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化学教学常见的问题例析

在中学化学教学中,有一些常见的问题或错误,往往由于见多了,被忽视.有些已经流传很广,见怪不怪了。仔细分析、探讨这些问题,应该是一件有趣且有意义的事。例如,以下的两类问题,就值得讨论。

(1)怎样对待教材在一些问题上的简化处理或模糊说法?

教材中对许多问题的分析或是采取合理的简化、纯化的方法,或是在特定条件下通过个案分析强调某种因素。我们如果不注意,在理解和运用上就容易出现简单化、绝对化的毛病,还可能以点带面,以偏慨全,得出错误结论。例如,金属和硝酸的作用,教材虽然指出反应时“硝酸中的氮被还原为低价化合物”,但着重介绍的是铜和浓、稀硝酸的反应现象和反应方程式。一些教师往往从这两个实例,概括出“金属和浓硝酸作用放出二氧化氮气体,和稀硝酸作用放出一氧化氮气体”的结论。又如,教材在分析一些电解、电镀的电极反应和总反应时,往往都用“在这种条件下……”为提示语,指明所分析的变化是在一定条件下发生的。这种提示是不可忽视的。一些教辅、一些教师,整理出一些无视电解实际条件的电极反应规律(离子在电极上放电顺序),要学生记住并用于实际问题分析,难免要出错误。那些顺序、规律充其量只是常见离子在相同条件下的氧化(还原)难易顺序。

再如,教材只简单介绍电化腐蚀常见的两种情况(析氢腐蚀、吸氧腐蚀)。有些老师理解绝对化,机械地认为钢铁在酸性介质中只发生析氢腐蚀,在中性或碱性介质中只发生吸氧腐蚀,且前者快于后者。

实际上,钢铁的腐蚀,化学腐蚀、电化腐蚀、吸氧腐蚀、析氢腐蚀并非互相对立的,在很多情况下可以同时存在。那种腐蚀是主要的,要视条件而定。就电化腐蚀而言,析氢腐蚀还是吸氧腐蚀哪个是主要的,要看介质的酸碱性、氧气的浓度大小等因素。

在钢铁电化腐蚀中,铁做阳极,被氧化,而碳作为阴极,在阴极上发生的反应,不同条件下是不同的。最常见的有:

①在缺氧条件和酸性溶液中(在氢超电势较小的金属材料上),容易发生H离子还原成氢气的反应(析氢腐蚀)

2H+2e-→H2(电极电势 0.0V)

 ②在中性或碱性溶液中氧气还原成OH离子

O2+2H2O+4e-→4OH。(电极电势 0.401V)

在酸性环境中,氧气还原成H2O的反应

O2+4H+4e-→2H2O(电极电势1.229V)”

以上两种反应都属于吸氧腐蚀。

钢铁发生腐蚀的趋势、程度、速率与环境温度、与其接触的电解质成分、介质酸碱度、氧气浓度、钢铁中的杂质等因素有关。不考虑这些因素机械套用下列所谓“规律”是错误的:作为电解池的阳极材料〉作为原电池的负极>铁的吸氧腐蚀>原电池的正极(Fe)>电解池的阴极(Fe)

再一个例子是更为常见的问题。有些教师依据教材中铜锌原电池工作原理示意图及其工作原理分析,“挖掘”归纳出原电池的构成条件(用导线连接活泼性不同的两个金属电极浸入电解质溶液,其中之一能溶解于电解质溶液,形成闭合回路)。这一总结只说明,如图那样的装置提供了这些条件,因而有原电池反应发生”。不能由此得出“只有具备这些条件才能构成原电池,才能发生原电池反应。”(在高中化学教学中怎样处理原电池反应发生的条件、原电池构成的条件,我在另一博文中已作分析,不在赘述。)

(2)能否依据流行的一些试题,补充扩展教学内容?

流行的一些练习、试题,有不少是科学性、思考性、启发性俱佳的好题,可以加深、扩展我们对化学概念、原理的理解和认识。但也有一些怪题、错题,如果不做分析研究,从题目中抽象、概括出一些“规律”“原理”,扩充一些新知识,就会被这些怪题、错题误导。

下面举几个不妥的试题做分析。

例1. 合金是两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。分析下表中的数据,不能形成合金的是


Na

Cu

Al

Fe

熔点/℃

97.8

1083

660

1535

沸点/℃

883

2567

2467

2750

A.铜与铝                    B.铜与铁                  C.铁与钠                   D.钠与铝

答案:C

编写试题的人认为,C组中,钠的沸点比铁的熔点低,加热它们的混合物,还没等铁熔化,钠已经汽化了,因此无法熔合而成合金。其他三组都不存在这种情况,可以形成合金。这里应用的推断依据是:“如果一种金属的熔点高于另一种金属的沸点,则不能形成合金, 因为前者还没有熔化后者已经气化了。” 实际上这是没有理论和实验依据的论断,有些老师不假思索,在有关合金内容的教学中补充了这个错误规律。实际上想想汞合金、生铁的形成,就可以发现这是片面的说法。

例2.镁带表面呈现灰黑色。用砂纸磨下镁带表面固体粉末,在空气中强热,有水气生成;另取粉末,加入稀酸,产生气体导入澄清石灰水中,产生混浊。将灰黑色的镁条在纯氧中点燃,燃烧产物中有黑色物质生成。问镁条表面的灰黑色物质的组成是什么?

