電性分析：促進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解的重要手段
——以鈉、氯相關(guān)知識的教學(xué)為例

劉 瑩 趙 拯

（1.江陰市第二中學(xué) 江蘇 無錫 214400；2.江蘇省江陰高級中學(xué) 江蘇 無錫 214443）

一、問題的提出

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，明確地提出要進(jìn)一步增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解，并將化學(xué)學(xué)科理解定義為：教師對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識，它不僅是對化學(xué)知識的理解，還包括對具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解。［1］增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解是落實(shí)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要目標(biāo)，是提升學(xué)科教學(xué)專業(yè)化水平的重要依據(jù)。如何通過培育學(xué)生的核心素養(yǎng)來提升其學(xué)科理解力是非常值得研究的課題。眾所周知，高中元素化合物知識內(nèi)容豐富、反應(yīng)眾多、轉(zhuǎn)化復(fù)雜、應(yīng)用廣泛。如果沒有形成化學(xué)學(xué)習(xí)方法，往往呈散點(diǎn)式學(xué)習(xí)，所學(xué)知識孤立、分散，缺少知識間的聯(lián)系與對比，缺乏概念與理論之間的融合促進(jìn)，無法揭示其內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律，自然就無法形成化學(xué)核心素養(yǎng)，而大部分教師對此認(rèn)識不足，主要原因就是學(xué)科理解不夠。近年來，應(yīng)用于真實(shí)化學(xué)問題情境的高考化學(xué)試題呈不斷上升趨勢，但師生對于該試題的解答卻往往不得要領(lǐng)，表層原因是元素化合物知識學(xué)習(xí)不得要領(lǐng)，深層次原因在于對化學(xué)反應(yīng)過程的本質(zhì)認(rèn)識不深、思維訓(xùn)練不足。受到有機(jī)反應(yīng)機(jī)理中電性分析的啟發(fā)，筆者嘗試對高一鈉和氯元素相關(guān)知識進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從學(xué)科理解角度來啟發(fā)研究學(xué)習(xí)的新視角，共同提高師生對化學(xué)學(xué)科的深度理解。

二、研究思路

化學(xué)原理和化學(xué)知識是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)、螺旋式上升的?；瘜W(xué)原理性知識是化學(xué)元素知識的內(nèi)在本質(zhì)表現(xiàn)，只有對原理性知識有深入理解，才能立體地掌握化學(xué)元素化合物基本性質(zhì)；化學(xué)知識的遷移應(yīng)用是化學(xué)元素知識的外在實(shí)用體現(xiàn)，表現(xiàn)出化學(xué)知識學(xué)習(xí)的意義和價(jià)值。在有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，東北師范大學(xué)的鄭長龍團(tuán)隊(duì)就通過醛的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行學(xué)科理解研究。［2］其中一個(gè)重要的觀點(diǎn)，就是從電子云角度和鍵的極性來預(yù)測和驗(yàn)證醛類性質(zhì)。根據(jù)學(xué)生已有的知識水平，我們將電子云、分子極性等知識簡化為電性作用，同時(shí)利用氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)的相關(guān)內(nèi)容知識，在一定層面上解釋和預(yù)測化學(xué)變化中的一些原理性知識?；瘜W(xué)學(xué)習(xí)是累積、遞進(jìn)式進(jìn)行的，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，筆者采用整本書整體設(shè)計(jì)，采用“左顧右盼，瞻前顧后”的方式進(jìn)行備課，具體為學(xué)習(xí)鈉和氯元素相關(guān)性質(zhì)時(shí)，回顧運(yùn)用前面學(xué)過的氧化還原、離子反應(yīng)等相關(guān)知識，也為后續(xù)的元素原子性質(zhì)和化學(xué)鍵等內(nèi)容積累素材；同時(shí)在類似知識之間進(jìn)行比較，尋找相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，從而整體認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)。

三、教學(xué)過程主要片段

在進(jìn)行高一必修1 的教學(xué)時(shí)，全教研組對全書內(nèi)容通讀研究，厘清內(nèi)在邏輯性，特別在物質(zhì)分類與轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)和離子反應(yīng)等知識的教學(xué)時(shí)，就考慮到后續(xù)元素化合物知識的需求，同時(shí)將最后一章的元素周期律相關(guān)內(nèi)容在講授元素性質(zhì)時(shí)有意識地滲透。在教學(xué)實(shí)踐中，我們在學(xué)習(xí)離子反應(yīng)、電解質(zhì)時(shí)，花了較多時(shí)間來建立微粒電性模型。具體設(shè)計(jì)如下：

