基于證據(jù)推理的金屬化學性質(zhì)教學

莊曉松 王祖浩

摘要：在分析初中“金屬的化學性質(zhì)”的教材內(nèi)容和相關的教學設計的基礎上，針對實際教學中存在的幾個問題，如根據(jù)金屬和氧氣反應的狀況、金屬和某些酸反應的速率來判斷金屬的活動性強弱;未立足證據(jù)基礎上論證金屬活動性的強弱等，提出讓學生在基于證據(jù)推理的基礎上求證金屬活動性的強弱，促進學生對金屬化學性質(zhì)的深度認識和理解，培養(yǎng)學生證據(jù)推理的意識，提高學生的化學思維品質(zhì)。

關鍵詞：金屬的化學性質(zhì); 證據(jù)推理; 教學設計; 金屬的活動性強弱

文章編號：1005-6629（2021）08-0047-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

培養(yǎng)學生的證據(jù)推理能力，首先要求教師具有證據(jù)意識，教學過程中要始終圍繞證據(jù)推理這一素養(yǎng)目標，要求學生在化學學習過程中逐步形成證據(jù)意識，養(yǎng)成識別、篩選證據(jù)，轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，應用、評價證據(jù)的能力;基于證據(jù)對化學學習過程中的一系列問題提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，能把觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系建立起來，最終達到培養(yǎng)學生領悟科學研究的實證方法和實事求是的科學態(tài)度。

1 教材內(nèi)容和相關教學狀況分析

國內(nèi)幾個版本的教材均把金屬單質(zhì)的知識安排在氧氣、碳等非金屬單質(zhì)及其化合物知識學習之后，而金屬的化學性質(zhì)是該單元的核心內(nèi)容[1～3]。實際教學中有幾個問題值得商榷并關注。

（1） 金屬的活潑性和金屬的活動性是否屬于同一個概念？金屬元素的金屬性也可以稱為金屬元素的活潑性。金屬性通常是金屬原子在化學反應中失去電子成為陽離子的傾向。金屬性的強弱通常用金屬元素的電離能（基態(tài)的氣態(tài)原子失去電子成為氣態(tài)陽離子時所需的能量）大小來衡量[4]。金屬的活動性是金屬單質(zhì)在水溶液里失去電子形成水合離子傾向的大小，反映金屬在水溶液里發(fā)生氧化反應的難易，可以用金屬的標準電極電勢來衡量。金屬的標準電極電勢除了與金屬原子的電離能有關外，還與金屬的升華能（固態(tài)單質(zhì)變?yōu)闅鈶B(tài)原子時所需的能量）、水合能（金屬陽離子與水化合時所放出的能量）等多種因素有關[5]。金屬性強的元素，一般來說它的活動性也大，但是也有不一致的情況。例如，

鋰的第一電離能為520KJ/mol，鈉的第一電離能為496KJ/mol，因此鈉的金屬性要比鋰的金屬性強。但是，依據(jù)標準電極電勢EθLi+/Li=-3.045V、 EθNa+/Na=-2.714V，推斷出鋰的金屬活動性要強于鈉。這是因為，鋰在水溶液中形成水合離子的過程中涉及的升化熱、電離能、水合熱分別為161KJ/mol、 520KJ/mol、 -506KJ/mol，形成水合離子總的能量為175KJ/mol。而鈉在水溶液中形成水合離子的過程中涉及的升化熱、電離能、水合熱分別為108KJ/mol、 496KJ/mol、 -397KJ/mol，形成水合離子總的能量為207KJ/mol。顯然，鋰形成水合離子的傾向性要強于鈉，鋰比鈉在水溶液里更易離子化[6]。

也就是說，不僅金屬性和金屬的活動性兩者的概念有區(qū)別，而且金屬在氣態(tài)和在水溶液中所表現(xiàn)的活潑性順序也是有區(qū)別的。而初中化學教材中金屬單質(zhì)和氧氣反應所表現(xiàn)出的金屬活動性除了與金屬的金屬性（電離能）有關外，還與金屬的升華能以及生成的氧化物晶格能有關。由此可見，金屬單質(zhì)和氧氣反應表現(xiàn)出的金屬活動性與金屬和酸或者和鹽溶液反應表現(xiàn)出的金屬活動性是兩個不同的概念，在對金屬化學性質(zhì)進行描述和總結的時候不應該相互替代或混用。

