初中化學(xué)方程式書寫的模型建構(gòu)與應(yīng)用

【摘要】本文從構(gòu)建化學(xué)方程式中的氣體生成物符號“↑”和固體生成物符號“↓”的書寫模型、構(gòu)建四大基本反應(yīng)的應(yīng)用模型、構(gòu)建“奪氧式反應(yīng)”“金屬與氧化性酸反應(yīng)”“多氧化合物反應(yīng)”的配平模型入手，系統(tǒng)論述化學(xué)方程式書寫中的模型認知思想以及模型建構(gòu)的基本方法與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)方程式 書寫 模型建構(gòu)與應(yīng)用

【中圖分類號】G63 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）10-0060-03

化學(xué)方程式作為初中化學(xué)重要的專業(yè)用語和學(xué)習(xí)工具，以符號的形式，科學(xué)、簡明地表達了物質(zhì)變化的規(guī)律，體現(xiàn)了“宏觀—微觀—符號”三重表征的有機聯(lián)結(jié)。學(xué)生初次接觸和書寫化學(xué)方程式，很容易出現(xiàn)這樣那樣的錯誤：或者搞不清楚化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)，導(dǎo)致錯標(biāo)或漏標(biāo)氣體生成物符號“↑”和固體生成物符號“↓”;或者因為不能從本質(zhì)上理解四大基本反應(yīng)類型，導(dǎo)致不能自如地銜接有關(guān)的初中、高中化學(xué)知識;或者僅會用最小公倍數(shù)法、奇數(shù)配偶法配平簡單的化學(xué)方程式，而對奪氧式反應(yīng)、金屬與氧化性酸反應(yīng)、多氧化合物反應(yīng)的化學(xué)方程式配平感到無從下手。

筆者認為，化學(xué)方程式是后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)計算和化學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。為化學(xué)方程式的書寫建構(gòu)有效的思維模型，有助于學(xué)生科學(xué)認識化學(xué)反應(yīng)過程中的物質(zhì)變化規(guī)律，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和學(xué)科思維品質(zhì)，進而發(fā)展學(xué)生的模型認知學(xué)科素養(yǎng)。

一、模型及模型認知的概念解析

（一）關(guān)于模型

“模型”一詞在拉丁語中寫作modulus，意思是尺度、樣本、標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)界有關(guān)模型的觀點主要有三種：其一，模型是與真實物體單一事件或一類事物相對應(yīng)且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu);其二，模型是一種科學(xué)認知的工具，包括科學(xué)方法和科學(xué)操作;其三，模型是概括、抽象和簡化了的原型，它的合理性需要通過邏輯和實驗來檢驗。

（二）關(guān)于模型認知

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》首次凝練了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，其中便包括一個“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)，涉及“模型認知”的解釋為“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”。

有學(xué)者明確提出：模型認知是運用模型思想（模型方法）認識事物和解決問題的思維方法。

（三）關(guān)于模型建構(gòu)

筆者以為，模型建構(gòu)指的是通過思維建?；顒?，可視化地表征、歸納、分析、解釋知識或問題的過程，體現(xiàn)思維的系統(tǒng)性?；瘜W(xué)建?？梢允箤W(xué)生對研究對象或?qū)W習(xí)內(nèi)容的認識思路外顯，便于建立結(jié)構(gòu)化的知識體系。

二、化學(xué)方程式書寫中的模型建構(gòu)與應(yīng)用

化學(xué)方程式書寫涉及的知識面廣、綜合性強，需要學(xué)生有系統(tǒng)的化學(xué)知識以及分析和解決實際問題的能力。在化學(xué)方程式書寫中確立模型建構(gòu)的思想方法，有助于加深學(xué)生對知識和概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思維和模型認知學(xué)科素養(yǎng)。從學(xué)生在化學(xué)方程式書寫中的常見問題出發(fā)，筆者決定從三個方面入手，培養(yǎng)學(xué)生的模型認知素養(yǎng)。

