挖掘圖表數(shù)據(jù)內(nèi)涵組織化學(xué)教學(xué)的若干啟示

孫立新

摘要：根據(jù)高中化學(xué)教材（人教版）中提供的圖表數(shù)據(jù)資料作分析和探討，闡述如何指導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、質(zhì)疑數(shù)據(jù)、探索數(shù)據(jù)之間的關(guān)系等教學(xué)過程，為如何利用和挖掘教材中圖表數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，進(jìn)一步落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了教學(xué)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué)教學(xué);圖表數(shù)據(jù)內(nèi)涵;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）中指出：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)逐步形成的正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會(huì)主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值。

中學(xué)化學(xué)教材（人教版）中提供了不少的圖表數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反映了化學(xué)物質(zhì)之間的何種關(guān)系，向我們展示了化學(xué)物質(zhì)的哪些本質(zhì)，需要引起我們的關(guān)注。讓學(xué)生了解這些數(shù)據(jù)所包含的內(nèi)涵，探索這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而了解物質(zhì)的性質(zhì)，對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)具有非常重要的意義。查閱有關(guān)資料，關(guān)于在中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)過程中，如何開展圖表數(shù)據(jù)的教學(xué)探討，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的文章并不多見。范雷軍[1]曾對(duì)教材中數(shù)據(jù)類圖表的教學(xué)進(jìn)行過初步探討，認(rèn)為利用數(shù)據(jù)型圖表有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，并提出利用數(shù)據(jù)型圖表的基本要求。占小紅[2]等對(duì)化學(xué)教材中圖表的認(rèn)知難度也進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

我們認(rèn)為，高中化學(xué)教材（人教版）中圖表數(shù)據(jù)的教學(xué)蘊(yùn)含著豐富的內(nèi)涵，其包括數(shù)據(jù)的查找、數(shù)據(jù)的推理、數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律、數(shù)據(jù)的質(zhì)疑等多方面，在培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面有很重要的價(jià)值和意義。

本文就如何利用教材中提供的有關(guān)圖表數(shù)據(jù)，在“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”以及“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等三方面落實(shí)化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)，談?wù)勎覀兊淖龇ê涂捶ā?/p>

1 挖掘圖表數(shù)據(jù)內(nèi)涵，落實(shí)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)教育

新課標(biāo)關(guān)于“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的教學(xué)要求是：能從元素和原子、分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念;從不同層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)的多樣性等。如何從教材中所給出的圖表、數(shù)據(jù)等方面來落實(shí)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)教育？我們認(rèn)為可從以下幾方面來落實(shí)。

1.1 學(xué)會(huì)查找數(shù)據(jù)

我們在選修3教材（人教版）中學(xué)習(xí)了金屬晶體的堆積方式，了解了金屬鈉是一種“體心立方堆積”后，不妨根據(jù)教材中提供的有關(guān)數(shù)據(jù)來計(jì)算一下鈉的原子半徑或密度大小，以此來慢慢感受查找數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)并用數(shù)學(xué)方法來處理數(shù)據(jù)的一般過程。

我們在必修2教材[3]（人教版）中查得鈉的密度為0.97g/cm3，用這個(gè)數(shù)據(jù)來計(jì)算鈉原子的半徑會(huì)是多少？計(jì)算如下：

而我們在必修2教材[4]（人教版）可查得鈉原子的半徑為186pm。顯然，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致！是不是很神奇？

1.2 學(xué)會(huì)利用數(shù)據(jù)進(jìn)行推理與論證

類似地，我們還可以根據(jù)選修3教材[5]（人教版）中提供的鈉離子半徑、銫離子半徑以及氯離子半徑來計(jì)算氯化鈉、氯化銫的密度，并證明氯化銫的配位數(shù)是8而不是6。

1.2.1 計(jì)算氯化鈉、氯化銫的密度

我們從教材中查得鈉離子半徑為95pm，銫離子半徑為169pm，氯離子半徑為181pm。 NaCl的晶胞和CsCl的晶胞如圖1、圖2所示。

我們知道，NaCl晶胞中有4個(gè)Na+和4個(gè)Cl-;晶胞的棱長應(yīng)是Na+和Cl-的直徑之和，即：晶胞的棱長=（95pm+181pm）×2=552pm。

所以，NaCl晶體的密度=4×（23+35.5）/〔6.02×1023×（552pm）3〕

=234g/101.25cm3

=2.31g/cm3

實(shí)際上，NaCl晶體的密度為2.165g/cm3。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不是相差不大？在化學(xué)學(xué)科里，這兩個(gè)數(shù)據(jù)我們可認(rèn)為近似相等。

