對教學中幾個疑問的探討與思考

黃金泉

摘要：對化學教學中的4個案例提出了質疑。運用化學原理和實驗探究，分別剖析了這4個教學案例中產生疑問的原由，并提出了一些有益于教學的思考和建議，以期與同行交流，共同提高。

關鍵詞：教學案例；疑問探究；中學化學教學

文章編號：1005–6629（2015）3–0082–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

我們知道，教材是不可或缺的重要的文本。在讀懂、讀透、讀活教材的同時，融入自己的教學智慧，靈活地對教材內容進行整合和拓展，是我們每個教師所追求的高境界。然而實際教學過程中，有些教師缺乏對教材內容深入研究和思考，甚至曲解了教材編寫的意圖，對在教學中遇到的一些教學實際問題，常常想當然地進行所謂的“合理”解釋，結果不經意間導致了一些科學性錯誤，對學生產生了誤導。下面筆者就幾個常見的化學教學實際問題，淺談自己的一些思考。但愿這些思考能給同行們帶來一些啟示。

1 工業上用焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅時，產物生成CO是因為焦炭過量嗎？

在實際教學過程中，筆者經常聽到同行關于碳與二氧化硅反應為什么生成CO而不是CO2是這樣解釋的：由于反應過程中，焦炭過量，而過量的焦炭在高溫下會把CO2還原為CO，所以產物是CO。這樣的解釋對學生而言看似“合情合理”、“令人信服”，因為初中階段學生就已經熟悉碳可以在高溫下還原CO2生成CO的事實，果真如此嗎？筆者在江蘇“教學新時空”名師課堂高中化學，有幸聽到金陵中學江敏老師開設的一節“化學反應進行的方向[1]”的公開課，授課中江老師從學生已有的認知出發定性地解釋了高溫條件下，碳與SiO2反應為什么是生成CO而不是CO2的問題。她是從熵拉動反應的因素考慮的：焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅是一個置換反應，由于C的金屬性比Si的金屬性弱，不利于該置換反應的發生，因此需要熵來拉動。雖然生成1mol CO2的熵比生成1mol CO的熵要大，看似有利于反應向生成CO2的方向進行，但對比SiO2+2C=Si+2CO和SiO2+C=Si+CO2這兩個反應，很容易看出前者可以得到2mol CO，而后者只能得到1mol CO2，可見生成CO的熵值更大，更有利于“拉動”該反應的進行，所以是生成CO而不是生成CO2。筆者聽后很受啟發，圍繞該反應重新進行了審視和研究，查閱相關文獻，嘗試通過近似計算從定量的角度來進行解釋。有文獻[2]記載，可以利用熱力學參數，分別計算出碳與二氧化硅在高溫下反應生成CO、碳與二氧化硅在高溫下反應生成CO2時反應自發進行所需的溫度。具體計算過程如下：

若反應生成CO2，即發生反應SiO2+C=Si+ CO2則：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO2）+ΔfGθ（Si）]-[ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C）]=（-394.4 kJ·mol-1+0）-（-805.0 kJ·mol-1+0）=410.6 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常溫下該反應不能自發發生。經近似計算：ΔrHθ=465.89 kJ·mol-1；ΔrSθ=184.79 J·K-1·mol-1，根據ΔrG=ΔH-TΔS<0反應才能自發進行，推出只有T>2521.18K時，該反應才可能發生。

若反應生成CO，即發生反應SiO2+2C=Si+ 2CO，則：ΔrGθ=[ΔfGθ（CO）×2+ΔfGθ（Si）]-（ΔfGθ（SiO2）+ΔfGθ（C））=[（-137.3 kJ·mol-1）×2+0]-（-805.0 kJ·mol-1+0 kJ·mol-1×2）=530.4 kJ·mol-1>0 kJ·mol-1，常溫下該反應也不能自發進行。同理，根據ΔrG=ΔHTΔS<0反應才能自發進行，近似計算推出只有T>1766.88K時，該反應才可能發生。