（一）構(gòu)建化學(xué)方程式中氣體生成物符號“↑”和固體生成物符號“↓”的書寫模型

很多學(xué)生弄不清楚化學(xué)方程式中的氣體符號“↑”和固體符號“↓”的書寫規(guī)律，為此，教師可以在授課過程中幫助學(xué)生建立一個如圖1所示的直觀模型。首先，化學(xué)反應(yīng)一般都是在溶液中進行。其次，反應(yīng)物中不需要標(biāo)記氣體或固體符號。再次，如果生成物中有氣體產(chǎn)生，應(yīng)能看到液體中有向上的氣泡產(chǎn)生，故而要在氣體生成物的后面加上“↑”符號，但這需要一個前提，即反應(yīng)物中無氣體;如果反應(yīng)物中有氣體，則在化學(xué)反應(yīng)過程中會一直有氣泡存在，就算生成物中也有氣體，很難區(qū)分哪些氣泡是反應(yīng)物的、哪些氣泡是生成物的，于是氣體生成物的后面便不能加“↑”符號。最后，關(guān)于固體符號的書寫，與氣體符號書寫的道理相同：如果能看到液體中有固體生成物下沉，則應(yīng)在固體生成物的后面加上“↓”符號;如果反應(yīng)物中已有固體，在反應(yīng)過程中不能看到固體生成物下沉，則固體生成物的后面不能加“↓”符號。

（二）四大基本反應(yīng)的應(yīng)用模型

初中所學(xué)的化學(xué)方程式較多，用模型思想來解釋和記憶，可梳理出化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)四大基本反應(yīng)及其反應(yīng)模型，如圖2所示。

化合反應(yīng)是通過化學(xué)變化將多種物質(zhì)合成一種物質(zhì)的反應(yīng)，分解反應(yīng)是通過化學(xué)變化將一種物質(zhì)分解成多種物質(zhì)的反應(yīng)，二者的反應(yīng)過程剛好相反，可借此促進學(xué)生形成互逆的關(guān)聯(lián)思維。例如：學(xué)習(xí)2H2+O2[點燃]2H2O這個化合反應(yīng)后，可以想到通過分解H2O得到H2和O2，這樣，之后學(xué)到電解水的反應(yīng)原理時就很容易理解2H2O[通電]H2↑+O2↑這個分解反應(yīng)了。

置換反應(yīng)的原理是一種單質(zhì)去占取一種化合物中的某一個位置，把相應(yīng)位置的另一種元素以單質(zhì)的形式置換出來。為什么A單質(zhì)可以去占取B的位置呢？原因在于，化學(xué)變化中能力強的物質(zhì)往往會搶去能力弱的物質(zhì)的位置。將該模型應(yīng)用于理解金屬活動性順序表中排序的奧秘，可知：排在前面的活潑金屬可以將排在后面的不活潑金屬從它的鹽溶液中置換出來、使之變成單質(zhì);排在氫前面的金屬可以與酸反應(yīng)置換出氫氣，而排在氫后面的金屬不能與酸反應(yīng)。

復(fù)分解反應(yīng)是兩種物質(zhì)都分解后再重新組合，強調(diào)的是分解的過程，所以反應(yīng)物必須是化合物，且反應(yīng)物、生成物往往都是酸、堿、鹽。復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)在于：反應(yīng)物先在水溶液中解離成陰、陽離子，這些陰、陽離子再重新組合，形成新的物質(zhì)，新的物質(zhì)中必定有一種物質(zhì)是固體、氣體或水，這個復(fù)分解反應(yīng)才可能發(fā)生。教師可引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生思考強酸制弱酸、強堿制弱堿的反應(yīng)原理，強化初中、高中化學(xué)知識的銜接。

（三）不同類型化學(xué)方程式的配平模型

所有化學(xué)變化都符合質(zhì)量守恒定律，即參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成物各物質(zhì)的質(zhì)量總和，也就是說，化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類、數(shù)目和質(zhì)量都沒有改變。因此，配平化學(xué)方程式的過程便是清楚地體現(xiàn)這種“質(zhì)量守恒”的過程。

1.奪氧式反應(yīng)的化學(xué)方程式配平模型

初中化學(xué)介紹了用熱還原法還原金屬礦物從而得到金屬材料的知識，這一類反應(yīng)的本質(zhì)是奪取化合物中的氧原子，可簡稱為奪氧式反應(yīng)。此類反應(yīng)通常需要高溫條件支持，常用的還原劑有一氧化碳、氫氣和碳。

以CO還原FeO為例，其化學(xué)反應(yīng)式是CO+FeO—Fe+CO2，微觀過程如下：1個CO分子需要得到1個O原子變成1個CO2分子，而FeO剛好可以提供1個O原子后將自身變?yōu)?個Fe原子，從而完成該化學(xué)反應(yīng)方程式的配平，CO+FeO[高溫]Fe+CO2。再如CO還原Fe2O3，其化學(xué)反應(yīng)式是CO+Fe2O3—Fe+CO2，微觀過程如下：1個Fe2O3中有3個O原子和2個Fe原子，3個O原子需要3個CO分子來奪取，所以CO前需要配個3;相應(yīng)地，CO2前也要配個3，即3CO+Fe2O3[高溫]2Fe+3CO2。于是，教師可以為學(xué)生建構(gòu)如圖3所示的以CO為還原劑的熱還原法制取金屬單質(zhì)的化學(xué)方程式配平模型。