氯化銫的密度呢？我們也可以計(jì)算。從圖2中可以看出：每個(gè)CsCl的晶胞只有1個(gè)Cs+和1個(gè)Cl-;該晶胞的體對(duì)角線長應(yīng)是Cs+和Cl-的直徑之和，即：晶胞的棱長=（169pm+181pm）×2÷3=404.2pm。

所以，CsCl晶體的密度=（133+35.5）/〔6.02×1023×（404.2pm）3〕

=168.5g/39.74cm3

=4.24g/cm3

比實(shí)際值3.984g/cm3也要略大些，當(dāng)然，我們也可以近似地認(rèn)為它們是相等的。

上述兩個(gè)計(jì)算結(jié)果都比實(shí)驗(yàn)值略大。這是什么原因？原來，計(jì)算的結(jié)果只能是晶胞在“無隙并置”時(shí)的理想結(jié)果，而實(shí)際的NaCl晶體由晶胞“并置”時(shí)，并不是“無隙”的，而是常常留下“間隙”。也就是說，氯化鈉固體是由許多數(shù)目不定的晶胞組成的“集體”構(gòu)成的，這些“集體”與“集體”之間一定會(huì)有一些很小的“空間”，正是由于這些很小“空間”的存在，才導(dǎo)致了理論值（也就是計(jì)算值）比實(shí)驗(yàn)值（也就是實(shí)際值）偏大。當(dāng)然，我們在使用NaCl晶體的密度時(shí)要用其實(shí)驗(yàn)值，而不是理論值！

1.2.2 證明氯化銫的配位數(shù)是8而不是6

如果我們假定CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式相同，那么此時(shí)CsCl晶體密度的理論計(jì)算值又會(huì)是多少？

仿照上述NaCl晶體密度的計(jì)算式，不難算出CsCl晶體的密度

=4×（133+35.5）/〔6.02×1023×（2×169pm+2×181pm）3〕

=674g/206.5cm3=3.26g/cm3

此時(shí)的理論值比實(shí)際值3.984g/cm3要小得多，這是不符合實(shí)際情況的。這是不是可以證明CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式不同呢？當(dāng)然可以證明！

至此，學(xué)生的疑惑也就迎刃而解了。

1.3 “質(zhì)疑”數(shù)據(jù)，是學(xué)習(xí)和思考過程中的一種思維習(xí)慣

1.3.1 養(yǎng)成關(guān)注教材中所給數(shù)據(jù)的習(xí)慣，是學(xué)習(xí)和思考過程中的一種思維方式

教材中給出的數(shù)據(jù)有許多，如果我們留意觀察，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)同一種物質(zhì)的同一種數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)有些不同，這是什么原因？

其實(shí)這是一種正常的現(xiàn)象，因?yàn)榛瘜W(xué)數(shù)據(jù)都是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同的人，測定方法不同，所得的數(shù)據(jù)是不同的;不同的人，即使方法相同，所測得的數(shù)據(jù)也可能是不同的。當(dāng)然，即使是同一個(gè)人，用同一種方法測定，其結(jié)果也可能是不同的，也正是這個(gè)原因，我們在做定量實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，都必須做至少三次。例如，我們做酸堿中和實(shí)驗(yàn)，用已知濃度的酸溶液滴定未知濃度的堿溶液時(shí)，我們至少應(yīng)做三次實(shí)驗(yàn)，若這三次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相差不大，在實(shí)驗(yàn)的誤差范圍內(nèi)，我們就可以不再重新實(shí)驗(yàn)了;若有一個(gè)數(shù)據(jù)與其他兩個(gè)數(shù)據(jù)相差較大，不在誤差范圍內(nèi)，我們就必須繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，且要找到那個(gè)誤差較大的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，否則，我們這次“中和滴定實(shí)驗(yàn)”就是失敗的實(shí)驗(yàn)。

同樣，科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)方法不同，實(shí)驗(yàn)儀器不同，所取的實(shí)驗(yàn)材料不同等等，他們所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是不同的。比如：《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材（人教版）的第80頁有NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔點(diǎn)分別為993℃、 801℃、 747℃、 661℃;而在該教材的第85頁卻指出它們的熔點(diǎn)分別為995℃、 801℃、 775℃、 651℃。我們不難發(fā)現(xiàn)這兩處的熔點(diǎn)是不同的，特別是NaBr的熔點(diǎn)竟相差28℃。