答案:碱式碳酸镁。

试题编写者从铜在潮湿空气中锈蚀生成碱式碳酸铜,论断镁也会发生如此变化。对镁带表面呈现灰黑色的原因,存在争议。北大严宣申教授认为Mg的表面膜中含氧化镁和氮化镁(《化学实验的启示与科学思维训练》P43)。还有人认为是氧化膜,只不过因为,它的晶体结构和粉末状氧化镁不同,表面特别致密、颗粒度极小,能吸收可见光呈灰黑色。把对有争议的问题,用未经过实验和理论验证的结论做试题,让学生通过编造的实验来论证,是不应该的。流行的练习、试题中有不少这样的试题。如果不做分析研究,不辩正误,从这些试题引出错误的结论和知识,往教材中补充,教个给学生,就出问题了。

例3. CO2、CO、NO2、NO以等体积混合,通过足量的过氧化钠,剩余气体的成分是什么?

答案:NO2与CO

高中教材中没有介绍CO、NO2、NO与过氧化钠的作用,编题人就认为是不能发生反应的。因此来编题作答。实际上从热力学角度分析,在常温常压下,NO2、NO、CO与过氧化钠反应依次生成NaNO3、NaNO2、Na2CO3的自由能都是负值,反应趋势比CO2还大, 有人也用实验证明这些反应能发生。如果在教学中,补充说CO、NO2、NO与过氧化钠不反应,那就会在无意间骗了自己骗了学生。

在中学化学教学中,还有一些常见问题或错误,有的是一些老师已经意识到并注意纠正的。但往往由于没有找到问题产生的根源,往往一个问题纠正了。另一个类似的问题又产生了。有的是用我们已有的知识难以回答的,我们免为其难的去说明、解释或研究,难免发生偏颇或不能自圆其说,自己糊涂,学生听了也糊涂。

(1)忽视经验规律的适用条件,随意运用。

老师们常常从硫酸与醋酸钠反应能生成醋酸、盐酸与碳酸盐反能应生成二氧化碳,而逆向反应无法进行等事例,归纳出“强酸可以制备弱酸”的经验规律,并进而得出比较两种酸酸性强弱的推理方法。例如,二氧化碳可以与苯酚钠溶液反应析出苯酚,而碳酸氢钠不能,可以推理出碳酸、苯酚、碳酸氢根离子的酸性依次减弱。但如果运用这个经验规律,从二氧化碳与次氯酸钙作用能生成次氯酸的反应得出碳酸比次氯酸酸性强,从硫酸酸性比氢硫酸强得出硫化氢通入硫酸铜溶液不可能生成硫酸,则是错误的。有的老师认为发生这一错误的原因是没有认识事物变化有规律性也有特殊性。没有认识上述两个反应的发生是不符合普遍规律的特例。要求学生“既要记住规律也要注意特例”。事物的变化有规律也会有特例,这种看法本身并没有错。但是上述两个反应“不符合”经验规律的原因不是“特殊性与规律性的”问题,而是这两个反应发生的条件与“强酸可以制备弱酸”的经验规律适用的条件不同。“强酸可以制备弱酸”的反应规律实际上是相对容易电离的酸提供了氢离子与酸性更弱的酸的酸根离子结合的结果。即,酸的电离难易决定了反应的方向。这个规律不适用于上述两个反应发生的条件。从反应本质看,硫化氢与硫酸铜溶液反应的本质是硫化氢在溶液中电离出的硫离子与铜离子间结合成难溶性的硫化铜沉淀。并非是氢离子与硫酸根离子结合成硫酸。二氧化碳与次氯酸钙溶液能发生反应,既有氢离子间与次氯酸根离子结合成难电离次氯酸的因素,也有碳酸根离子与钙离子结合成难溶性碳酸钙的因素,但是后者是促使反应完成的主要原因。因此这两个反应的发生与“强酸可以制备弱酸”的经验规律是两回事,不能扯到一起。

类似的例子还很多。比如,教学中老师往往告诉学生氧化还原反应有个规律,“强氧化剂与强还原剂作用生成弱氧化剂与弱还原剂”,并可以此推断氧化剂与还原剂的相对强弱。这个“规律”,适用于什么条件,大多没有说明。如不问条件,随意套用,难免会发生问题。如,在450℃和氯化铜催化下,氧气可以氧化氯化氢生成氯气,而在光照条件下把氯气通入水中可以生成氧气和稀盐酸。依照上述规律,从前一个反应可以推断氧气氧化性强于氯气,从后一个反应却能得到氯气氧化性强于氧气的结论。哪个结论对?从标准电极电位看,室温下在水溶液中氯气氧化性确实强于氧气。但前一个反应是在气相中进行的,不能套用这种规律做比较。有如,高温下,铁能与水蒸汽作用析出氢气生成铁的氧化物,氢气也能还原铁的氧化物,生成铁单质和水蒸汽。两个反应。哪个能说明铁和氢气的还原性强弱?