（2） 能否依據(jù)金屬和酸反應的劇烈程度來證明金屬的活動性？其實，這涉及到化學動力學和化學熱力學的問題，化學動力學研究的是化學反應速率和反應機理，而化學熱力學是從熱力學函數(shù)去計算并以此對化學反應的方向作出判斷。金屬和酸反應的劇烈程度屬于反應動力學，金屬能否和酸反應屬于化學熱力學問題，二者研究的對象和適用的原理都不一樣。我們只能根據(jù)金屬能否與酸反應來判斷金屬的活動性，而不能依據(jù)金屬與酸反應的劇烈程度來判斷金屬的活動性。我們培養(yǎng)學生的是證據(jù)推理能力，是基于證據(jù)講話的實事求是的科學態(tài)度;同樣，尋找證據(jù)的時候不能用錯原理或找錯證據(jù)。

（3） 教學過程中實驗的目的是什么？教師通常的做法是設置教學情境，引出實驗，設計金屬分別和氧氣、酸及鹽溶液反應三組實驗。實驗是尋找證據(jù)得出結論的一個非常有效的途徑和資源，但在實際教學中各實驗之間并沒有串聯(lián)起來形成一個有效的證據(jù)鏈證明金屬的活動性強弱。如一般的教學過程是通過實驗觀察到鐵與氧氣劇烈地反應，所以認為鐵比銅活潑;通過實驗觀察到鐵在酸中反應不如鎂、鋁、鋅劇烈，所以得出鐵的活動性不如鎂、鋁、鋅強的結論。這些看似是基于證據(jù)的教學，實質(zhì)是浮于淺表、缺乏證據(jù)意識。

2 基于證據(jù)推理的金屬化學性質(zhì)的教學

以人教版教材“金屬的化學性質(zhì)”為例，根據(jù)課程標準（2011年版）中的要求，本節(jié)課的教學目標設為[7]：

（1） 通過小組合作等方式實驗探究金屬與稀鹽酸、稀硫酸以及與化合物溶液的置換反應，認識金屬的化學性質(zhì)和金屬的活動性順序，并且在用金屬活動性順序解釋一些與日常生活有關的化學問題中提升能力。

（2） 通過對比、歸納、整理等活動，逐步體會學習元素化合物知識的一般方法，認識金屬的相似點與區(qū)別，為今后學習酸、堿、鹽知識打下良好的基礎。

本節(jié)課圍繞金屬的化學性質(zhì)，將整個學習過程分為3個環(huán)節(jié)：金屬化學性質(zhì)的初步建立、金屬化學性質(zhì)的再認識和金屬化學性質(zhì)的初步運用。本節(jié)課按照圖1教學流程展開[8，9]。學生可以根據(jù)對已學金屬化學性質(zhì)知識的回憶，讓學生概括出金屬可能具有的化學性質(zhì)。在此基礎上，師生通過實驗探究并結合有關資料形成一個對金屬活動性強弱判斷的證據(jù)鏈，引導學生對金屬化學性質(zhì)的深層次理解。隨著學生對金屬化學性質(zhì)了解的不斷深入，讓學生逐漸形成基于證據(jù)推理的客觀認識。

2.1 金屬化學性質(zhì)的初步建立

基于學生在第二單元學過鐵和氧氣的反應，在第五單元學過鎂和氧氣的反應、鐵和硫酸銅的反應，在第七單元學過鎂與鹽酸及鋅與稀硫酸等的反應，教師可以在學生對這些知識回憶的基礎上讓學生寫出上述反應的化學方程式及對反應現(xiàn)象的描述。通過對已學的有關金屬知識的復習，嘗試讓學生根據(jù)這些知識推測金屬可能具有哪些化學性質(zhì)。

其實，在課本緒言中學生就已經(jīng)知曉物質(zhì)的化學性質(zhì)是通過化學變化表現(xiàn)出來的，從已學知識到總結得出金屬的化學性質(zhì)，缺少的只是歸納和整理。學生在教師的引導下可以根據(jù)鐵、鎂和氧氣的反應得出金屬具有和氧氣反應的化學性質(zhì);根據(jù)鐵和硫酸銅的反應得出金屬能夠和某些化合物溶液反應的化學性質(zhì);根據(jù)鎂、鋅分別和稀鹽酸、稀硫酸的反應得出金屬可以和酸反應的化學性質(zhì)。學生完全可以通過對已學知識的回憶，運用歸納的方法初步建構起某些金屬的化學性質(zhì)的一般概念，這也是在原有知識學習的基礎上水到渠成的。

另外，除了可以引導學生了解金屬可能具有的化學性質(zhì)外，還可以根據(jù)已學過的反應的化學方程式引導學生學習一種新的基本反應類型——置換反應。在后續(xù)對常見金屬活動性強弱探究的過程中就可以把“置換”這一名詞使用上去，讓學生在描述實驗時能夠融入“置換”這一化學術語。一方面在實驗探究過程中可以加深學生對置換反應的理解，另一方面使學生對實驗的描述顯得更專業(yè)。

