： 飽和FeCl3溶液物質(zhì)的量濃度約為4.42mol·L-1，飽和Ca（OH）2溶液物質(zhì)的量濃度約為0.02mol·L-1，若兩溶液等體積混合，離子積Qc=c（Fe3+）×c（OH-）3=2.21×0.023=1.8×10-5遠大于Fe（OH）3的溶度積{18℃時，Ksp[Fe（OH）3]為1.1×10-36， 25℃時，Ksp[Fe（OH）3]為4.0×10-38}，應(yīng)立即出現(xiàn)沉淀。但筆者通過實驗發(fā)現(xiàn)在10℃、 25℃、 60℃等溫度下，將飽和Ca（OH）2溶液與飽和FeCl3溶液等體積混合后，均沒有產(chǎn)生Fe（OH）3沉淀。若用激光筆照射，可觀察到“丁達爾效應(yīng)”。

圖2 飽和Ca（OH）2溶液與飽和FeCl3溶液混合實驗

原因是鋁鹽和鐵鹽既能水解生成氫氧化物膠體，與堿反應(yīng)時，也能生成氫氧化物膠體。當(dāng)水溶液中的離子積Qc大于溶度積Ksp時，可能會出現(xiàn)沉淀，也可能不會，應(yīng)考慮到除溶液和濁液外，還有膠體這一分散系的情況。

3.4.3 金屬鈉與鹽酸的反應(yīng)

金屬鈉可以和水劇烈反應(yīng)，反應(yīng)的實質(zhì)是鈉與水電離出的H+離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。有人據(jù)此推斷，金屬鈉與鹽酸的反應(yīng)非常劇烈，鹽酸濃度越大，反應(yīng)速率越大。

通過實驗證實[8]，金屬鈉與鹽酸的反應(yīng)并沒有想象中的劇烈。當(dāng)鹽酸濃度在0.50mol·L-1附近時，反應(yīng)速率最快;當(dāng)鹽酸濃度小于0.50mol·L-1時，鹽酸濃度越大，反應(yīng)速率增大;當(dāng)鹽酸濃度大于0.50mol·L-1時，鹽酸濃度越大，反應(yīng)速率反而變小。當(dāng)鹽酸濃度大于1.0mol·L-1時，鈉與鹽酸反應(yīng)速率比鈉與水的反應(yīng)速率還小。

鈉與濃度較大的鹽酸反應(yīng)速率變小，應(yīng)該與生成的NaCl在鹽酸中的溶解度變小，結(jié)晶析出有關(guān)?！袄硐牖钡卣J為“鹽酸濃度越大，鈉與鹽酸反應(yīng)速率越大”，只考慮了反應(yīng)物的濃度因素，而忽略了生成物結(jié)晶對反應(yīng)速率的影響。

顯然，化學(xué)反應(yīng)異?，F(xiàn)象不一定是誤差或失誤造成的，其背后可能隱含著實驗者不知道的客觀規(guī)律[9]。

4 結(jié)語

運用科學(xué)的方法進行化學(xué)探索推測是必需的，但要在堅持實驗事實和規(guī)范的學(xué)科理論的前提下，綜合多因素考慮問題，在化學(xué)教學(xué)中避免因“理想化”處理化學(xué)問題而出現(xiàn)錯誤的結(jié)論。應(yīng)使思維建立在良好的判斷基礎(chǔ)上，使用恰當(dāng)?shù)脑u估標準對事物的真實性進行判斷和思考[10]。因此，

須理想化但不“理想化”處理各類化學(xué)問題，

強化對學(xué)生科學(xué)思維、學(xué)科觀念、創(chuàng)新意識、質(zhì)疑能力、批判意識和科學(xué)精神的培養(yǎng)。

參考文獻：

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