經以上近似計算，在高溫條件下這兩個反應都能發生，但生成Si和CO的反應比生成Si和CO2的反應更容易進行，因生成Si和CO的溫度較生成Si和CO2低754.3K，從工業化生產角度來看SiO2與C在高溫下反應生成CO才符合生產實際。由此可見，工業上用焦炭在高溫下還原二氧化硅制粗硅時，產物生成CO并非是因為焦炭過量，而主要是因為生成CO時所需的溫度低的緣故。當然，對高一學生，筆者認為課堂上沒有必要就該反應向學生解釋為什么。但作為教師，要是非明確，清楚原由，切不可想當然地進行隨意解釋。否則，易對學生造成科學性誤導。

2 粗鹽中含有的Ca2+、Mg2+、SO42-等雜質，能否加入Ba（OH）2正好達到既除去Mg2+，同時又除去SO42-的目的？

3 室溫下，向飽和的Na2CO3溶液中通入足量的CO2氣體，沒有晶體析出是因為CO2氣體中混有HCl氣體的緣故嗎？

筆者在一次課堂教學展示活動中，聽取了一節課題為“Na2CO3與NaHCO3”的高三復習課。授課者在講授Na2CO3在一定條件下可以轉化為NaHCO3時，設計了這樣一個教學環節：首先，PPT投影思考題：室溫下，向飽和Na2CO3溶液中通入足量的CO2氣體，會有晶體析出，此晶體是什么（請用化學方程式表示）？析出晶體的主要原因是什么？然后引導學生相互交流討論，得出此晶體是NaHCO3，發生反應的化學方程式為CO2+H2O+ Na2CO3=2NaHCO3。析出晶體的主要原因是（1）生成的NaHCO3溶解度較Na2CO3小[注：Na2CO3的溶解度（20℃，21.5g）；NaHCO3的溶解度（20℃，9.6g）]；（2）Na2CO3轉化為NaHCO3后，生成的NaHCO3質量增加了。同時指出反應消耗了水，溶劑水變少了也是晶體析出的原因之一，但不是主要原因。為幫助學生加深理解和記憶，他還特意將該反應過程在課堂上進行實驗演示，具體步驟如下：向事先配好的飽和Na2CO3溶液（注：其配制方法是：向燒杯中加入一定量的蒸餾水，然后加入Na2CO3固體粉末，不斷地攪拌，直至燒杯底部有固體粉末剩余為止）中通入由大理石和稀鹽酸反應產生的CO2氣體，結果出乎學生們的意料，通了很長時間也沒有觀察到晶體的析出。于是他趁勢讓學生討論實驗出現異?，F象的原因。最后大家一致認為是通入的CO2氣體中混有HCl氣體，HCl氣體與溶液中的Na2CO3反應生成了NaCl，因而沒有NaHCO3晶體析出。由于課堂時間的關系，教師當時也贊成了這種說法，沒有將異?，F象的原因再深入探究下去。真實情況果真如此嗎？是因為CO2氣體中混有HCl氣體造成的干擾嗎？聽課過程中筆者產生了疑惑，課后就在實驗室里進行實驗驗證。

筆者先將大理石和稀鹽酸反應產生的CO2氣體，通過裝有飽和NaHCO3溶液的洗氣瓶，以除去可能混有的HCl氣體，然后再將凈化后的CO2氣體通入到事先配制好的飽和Na2CO3溶液（注：配制方法同上）中，大約通了20多分鐘，結果還是沒能看到晶體的析出！這樣就排除了HCl氣體的干擾。既然不是HCl氣體的干擾，那究竟是何原因導致了實驗的異常？筆者閱讀到了由游梅老師撰寫的“一個大膽的猜想贏來的成功[5]”一文，從中受到啟示，原來真正的“罪魁禍首”并非是CO2氣體中混有的HCl氣體，而是室溫下配制的所謂的“飽和”Na2CO3溶液，在很大程度上并不是真正的飽和溶液的緣故！為此，筆者按照游老師介紹的方法，先把較多量的Na2CO3固體粉末在煮沸狀態下的蒸餾水中進行溶解，配成較高溫度下Na2CO3的濃溶液，然后將溶液靜置，冷卻至室溫后過濾，在濾液中通入CO2，結果發現在15min左右有較多量的白色細小晶體析出（注：若事先在飽和Na2CO3溶液中加入少量的75%的酒精，析出效果會更好些）。將該白色細小晶體濾出、小心烘干并放入試管中加熱（試管用帶玻璃管的單孔橡皮塞封閉），將產生的氣體通入澄清石灰水中，結果溶液變渾濁，證明該晶體中確實有NaHCO3。筆者后來分析該實驗之所以難以成功，除了飽和Na2CO3溶液的因素外，還有一個主要的原因是CO2在水中的溶解度不大，導致通入的CO2只有很少一部分與飽和碳酸鈉溶液反應，其余大部分CO2都跑掉了。因此，要想順利獲得成功，必須注意以下幾個細節：一是要配制真正的飽和Na2CO3溶液；二是通入的CO2氣流要大且連續；三是通入CO2氣體的導管最好要插到試管底部，使CO2氣泡破碎成更細小的氣泡，以增大CO2氣體與飽和碳酸鈉溶液的接觸時間，使其能被Na2CO3溶液充分吸收。

