物質分離的思維模型建構及其應用建議

陳鍵 胡志剛

摘要： 基于“將混合物狀態組合轉化為可直接分離的狀態組合”的核心思路，建構有別于傳統的“物質分離的思維模型”，其中包含“原狀態組合-直接分離方法”對應表以及“原狀態組合-轉化方法”對應表。并提出“物質分離的思維模型”的應用建議，以提高學生應用“物質分離的思維模型”解決相關問題的能力，發展“模型認知”“科學探究”等化學學科核心素養。

關鍵詞： 狀態組合轉化； 物質分離； 思維模型； 條件性知識

文章編號： 1005-6629（2023）04-0091-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

物質分離對于化學科學研究及化工生產具有重要的價值［1］，是中學化學實驗教學的核心內容。對于物質分離的核心思路，課程標準、教材和實際教學都重點強調“利用混合物各組分性質的差異進行考慮”，例如《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》主題1中的學業要求明確規定：能根據物質性質的差異選擇物質分離的實驗方法［2］。但是，當考慮物質分離的方案時，首先應關注“混合物各組分的狀態（固態、液態、氣態）”，若這些組分的狀態組合可直接分離（例如“固液”），則可直接選擇相應的分離方法（例如過濾），若這些組分的狀態組合不可直接分離，則可利用物理方法或化學方法將其轉化為可直接分離的狀態組合。而傳統的“利用混合物各組分性質的差異進行考慮”只是實現“不可直接分離的狀態組合轉化為可直接分離的狀態組合”的一種策略，如果只強調策略本身而忽視了策略所指向的目標，缺乏對目標這一問題成分的分析，會使“物質分離”活動失去方向，必然不利于“物質分離”活動的理解和開展。因此，本文試圖基于“將混合物狀態組合轉化為可直接分離的狀態組合”的核心思路，重新建構“物質分離的思維模型”，以提高學生設計和開展相關活動的能力，發展“模型認知”“科學探究”等化學學科核心素養。

1? 初級思維模型建構

通過對物質分離活動的具體案例分析，建構了“物質分離的初級思維模型”（見圖1）。由圖1可知，物質分離活動的第一步為“狀態分析”，即分析混合物各組分的狀態（固態、液態、氣態）。接著，判斷欲分離的各組分（這里所謂“組分”，可以是單一物質，也可以是物質組合）間的狀態組合能否直接分離。不難理解，不需任何操作，能夠天然直接分離的狀態組合為“固氣”“液氣”組合——本文將氣體溶于液體的情形視為“質劑（溶質與溶劑）”組合，正因為不需要任何操作，因而對于這兩種狀態組合，不需要人為地選用分離方法進行分離活動。而不需進行狀態轉化便可進行分離的狀態組合為“固液”和“液液（不互溶）”，本文將這兩種情形也視作“可直接分離的狀態組合”，可見，“可直接分離的狀態組合”以異態組合為主。比較特殊的是，對于“固固（半磁性）”的情況，比如鐵粉與鋅粉混合物的分離，可利用鐵粉與鋅粉的磁性差異，使用磁鐵進行，亦不需要進行狀態轉化，本文將這種情形也視作“可直接分離的狀態組合”。此外，需要說明的是，此處“半”為泛指，意為部分，如此處理，便于朗讀和記憶（下同）。若欲分離的各組分間的狀態組合能夠直接分離，則需依據“狀態組合-直接分離方法”初級對應表（見表1）選用相應的分離方法。對應表的實質是條件性知識，回答了“在什么時候運用某種程序性知識或陳述性知識”的問題［3］，如此將條件性知識用表格的形式進行表征外顯，有利于學生通過情境線索精準地提取相應的分離方法。若欲分離的各組分間的狀態組合不能夠直接分離，則可利用物理方法或化學方法將其轉化為可直接分離的狀態組合。應優先轉化為天然的可直接分離的狀態組合（固氣、液氣），其次才考慮轉化為其他可直接分離的狀態組合，即“固液”或“液液（不互溶）”組合。畢竟前者完成后就不需要轉到“選擇相應方法”的環節，后者則還需轉到“選擇相應分離方法”的環節。