1.氯化鈉是如何溶于水的？初步建立微粒電性模型

氯化鈉固體溶于水，學(xué)生的直觀感受集中在固體體積變小并消失上。如果這樣描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思維仍停留在宏觀層面。在電解質(zhì)概念學(xué)習(xí)時(shí)，以氯化鈉為例，教師通常聚焦于溶液中自由移動的鈉離子與氯離子，認(rèn)為電離是在水的作用下氯化鈉離解成氯離子和鈉離子，通過電離方程式書寫后就結(jié)束了該內(nèi)容的教學(xué)。在初三化學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生已具備氯化鈉由氯離子和鈉離子組成的基本認(rèn)識。在高中教學(xué)時(shí)，我們不僅要將眼光放在氯離子和鈉離子上，更需要關(guān)注到水分子的作用，要啟發(fā)學(xué)生關(guān)注微觀層面，結(jié)合圖像從微觀層面來想象鈉離子和氯離子是怎么被水分子“抬”入溶液。根據(jù)教材圖片信息提示（見圖1），引導(dǎo)學(xué)生觀察水分子在鈉離子和氯離子周圍的取向，將之類比于磁鐵的磁性作用，建構(gòu)水分子電性模型：氧原子吸引電子能力比氫原子強(qiáng)，所以在氧原子一邊顯負(fù)電性，氫一頭顯正電性，化合價(jià)的正負(fù)性與之呼應(yīng)。根據(jù)電性的信息，對水分子建構(gòu)一邊帶正電，一邊帶負(fù)電的微粒電性模型，見圖2：

圖1 氯化鈉固體溶于水的微觀表征

圖2 氯化鈉固體溶于水的微觀表征

該模型能很好地從微觀層面解釋氯化鈉在水中的電離機(jī)制。那這個(gè)模型是否具有一定的科學(xué)性呢？那就帶領(lǐng)學(xué)生用摩擦毛皮的塑料棒吸引細(xì)水流實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證（如圖3所示）。我們繼續(xù)擴(kuò)展：如何解釋氯化氫極易溶于水？氯化氫中由于氯原子和氫原子對電子吸引力不同，氯原子端顯負(fù)電，氫原子端顯正電，在水分子的電性作用下發(fā)生“撕裂”成自由移動的陰陽離子。

圖3 水流在電性作用下偏轉(zhuǎn)

評析：宏觀辨識與微觀探析是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分。在高中教學(xué)中，要注意培養(yǎng)學(xué)生從宏觀層面深入到微觀層面的認(rèn)識視角。通過整本書的設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為，在水分子電性模型上花精力是值得的，因?yàn)楹罄m(xù)很多內(nèi)容都能通過微粒電性模型來解釋與推理。雖然氯化鈉溶于水并不是難點(diǎn)，但其中水分子作用及其機(jī)理卻是值得深入研究的。鑒于學(xué)生認(rèn)知，水分子微粒電性模型時(shí)，顯得相對粗糙，甚至不夠嚴(yán)謹(jǐn)，但模型構(gòu)建主要揭示其關(guān)鍵要素，忽略次要因素。如何判斷模型的優(yōu)劣，關(guān)鍵在于能否解釋現(xiàn)象，解決問題。

2.進(jìn)一步厘清并補(bǔ)充適量的原理性知識，為學(xué)生的積極建構(gòu)提供足夠的支持

在學(xué)習(xí)鈉和氯相關(guān)性質(zhì)知識之前，復(fù)習(xí)回顧1-18號元素符號和原子核外電子排布式。再針對原子核外電子排布，介紹因發(fā)現(xiàn)了六種稀有氣體，1904年的諾貝爾化學(xué)獎授予了英國化學(xué)家威廉·拉姆塞的化學(xué)史。為什么稀有氣體的發(fā)現(xiàn)如此重要呢？因?yàn)橄∮袣怏w揭示了各種元素原子核外電子得失趨向的問題。我們知道，化學(xué)變化往往是最外層電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。為此，我們介紹電子式，讓學(xué)生明確電子式的特點(diǎn)和意義。明確原子間可以通過電子轉(zhuǎn)移形成相對穩(wěn)定的水分子、氯氣、氯化氫和氯化鈉等物質(zhì)。