4 NH3與CH4何者更穩定？

實際教學過程中，筆者在一些教輔資料中經?？吹剑骸氨容^NH3與CH4穩定性的強弱？”這一類問題，沒有任何前提和背景。這種說法妥當嗎？在蘇教版《必修2》[6]“元素周期律”這部分教材內容上，以信息提示的方式出現了這樣一段話：“元素的非金屬性越強，它的單質越容易與氫氣反應形成氣態氫化物，氣態氫化物越穩定”。由于N和C這兩種非金屬元素位于元素周期表第二周期相鄰位置，且C排在N的前面，根據同周期非金屬元素變化規律可知：N的非金屬性大于C，則NH3的穩定性大于CH4，這也是大多數教輔資料中提供的參考答案；但分子內部的鍵能也能反映出分子的穩定性?！巴ǔ?，鍵能愈大，鍵愈牢固，由該鍵構成的分子也就愈穩定[7]?！惫P者查閱了教材[8]上給出的鍵能數據，H-N鍵的鍵能為393 kJ·mol-1，H-C鍵的鍵能為413 kJ·mol-1，顯然H-C鍵的鍵能比H-N鍵的鍵能大，所以NH3的穩定性小于CH4；再從熱力學方面看，NH3和CH4的熱分解反應的熱力學數據如表2。

從熱力學數據中可以看出，NH3分解進行的趨勢比CH4分解趨勢大，NH3分解反應的熵變比CH4大，說明NH3比CH4分解所需的溫度低，因而NH3的穩定性小于CH4。NH3的穩定性不如CH4可以從物質結構方面加以解釋：CH4分子的形狀是正四面體形，具有高度的空間對稱性，使得CH4分子具有空間結構的對稱穩定性；而NH3分子中存在一個非鍵孤電子對，對成鍵電子具有排斥作用，使得NH3分子的形狀為三角錐形。NH3分子的對稱性不如CH4分子，導致NH3分子的穩定性較差，這也正符合物質結構決定物質性質這一化學思想?？梢?，NH3和CH4何者更穩定的比較問題較為特殊，它是一個違反元素周期律和電負性規則的特殊現象。因此，筆者以為不能僅從元素周期律的角度來對它進行考量。否則，易引起歧義，尤其是在試題創作時更應加以注意。

綜上所述，教學中在整合和拓展教材內容時，對一些看似簡單的問題，切不可想當然人云亦云，而要進行深入研究，探討問題的本質與內涵，做到真正把握教材編寫的意圖，以免產生一些科學性誤導。而這一誤導不僅僅是知識的誤導，更重要的是科學方法和科學思維的誤導，應該極力避免。

參考文獻：

[1][名師課堂高中化學]江敏.化學反應進行的方向[EB/OL].（2012-10-12）[2014-09-25]. http：//hx.jssjys.com/ Html/Article/2140/.

[2]白濤，魏群，陳榮.對“硅”教學中幾個疑問的探討[J].化學教學，2008，（3）：72～73.

[3]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科·化學1（必修） [M].南京：江蘇教育出版社，2014.

[4]郭琨編著.海洋手冊[M].北京：海洋出版社，1984.

[5]游梅.一個大膽的猜想贏來的成功[J].中學化學教學參考，2014，（7）：36～37.

[6]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科·化學2（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2013：5.

[7]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室.無機化學（上冊）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1995：255.

[8]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學.物質結構與性質（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：49.