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？顯然，這兩處的數(shù)據(jù)應(yīng)該是引自不同的資料，在同一本書中引用兩種不同的數(shù)據(jù)應(yīng)是不可取的，我們以后在用“數(shù)據(jù)”做推理或者做證據(jù)時(shí)，必須用同一個(gè)資料上的數(shù)據(jù)，否則，我們的推理或論證就會(huì)缺少科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和說服力。

1.3.2 “質(zhì)疑”數(shù)據(jù)要有理有據(jù)，也是學(xué)習(xí)和思考過程中的一種思維方式

當(dāng)然，教材中給出的數(shù)據(jù)，都是科學(xué)工作者用實(shí)驗(yàn)的方法測得的，得到了絕大多數(shù)其他科學(xué)工作者的認(rèn)可，到目前為止，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該是大家公認(rèn)的數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、科技手段的不斷更新，有些數(shù)據(jù)有可能會(huì)有更新，因此，教材中給出的某些數(shù)據(jù)，我們是可以質(zhì)疑的。就像上述NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔點(diǎn)一樣，有著明顯的差異，我們能不懷疑嗎？

又如，選修4教材[6]（人教版）第43頁給出了H2S的電離常數(shù)，分別為K1=1.3×10-7，K2=7.1×10-15，它們相差108倍，其他多元酸的K1與K2相差都在104左右，H3PO4的K2、 K3也是相差104左右，我們是不是應(yīng)該“質(zhì)疑”它？我們可以用我們所學(xué)的知識(shí)來判斷它是否合理。

第一種證法是利用上述數(shù)據(jù)，計(jì)算常溫下0.1mol/L硫化鈉溶液中硫離子的濃度，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)硫化鈉溶液幾乎完全水解，也就是幾乎可以認(rèn)為沒有硫化鈉溶液，或者說0.1mol/L硫化鈉溶液幾乎是不存在的。

從上述兩種證明，都可以說明H2S的電離常數(shù)K2=7.1×10-15是可以懷疑的，也是值得懷疑的！它應(yīng)該是多少呢？怎樣測得這個(gè)數(shù)值呢？需要我們每一個(gè)有興趣的同學(xué)努力學(xué)習(xí)，積極思考。

2 挖掘圖表數(shù)據(jù)內(nèi)涵，落實(shí)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的核心素養(yǎng)教育

新課標(biāo)關(guān)于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的教學(xué)要求是：認(rèn)識(shí)科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng);能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究;能和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)的設(shè)想;養(yǎng)成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。

教材中給出了不少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如烷烴、烯烴的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，直鏈一元醇的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)數(shù)據(jù)，堿金屬鹵化物的晶格能數(shù)據(jù)等等，卻沒有給出任何相關(guān)的規(guī)律。那么這些數(shù)據(jù)之間有無規(guī)律可循？或者說這些數(shù)據(jù)之間有沒有什么內(nèi)在的聯(lián)系呢？其實(shí)，有興趣的教師或?qū)W生是可以作些探索的。

例如，我們在講烷烴的物理性質(zhì)時(shí)，教材中給出了甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)：-164、 -88.6、 -42.1、 -0.5、 36.1（℃），我們查找有關(guān)資料，還得到了正己烷等的沸點(diǎn)：68.9、 98.4、 125.7、 150.8、 174（℃）。這幾個(gè)數(shù)據(jù)之間有沒有什么聯(lián)系呢？大家都知道：結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相似的物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量越大，其沸點(diǎn)會(huì)越高。也就是說，這些烷烴的沸點(diǎn)與它們的相對(duì)分子質(zhì)量會(huì)不會(huì)有定量的關(guān)系呢？這是我們可以探索的規(guī)律。當(dāng)我們計(jì)算了它們的絕對(duì)溫度后，發(fā)現(xiàn)它們之間還真存在著某種聯(lián)系。

通過描點(diǎn)法，我們發(fā)現(xiàn)這些絕對(duì)溫度數(shù)據(jù)與碳原子個(gè)數(shù)成近似拋物線的關(guān)系。于是我們提出了一個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)公式，即：T2=ax+b，式中T為直鏈烷烴的沸點(diǎn)，x為碳原子的個(gè)數(shù)，a、 b為常數(shù)。我們通過計(jì)算，確定a=20885.41，b=-8739.39。計(jì)算結(jié)果如表1所示。我們可以看出實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值較吻合。