評析：化學(xué)是在分子、原子角度研究物質(zhì)組成和性質(zhì)的學(xué)科。原子最外層電子與化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，根據(jù)這個(gè)邏輯很順暢地引入電子式，并通過這種化學(xué)用語來表示常見的物質(zhì)。其中，諾獎的引入以及稀有氣體的單原子分子的事實(shí)，讓學(xué)生感受到電子式的意義與價(jià)值。雖然這部分內(nèi)容是安排在必修1 第四章“物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素周期律”中，但教學(xué)中將之提前引入并應(yīng)用，并不感覺到突兀。當(dāng)然，也只介紹最常見且馬上需要的物質(zhì)電子式，學(xué)生學(xué)習(xí)難度并不大。事實(shí)上，電子式的提前引入和應(yīng)用，也為后續(xù)化學(xué)鍵提供了大量事實(shí)性的素材，有利于化解化學(xué)鍵過于抽象的問題。

3.鈉相關(guān)化學(xué)反應(yīng)原理的研究，初步運(yùn)用微粒電性模型來表示物質(zhì)的反應(yīng)

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，這是化學(xué)學(xué)科的大概念。根據(jù)鈉原子的結(jié)構(gòu)示意圖，預(yù)測金屬鈉具有很強(qiáng)的還原性。根據(jù)鈉與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出鈉與氧氣反應(yīng)生成氧化鈉、過氧化鈉。在此基礎(chǔ)上，師生合作寫出鈉與氧原子的電子式來表示形成氧化鈉和過氧化鈉的過程。通過符號表征，深刻觀察到鈉與氧原子之間的電子轉(zhuǎn)移情況。觀察氧化鈉的電子式，氧化鈉中O2-離子，與水接觸時(shí)即發(fā)生電性作用分裂為兩個(gè)OH-，電子式表示如下：。這樣推理是否有道理呢？進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氧化鈉加水再滴入酚酞變紅，確實(shí)發(fā)生了反應(yīng)。接著進(jìn)行過氧化鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，感受到試管壁發(fā)燙，滴加酚酞，溶液先變紅后褪色，并產(chǎn)生使帶火星的木條復(fù)燃的氣體。有了前面模型推演的基礎(chǔ)，師生共同合作進(jìn)行了電子式推理，分析如下實(shí)驗(yàn)過程中有氫氧根生成，使酚酞變紅；過氧化氫的氧化性使酚酞漂白而褪色；反應(yīng)放熱過氧化氫受熱分解。

評析：在鈉與氧氣的反應(yīng)中，師生合作練習(xí)電子式的表示方式。針對氧化鈉，借助水分子的微粒電性模型，與氧化鈉中的O2-離子發(fā)生作用，預(yù)測并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說明了微粒電性模型的有效性，同時(shí)與電子式的符號表征得到印證。對于現(xiàn)象相對復(fù)雜的過氧化鈉與水的反應(yīng)，我們先實(shí)驗(yàn)演示，再用電子式的電性作用推理，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行互相驗(yàn)證，初步形成了用電子式結(jié)合微粒電性模型研究化學(xué)反應(yīng)的方法。整個(gè)過程，學(xué)生既感覺到具有很大的挑戰(zhàn)性，又體驗(yàn)到明顯的成就感，這對于激發(fā)學(xué)生勤于思考、樂于探究，具有很好的引領(lǐng)作用。