2? 初級思維模型的優化

2.1? “原狀態組合-直接分離方法”初級對應表的優化

圖1所示“物質分離的初級思維模型”在實際運用中的難點與關鍵點在于“轉化為可直接分離的狀態組合”環節。前文已提及，應優先將“原狀態組合”轉化為天然的可直接分離的狀態組合（固氣、液氣），依據這樣的思路，可將“液液（可互溶）”原狀態組合轉化為“液氣”狀態組合，所對應的分離方法為蒸餾或分餾；可將“氣氣”原狀態組合轉化為“液氣”狀態組合，所對應的一種分離方法為冷凝，亦可將“氣氣”原狀態組合轉化為“固氣”狀態組合，但此種情形在中學階段較少見，本文不予討論；可將“固固（半升華）”原狀態組合轉化為“固氣”組合，所對應的分離方法為升華。此前所列的三種原狀態組合“液液（可互溶）”“氣氣”“固固（半升華）”，因其狀態轉化和分離過程合一，本文將其視為廣義的“可直接分離的狀態組合”，并添加入表1形成表2“原狀態組合-直接分離方法”對應表。這樣，在“判斷能否直接分離”這一環節時，針對這四種情形，學生就可以利用表2迅速完成任務，而不需要進入到“轉化為可直接分離的狀態組合”環節。此外，需要強調的是，表2“直接分離方法”一列中，蒸餾或分餾、冷凝、升華都有標注各自方法產生的策略，這樣處理是希望學生在使用該表時，不要機械記憶，而應結合策略理解對應的分離方法。

2.2? “原狀態組合-轉化方法”對應表的建構

對于廣義“可直接分離的狀態組合”之外的其他狀態組合，就需要依據具體的真實情境，進行“轉化為可直接分離的狀態組合”環節。針對中學化學教學實際，本文重點分析了“原狀態組合”為“固固”“質劑或質質”這兩種相對常見的情況，得出相應的轉化方法（見表3），并在此基礎上對圖1所示的物質分離的初級思維模型進行優化得到如圖2所示的物質分離的思維模型。這里的“固固”是除去“固固（半升華）”“固固（半磁性）”特殊情況之外的常規“固固”情形?！百|劑或質質”中“質”代表“溶質”，“劑”代表“溶劑”（本文主要討論溶劑為液體的情況），之所以把“質質”和“質劑”放在一起討論，是因為它們的處理方式大致相同，因此，本文主要討論“質劑”情況?！百|質”情況的處理可參照“質劑”的處理方式。

對于“固固”原狀態組合，通常將其轉化為“固液”狀態組合以實現混合物的分離，即將其中一種組分轉化成液態或者進入溶液。至于轉化方法的具體選用，需依據物質各組分性質的差異，選擇不同的轉化方法。若固體混合物各組分的溶解度差異較大，即部分可溶、部分難溶，則可使用溶解的方法使混合物轉化為“固液”狀態組合，這種方法需要考慮被溶解組分的復原問題。若固體混合物各組分皆可溶但其溶解度隨溫度變化差異較大，可使用溶解的方法使混合物轉化為“質質”狀態組合，再進行相應處理。若固體混合物各組分的化學性質差異較大，即其一可與某種液體（含溶液）發生化學反應，而另一組分無法與該種液體發生化學反應，則可使用加入該種液體的方法。當然，這種方法也要考慮被轉化組分的復原問題，若不易復原，可另覓他法。若固體混合物各組分的熔點差異較大，也可考慮通過加熱的方法使其中熔點低的組分先變成液態，從而實現“轉化為‘固液’狀態組合”的目的，當然，前提是兩種組分不易受熱分解。這種方法在中學不常用，因此沒有列入表3中，但在實際教學中可用于拓展學生的思維。此外，對于某些特殊情況，可用化學方法使“固固”原狀態組合轉化為“固氣”狀態組合，例如氯化鈉與氯化銨固體混合物的分離，可使用加熱的方法使氯化銨固體全部分解為氣體，后續再使分解的氣體重新化合成氯化銨固體，實現物質分離的目的。