換成是用氫氣或碳作為還原劑，其微觀分析及建模類似，此處不再贅述。

運用模型建構(gòu)的方法展開課堂教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)建模思維。

2.金屬與氧化性酸反應(yīng)的化學(xué)方程式配平模型

眾所周知，金屬與酸反應(yīng)一定有對應(yīng)的鹽生成，其中：H+如果不變成H2就會生成水;酸根離子則生成對應(yīng)的氣體，如濃硫酸生成二氧化硫、濃硝酸生成二氧化氮、稀硝酸生成一氧化氮。為這類化學(xué)方程式建模，即金屬+氧化性酸=鹽+水+氣體。用觀察法配平此類方程式比較困難，加上此時學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)利用氧化還原反應(yīng)配平化學(xué)方程式的方法，教師可以指導(dǎo)學(xué)生借用數(shù)學(xué)建模的方法完成對此類化學(xué)方程式的配平。假設(shè)有兩種反應(yīng)物，設(shè)簡單反應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)為1、復(fù)雜反應(yīng)物的計量數(shù)為x，其配平過程如圖4所示。

以配平Cu+HNO3（?。狢u（NO3）2+NO+H2O為例：第一步，設(shè)Cu的計量數(shù)為1，HNO3（?。┑挠嬃繑?shù)為x，則1Cu+xHNO3（?。狢u（NO3）2+NO+H2O。第二步，根據(jù)Cu原子守恒，則Cu（NO3）2的計量數(shù)為1;根據(jù)N原子守恒，NO的計量數(shù)為x-2;根據(jù)H原子守恒，H2O的計量數(shù)為x/2。于是可得：1Cu+xHNO3（稀）—1Cu（NO3）2+（x-2）NO+（x/2）H2O。第三步，根據(jù)O原子個數(shù)守恒列方程3x=6+（x-2）+（x/2），解得x=8/3。第四步，將x=8/3代入化學(xué)方程式并化簡成整數(shù)，得3Cu+8HNO3（?。?3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O。

其實，運用數(shù)學(xué)建模方法可以配平所有的化學(xué)方程式，且更易于學(xué)生理解化學(xué)方程式中“=”的意義。

3.多氧化合物反應(yīng)的化學(xué)方程式配平模型

以多氧化合物K2O2、KO2、KO3與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式為例，對比K2O2+H2O—KOH+O2，KO2+H2O—KOH+O2和KO3+H2O—KOH+O2可發(fā)現(xiàn)，它們的基本模型是K2O+H2O=2KOH，四個反應(yīng)中都生成了KOH，只是前三個反應(yīng)的生成物中還生成了O2，O2來自K2O2、KO2、KO3這些多氧化合物，把這些多氧化合物與基本模型中的K2O比較，存在這樣一條規(guī)律：K2O2比K2O多1個氧原子，因此1個K2O2與H2O反應(yīng)就產(chǎn)生1個O;2個KO2比K2O多3個氧原子，因此2個KO2與H2O反應(yīng)就產(chǎn)生3個O;2個KO3比K2O多5個氧原子，因此2個KO3與H2O反應(yīng)就產(chǎn)生5個O。于是，上述三個反應(yīng)就非常容易配平了。

K2O2+H2O=2KOH+1/2O2↑

2KO2+H2O=2KOH+3/2O2↑

2KO3+H2O=2KOH+5/2O2↑

再把上述三個方程式的化學(xué)計量數(shù)化為整數(shù)，可得：

2K2O2+2H2O=4KOH+O2↑

4KO2+2H2O=4KOH+3O2↑

4KO3+2H2O=4KOH+5O2↑

歸類整理多氧化合物反應(yīng)的化學(xué)方程式配平方法，可以得出如圖5所示的配平模型。

化學(xué)方程式的書寫是整個中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)的重點和難點，模型思想是化學(xué)學(xué)科的核心思想之一，用模型建構(gòu)的方法培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)方程式書寫中的系統(tǒng)性思維，進而提高其研究和解決問題的能力，是核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的初中化學(xué)教學(xué)改革的基本方向。

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注：本文系廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃A類課題“基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的初高中銜接教學(xué)策略研究”（2019A048）的階段研究成果。

作者簡介：廖小正（1967— ），廣西全州人，高級教師，主要研究方向為中學(xué)化學(xué)教學(xué)。

（責(zé)編 白聰敏）