我們從表中的計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：影響直鏈烷烴沸點(diǎn)的決定因素是相對(duì)分子質(zhì)量，也就是范德華力;除了范德華力之外，還有其他因素（色散力、誘導(dǎo)力等），但這些因素都不是主要因素，對(duì)直鏈烷烴的沸點(diǎn)的影響不大。所以，我們在中學(xué)階段比較分子晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)的大小時(shí)，一般只需要比較相對(duì)分子質(zhì)量就可以了（含有氫鍵的分子其熔、沸點(diǎn)主要由氫鍵決定）。

我們還可以通過分析上述提出的計(jì)算公式，不難得出這樣的結(jié)論：對(duì)直鏈烷烴的熔沸點(diǎn)大小起決定作用的是其相對(duì)分子質(zhì)量。

3 挖掘圖表數(shù)據(jù)內(nèi)涵，落實(shí)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)教育

新課標(biāo)關(guān)于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的教學(xué)要求是：要有證據(jù)意識(shí);初步學(xué)會(huì)收集各種證據(jù)，對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè);基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑。

選修3教材[7]（人教版）中提供了一些鍵能、鍵長的數(shù)據(jù)，怎樣應(yīng)用這些數(shù)據(jù)呢？現(xiàn)摘錄一些加以說明（見表2）。

一般地，單鍵為σ鍵，雙鍵中有一個(gè)σ鍵，另一個(gè)為π鍵，叁鍵中只有一個(gè)σ鍵，另外兩個(gè)為π鍵。按照這個(gè)規(guī)律，再根據(jù)表中CC、 CC、 CC的鍵能大小，我們不難得出一個(gè)結(jié)論：碳碳鍵中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能小得多。

因?yàn)镃C中一個(gè)σ鍵的鍵能和一個(gè)π鍵的鍵能之和為615kJ/mol，而CC的鍵能為347.7kJ/mol;

又因?yàn)镃C的鍵長比CC的鍵長要短，因此，CC中σ鍵的鍵能應(yīng)比CC中σ鍵的鍵能大。

也就是說CC中π鍵的鍵能比σ鍵的能量要小得多！所以我們在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中介紹：CC易發(fā)生加成反應(yīng)完全合乎情理。

于是，有不少人就根據(jù)OO和OO的鍵能大小以及NN、 NN、 NN的鍵能大小得出另一個(gè)結(jié)論：氧氧鍵和氮氮鍵中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能大得多。

其實(shí)這個(gè)結(jié)論是不正確的！因?yàn)镺O和OO以及NN、 NN、 NN的鍵長是不同的，也就是“電子云的重疊程度是不同的”，因而OO和OO以及NN、 NN、 NN中σ鍵的鍵能也是不同的?？梢韵胂螅琋N的鍵長是最短的，σ鍵電子云的重疊是最多的，也就是NN 中的σ鍵的鍵能最大。不妨以NN 和NN的鍵能大小來作說明。

設(shè)NN中σ鍵鍵能為E1，NN中σ鍵的鍵能為E2，π鍵的平均鍵能為Eπ，則有

Eπ是否一定大于193kJ/mol呢？至少在數(shù)學(xué)上是不能確定的！當(dāng)然，我們也不能確定NN中π鍵的鍵能與σ鍵的鍵能大小，也就不能確定Eπ和E2的大小。而碳碳鍵中的σ鍵能大小和π鍵鍵能大小就沒有這種情況。

另外，我們還可以用OO和OO的鍵能數(shù)據(jù)來定性地推理：因?yàn)镺O的鍵能為497.3kJ/mol，OO的鍵能為142kJ/mol，若OO中π鍵的鍵能比σ鍵的鍵能大，則OO 中σ鍵比π鍵更易斷裂，也就是說，鈉與O2（當(dāng)然，我們這里是將O2的結(jié)構(gòu)當(dāng)作是OO）反應(yīng)生成過氧化鈉時(shí)斷裂的是σ鍵而不是π鍵，即過氧化鈉中的氧氧鍵是π鍵而不是σ鍵！這當(dāng)然是不可以的。所以O(shè)O 中π鍵的鍵能大于σ鍵的鍵能是錯(cuò)的！

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)過程中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是大勢所趨，而“化學(xué)數(shù)據(jù)”的處理，包括實(shí)驗(yàn)“數(shù)據(jù)”的處理，利用“數(shù)據(jù)”的證實(shí)或證偽，利用“數(shù)據(jù)”探索物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等都是化學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，甚至可以說沒有“數(shù)據(jù)”的證明是蒼白的證明！為此，我們在“數(shù)據(jù)”處理方面有了上述如是做法和看法，與大家共享。

參考文獻(xiàn)：

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