2.2 金屬化學性質(zhì)的再認識

前面在第三單元已經(jīng)學過金屬元素的最外層電子數(shù)一般小于4，易失去電子，各種金屬之間的化學性質(zhì)具有一定的相似性。但是，各金屬原子的結構并不相同，不同種金屬和某一物質(zhì)發(fā)生反應，其反應的難易程度也不一定相同，這表明各種金屬之間的化學性質(zhì)存在著一定的差異。那么，我們能否依據(jù)金屬的化學性質(zhì)找到合適的證據(jù)證明Mg、 Al、 Zn、 Fe、 Cu、 Ag、 Au等幾種常見金屬化學性質(zhì)的差異？帶著這個問題我們一起開啟對金屬化學性質(zhì)再認識的探究之旅。

2.2.1 認識金屬的活動性

金屬活動性主要指金屬單質(zhì)在水溶液里表現(xiàn)出的化學性質(zhì)，金屬能否和一些溶液反應，可以反映金屬的活動性。

問題1：能否根據(jù)我們所學金屬的化學性質(zhì)進一步探索Zn、 Fe、 Cu、 Ag四種常見金屬活動性的強弱？

課堂上，師生就上述問題展開討論，初步形成探索四種常見金屬活動性強弱的思路。

學生討論1：一部分學生認為金屬活潑性強的鎂能和稀鹽酸或稀硫酸反應，而金屬活潑性弱的金卻不可以和酸發(fā)生反應。因此，是不是可以利用金屬和酸的反應來尋找證明金屬活動性強弱的證據(jù)。也有學生提出是不是可以利用金屬和化合物溶液的反應來尋找證明金屬活動性強弱的證據(jù)。最后，學生形成一致的探索思路，先用金屬和酸的反應尋求金屬活動性的強弱，在此基礎上再利用金屬和化合物溶液的反應進一步求證金屬活動性的強弱。

演示實驗1：教師將一枚金戒指和一小粒銀分別浸入一定量的稀鹽酸中，觀察到金戒指和銀粒并沒有和稀鹽酸發(fā)生反應。

小組實驗1：各小組將打磨過的鋅絲、鐵絲及銅絲分別置于盛有稀鹽酸和稀硫酸的試管中，觀察現(xiàn)象。各小組學生通過實驗探究發(fā)現(xiàn)金屬鋅、鐵均能和稀鹽酸或稀硫酸反應并產(chǎn)生氣泡，而銅不能和酸反應產(chǎn)生氣泡。

學生討論2：金屬鋅和鐵能夠和酸發(fā)生反應，而銅、銀、金并不能和酸發(fā)生反應，這說明金屬活動性強的金屬可以和酸發(fā)生反應，而金屬活動性弱的金屬不能和酸發(fā)生反應，因此可以推測銅與銀的金屬活動性要弱于鋅和鐵。由此可以判斷四種金屬活動性強弱的順序是Zn、 Fe>Cu、 Ag。

問題2：除了用酸和金屬能否發(fā)生反應來證明金屬的活動性強弱外，我們能否找到證明金屬活動性強弱的其他方法呢？

學生討論3：學生認為通過金屬和酸的反應探索后得出鐵的金屬活動性要強于銅的金屬活動性。因此推測，金屬活動性強的金屬能把金屬活動性弱的金屬從其溶液中置換出來。為進一步驗證此推測是否正確，學生設計了“把打磨過的鋁絲和鎂條分別放入硫酸銅溶液中”的實驗。

演示實驗2：打磨過的鋁絲與鎂條分別放入硫酸銅溶液中，發(fā)現(xiàn)鋁絲表面有紅色物質(zhì)生成，鎂條和硫酸銅反應也有紅色物質(zhì)生成，而且反應比較劇烈。因此，學生認為活潑金屬能把不活潑金屬從其化合物溶液中置換出來。

問題3：Cu和Ag都不能和酸反應，它們的金屬活動性都不如Fe活潑，那么Cu和Ag哪個更活潑？我們能否找到證明Cu和Ag金屬活動性強弱的證據(jù)呢？

學生討論4：為尋求銅、銀的金屬活動性強弱的證據(jù)，大部分學生設計了用銅絲和銀的化合物反應的實驗（有學生選氯化銀，有學生選硫酸銀，也有學生選硝酸銀），少部分學生設計了用銀和硫酸銅溶液反應的實驗。

教師講解：教師指出氯化銀是不溶物，硫酸銀是微溶物，銀的化合物溶液一般為硝酸銀溶液，金屬一般要在化合物的溶液中進行反應。因此，在實驗過程中選用硝酸銀溶液進行實驗。

演示實驗3：把銅絲伸入硝酸銀溶液中，學生觀察到銅絲表面覆蓋了一層銀白色的物質(zhì);把銀粒放入硫酸銅溶液中片刻后取出，發(fā)現(xiàn)銀的表面并沒有任何的變化。根據(jù)銅可以置換出硝酸銀溶液中的銀，推測銅的金屬活動性強于銀的金屬活動性。