對于“質劑”原狀態組合，欲將其轉化為可直接分離的狀態組合，中學階段常見的處理方法是將其轉化為“固液”或“液氣（或固氣）”狀態組合。對于前者，如果溶質的溶解度隨溫度變化較大，可采用蒸發濃縮、冷卻結晶的方法；還可使用合適的沉淀劑使溶質從溶液中沉淀出來，這種方法要考慮被轉化組分的復原問題。欲將“質劑”原狀態組合轉化為“液氣（或固氣）”狀態組合，如果溶質不易揮發，可采用蒸發結晶的方法使溶劑轉化為氣體（未列入表格）；如果溶質易揮發，可使用加熱（或蒸餾）的方法使溶質轉化為氣體，但不適用于恒沸溶液，此種情形與“液液（可互溶）”有所重合；還可使用合適的試劑使溶質轉化為氣體從溶液中分離出來，這種方法需要考慮被轉化組分的復原問題。此外，還可使用萃取的方法，使“質劑”原狀態組合轉化為“液液（不互溶）”狀態組合。對于“質質”原狀態組合，可參考“質劑”原狀態組合的處理方式，其不同之處主要在于需根據溶質的性質差異來實現分批次轉化。

此外，本文想說明兩點：其一，對于“氣氣”原狀態組合，亦可使用洗氣（原理為溶解或與洗氣液發生化學反應）的方法將“氣氣”原狀態組合轉化為“液氣”狀態組合，但后續需考慮液體中原組分的復原與二次分離的問題，沒有冷凝的方法簡便，因而沒將洗氣的方法列入表3中；其二，對于“氣氣”和“質質”原狀態組合的混合物，還可使用色譜法（亦稱層析法）進行分離，但因中學階段對其要求不高，故而不列入相關對應表中，實際教學中可適當介紹，以拓展學生視野。

3? 思維模型的應用建議

在課堂教學中引導學生建構和使用“物質分離的思維模型”時，應突出“狀態組合”的轉化觀，形成“利用物質性質差異將混合物狀態組合轉化為可直接分離的狀態組合”的核心思路，以此統攝“物質分離的思維模型”及相關的對應表，實現“物質分離的思維模型”的深度理解和遷移應用［4］。應杜絕機械記憶，以免增加學生的學習負擔。

“物質分離的思維模型”蘊含程序性知識，應給學生創設足夠的機會使其在不同的問題情境中運用，以促進該思維模型的內化與自動化，實現程序性知識由“技術的知識”轉化為“實踐的知識”［5］?！拔镔|分離的思維模型”中的對應表是一類條件性知識，應幫助學生真正理解“方法應用的情境”與“方法”之間的內在邏輯關聯，辨別“方法應用的情境”之間的差別，實現條件性知識的精準應用。對應表的教學應遵從循序漸進的原則，例如“原狀態組合-直接分離方法”對應表的教學，可先引導學生建構初級對應表，再向完整的對應表進階。

應靈活運用對應表，可視具體情況自行調整與增減。教學中應突顯重點分離方法和轉化方法，不應過分追求全面系統。思維模型及對應表的使用可拓展到除雜、提純活動，因為分離與除雜、提純的核心思路是一致的，主要差別僅在于后者不需要考慮雜質組分的復原問題。

本文僅是基于“混合物狀態組合轉化的視角”探討物質分離的思路，在指導學生進行物質分離活動時，還應結合其他視角進行分析，例如：分離操作是否簡單、快捷？分離方案是否經濟、高效？從而更切合真實情境的需要。

參考文獻：

［1］沈從超. 高考題中的物質分離與提純［J］. 化學教學， 2008， （3）： 53～55.

［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 14.

［3］Bruning R.H.， Schraw G.J.， Norby M.M.， et al.. Cognitive psychology and instruction ［M］. New Jersey： Pearson Prentice Hall， 2003： 87.

［4］陳進前. 關于化學認識模型的思考［J］. 中學化學教學參考， 2020， （9）： 1～4.

［5］周志平. 論程序性知識及其教學［J］. 教育理論與實踐， 2001， （4）： 50～53.