4.深入探索氯氣與水反應(yīng)機(jī)理，提升對電性作用模型遷移應(yīng)用能力

通過前面的探索，我們堅(jiān)定了化學(xué)學(xué)習(xí)是有規(guī)律的，規(guī)律是可以探索的。教師的重要作用是提供工具，啟迪方法，激勵自主探究。下面進(jìn)一步研究氯氣溶于水的實(shí)驗(yàn)。首先提出問題：氯化氫在水中溶解度極大，但為什么氯氣的溶解度就不大呢？寫出兩種氣體的電子式，氯化氫對外顯電性作用，而氯氣分子Cl Cl，由于電荷均勻分布，所以不像氯化氫那樣對外顯電性，根據(jù)微粒電性作用很容易解釋氯氣在水中的溶解度相對比較小的原因。將氯氣通入水中形成飽和溶液，在其中滴加硝酸銀溶液，有白色沉淀析出，說明氯氣與水發(fā)生了反應(yīng)。這就與氯氣不顯電性，難以與水分子作用產(chǎn)生認(rèn)知沖突了。教師啟發(fā)：鐵塊沒有磁性，但如果被磁鐵吸引，也有可能產(chǎn)生磁性。那么氯氣分子在水分子電性的“誘擾”下，氯分子可能在端點(diǎn)上顯示少量的電性，在這少量電性的作用下，水分子帶負(fù)電性的部分就會與正電性部分的氯原子作用，并形成HOCl（習(xí)慣上寫成HClO，即次氯酸），另一個(gè)氯原子轉(zhuǎn)化為Cl-，水中一個(gè)氫原子轉(zhuǎn)化為H+，電性模型分析：。當(dāng)然水分子對氯分子的“誘擾”作用是微弱的，自然氯氣與水反應(yīng)程度也很微弱。而產(chǎn)物氯離子也是帶有負(fù)電性，次氯酸中的氯原子又與氧共用電子，共用電子偏向氧原子而帶正電性（化合價(jià)為+1），那么，兩個(gè)不同的氯之間同樣會有電性作用，反向結(jié)合成氯氣的趨勢，而且一旦兩個(gè)氯結(jié)合成氯氣，次氯酸剩余部分就生成負(fù)電的OH-，溶液中的H+與OH-迅速結(jié)合成水分子。這種對于反應(yīng)本質(zhì)的研究，對于后期可逆反應(yīng)的建構(gòu)具有極大的促進(jìn)作用，還有一個(gè)額外收獲就是意識到體系的酸堿性在一定程度上也會影響反應(yīng)的進(jìn)行。理論必須要通過實(shí)踐檢驗(yàn)才能有生命力。同樣通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，將潔廁劑（主要成分是濃鹽酸）和84 消毒液（主要成分是NaClO）混合，就會發(fā)生上述反應(yīng)，很明顯產(chǎn)生有毒氣體氯氣。

評析：在傳統(tǒng)的教學(xué)中，大家比較推崇實(shí)驗(yàn)探究來分析氯水的成份，通過實(shí)驗(yàn)中各成分共存來說明該反應(yīng)是可逆反應(yīng)。這種推理是有一定的瑕眥的，因?yàn)闊o法反駁該反應(yīng)速率小的假說。而這里通過電性作用進(jìn)行研究，不僅成功地克服了反應(yīng)物與生成物共存是速率還是限度的問題，而且還能為深入研究次氯酸是怎么分解的，是如何漂白的，以及為什么氯水長時(shí)間放置最終會轉(zhuǎn)變?yōu)橄←}酸的一系列問題打下基礎(chǔ)。如何把握好這一系列的問題契機(jī)，都顯示出教師對課堂的把控能力，顯示出教師對核心素養(yǎng)的認(rèn)識層次以及教師對化學(xué)學(xué)科的理解力。

四、結(jié)語

分子電性模型作為學(xué)習(xí)化學(xué)的重要認(rèn)知工具，通過簡單易懂的原理，在化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理認(rèn)識和結(jié)果解釋過程中發(fā)揮了非常有意義的作用。有研究認(rèn)為：基于預(yù)測的認(rèn)識過程會讓大腦釋放多巴胺，促進(jìn)前額皮層的活動，大腦體驗(yàn)到這種活動的價(jià)值，會付出更多的努力投入到認(rèn)識活動中。［3］我們的這種教學(xué)方式，極大地激發(fā)了學(xué)生的研究熱情。在教學(xué)實(shí)踐中，在建構(gòu)電性分析模型后，學(xué)生馬上主動地進(jìn)行反應(yīng)過程的預(yù)測，不斷嘗試，不斷提問，享受著探索的樂趣。教師更多的是要發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的契機(jī)，不失時(shí)機(jī)地提出疑問，鼓勵科學(xué)探究，訓(xùn)練化學(xué)思維，并且在與學(xué)生一起探索的過程中，不斷提升化學(xué)學(xué)科理解力。