問題4：我們又如何尋找證據(jù)可以證明鋅和鐵的金屬活動性強弱。

學生討論5：為尋求鋅和鐵的金屬活動性強弱的證據(jù)，部分學生設計了用鋅片和鐵的化合物溶液反應的實驗（有學生選硫酸亞鐵，有學生選硫酸鐵，也有學生選氯化亞鐵……），還有部分學生設計了用鐵和硫酸鋅溶液反應的實驗。

教師講解：教師指出在這里鐵的化合物溶液一般選用亞鐵溶液，如硫酸亞鐵溶液、氯化亞鐵溶液等，而不選用硫酸鐵溶液、氯化鐵溶液等。

小組實驗2：各小組將打磨過的鋅絲、鐵絲分別置于盛有硫酸亞鐵和硫酸鋅溶液的試管中，觀察現(xiàn)象。各小組學生通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，金屬鋅的表面有灰黑色物質(zhì)生成，而鐵的表面沒有任何變化。根據(jù)鋅可以置換出硫酸亞鐵溶液中的鐵，而鐵不能置換出硫酸鋅中的鋅，可以推測鋅的金屬活動性強于鐵的金屬活動性。

學生討論6：根據(jù)上述實驗以及討論的結果，四種金屬的活動性順序是Zn>Fe>Cu>Ag。

2.2.2 認識金屬活動性順序表

學生通過閱讀課本第12頁，進一步認識金屬的活動性順序，能夠利用金屬活動性順序表作出相應的判斷。

[環(huán)節(jié)3]金屬活動性順序表的初步運用

情境：黃金飾品中的假貨常常魚目混珠，社會上有些不法分子常以黃銅冒充黃金。因為單純從顏色、外形上看，黃銅（銅鋅合金）與黃金極為相似，很難區(qū)分。請你設計方案鑒別真假黃金，要求寫出實驗方法、現(xiàn)象和結論。

學生討論1：學生從能否和酸發(fā)生反應、能否和另一不活潑金屬的化合物溶液反應等方面展開討論，最后達成共識，判斷黃金的真假可以從上述兩個方面入手進行鑒別。

教師追問1：你依據(jù)什么現(xiàn)象可以判斷黃金真假？

學生討論2：學生思考并討論交流得出，如果放入稀鹽酸或稀硫酸中，能產(chǎn)生氣泡的是假黃金，沒有現(xiàn)象的是真黃金;放入硝酸銀溶液中，固體表面有銀白色固體生成的是假黃金，沒有變化的是真黃金。

教師追問2：以上方法你的依據(jù)是什么？

學生討論3：學生思考后可得出，依據(jù)是鋅能和稀鹽酸或稀硫酸發(fā)生反應，而金不會和酸發(fā)生反應;銅、鋅的活動性比銀強，能和硝酸銀溶液反應，而銀的金屬活動性要強于金，金不能和硝酸銀溶液反應。

師生總結：判斷金屬的活動性強弱可依據(jù)能否和稀鹽酸或稀硫酸反應以及能否將另一種金屬從其化合物溶液中置換出來。

3 教學反思

本節(jié)課基于已學過的部分金屬知識的基礎，讓學生根據(jù)金屬的一些化學反應歸納出金屬可能具有的化學性質(zhì)，及根據(jù)有關金屬的反應的化學方程式歸納、比較得出置換反應的判斷方法。學生依據(jù)金屬的化學性質(zhì)，通過實驗探究，對金屬化學反應的歸納、分析、比較，尋求可以證明常見金屬活動性強弱的證據(jù)。學生在尋求證據(jù)的同時促進了對金屬化學性質(zhì)的深層次的理解，培育了學生的證據(jù)意識及基于證據(jù)的推理能力，在潛移默化中促進了學生對科學本質(zhì)、科學方法的理解和發(fā)展，為學生后續(xù)的化學學習做好鋪墊。通過觀察，發(fā)現(xiàn)學生在本節(jié)課的學習中存在以下困難：（1）鋁和稀鹽酸或稀硫酸反應的化學方程式書寫，主要表現(xiàn)在對鋁的化合物化學式的書寫及方程式的配平;（2）鐵和稀鹽酸或稀硫酸反應時，學生總認為生成物中鐵的化合價為+3價;（3）證明幾種金屬活動性強弱證據(jù)的尋求和收集;（4）對金屬活動性順序表的運用等。后續(xù)教學證明，學生在金屬化學性質(zhì)的學習過程中，能自覺運用金屬活動性知識從獲得證據(jù)角度分析和理解上述難點，從而達到對金屬化學性質(zhì)更深刻、更全面的認識。

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