(2)错认为用中学学习的简单的化学原理能解释所有看来是简单的基本的化学问题。

实际上许多看似简单的基本化学问题,还有许多在目前还难以弄清楚。更不是中学学习的简单化学原理可以解释的清的。一不能过高估计自己的认识水平,对没有把握的问题谨慎一些,避免误导学生;二要多涉猎,多了解一些与中学学习的内容相关但至今没有明确答案的问题,避免枉费时间精力去探究。此类例子很多。仅举一例。

“钠和水、酸溶液的反应是先与水还是先与氢离子反应?还是两者同时进行?”“铝与碱溶液作用,是先与水作用生成氢氧化铝,后者再溶与碱吗?反应中的氧化剂是水还是氢氧根离子,还是两者都是?”

这个问题从热力学范畴讨论,还是从动力学观点来讨论,可能结论不完全相同,而找到可以证明的实验也不容易。如果在还没有实验证据的情况下,凭主观臆断去说明、解释难免出问题。

曾读到一篇研究钠和水反应的实验研究文章,文章作者十分用心,设计了好些实验,并通过实验做出自己的结论。下面引用该文章的几个段落:

“一、在钠与上述酸反应中,均能使滴有酚酞的稀酸变红,但红色是沿着钠与溶液反应的轨道而出现的,由此可以断定钠与稀酸反应时有OH生成,另外,红色是在钠与溶液反应过的轨迹里先变红,再逐渐减淡,至振荡后红色消失,由此可以证明钠并非开始就生成OH而是与周围酸电离的H先反应,待完全后,才与H2O电离的H反应,OH生成,溶液变红,而此时各处的H又向OH密集处涌来中和使红色减淡,待振荡后OH被完全中和,红色消失。

二、钠与1 MO/L的上述酸反应比0.1 mol/L 激烈,但不能使滴有酚酞的酸变红,这说明钠在酸中其周围的H已是够多来与钠反应,故没有OH生成。与H2SO4反应亦比与HCl,HNO3的激烈。

三、钠与36%浓HCl较前面都激烈,并无红色出现;与68%的浓HNO3反应时,反应激烈,有红棕色气体生成,此气体为NO2,则与钠发生氧化还原反应的n(V)。说明浓HNO3n(V)氧化性大于H;在98%H2SO4中滴入酚酞,溶液变为棕黄色,说明浓H2SO4具有氧化性,将酚酞氧化,当加入钠后,先急剧反应,随后出现火焰,并有刺激性气味气体──SO2生成,可知,H2SO4中参加氧化还原反应的是S(VI);当钠投入85%的浓H3PO4时,钠反应十分缓慢,且在一处不漂移,用滴管加入少量水时,才间或发生剧烈反应,这是因为浓H3PO4为油状且氧化性弱,使钠只在一处作缓慢反应,当加入少量水后,有水处H增多,钠接触到便发生剧烈反应。”

“用NaOH溶液与钠的反应,通过实验,观察到下列现象:


pH

反应现象

NaOH

14

剧烈反应

NaOH稀

10

剧烈反应

由于NaOH浓溶液中,H离子浓度较小,反应如此剧烈,说明钠能与水分子反应。”

“取一块厚度均匀的钠块,用细的空心玻璃棒往钠上戳几个洞,然后用细丝将其逐个捅入预先准备的溶液中,测量反应时间,这样能保证每个钠块大小相同,具体情况如下:

溶液

H2O

0.1 mol/L HCl

0.1 mol/L NaOH

反应时间

46秒

45秒

45秒

这说明钠在酸溶液中,与水分子也反应,因为三者溶液氢离子浓度分别相差106倍,如果钠只与氢离子反应,不可能出现反应时间几乎相同的情况。

通过研究和实验,我们得到下列结论:钠与酸溶液反应并不像书上所说得那么简单,我们认为在钠的周围钠和氢离子与水分子同时反应,当氢离子浓度减小到一定程度,过量的钠才与水分子和水电离的氢离子反应。”

仔细研读上面的实验与论断,不难看出存在的问题。在此恕不做分析。

(责任编辑:化学自习室)
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