化学反应中微粒行为分析及教学启示

摘要

在化学反应中，由具体案例发现：微粒之间存在着“竞争”“合作”“欺骗”等行为。为探寻原因，结合具体教学实例，并围绕这3大行为进行分类阐述，进而在此基础上获得了富有针对性的教学启示。即：在具体教学中，应做到——善于从微观角度引导学生分析问题；强化形式逻辑的运用；强化基于证据的教学。

Graphical abstract

关键词

微粒行为 / 竞争 / 合作 / 欺骗 / 教学启示

在人类社会的发展史中，人与人之间的行为方式有多种，既存在着竞争、合作行为，也存在着相互制约、欺骗等行为。与此同时，大千世界中万事万物的变化也会出现此类现象和行为。在化学反应中，对微粒行为进行分析，会发现微粒与微粒之间也存在着与人类之间类似的行为，如竞争、合作，甚至是欺骗等行为。正因为化学反应中存在微粒行为的多样性，才使得化学反应呈现出多样性与复杂性，且其不确定性必须通过不断分析，才能从中发现并掌握其内在的规律性。因此，加强教学反思，并促进教学的优化是十分必要的。

1 “竞争”行为

对中学阶段常见的“竞争”行为进行梳理，并以主题的形式加以分析。

1.1 常见微粒的氧化性与还原性的差异分析

“竞争”能力，表现为一种氧化剂（还原剂）与几种还原剂（氧化剂）同时存在并都能发生反应时所表现出来的一种能力。“竞争”能力最强的表现为，氧化剂与强的还原剂之间或还原剂与强的氧化剂之间的反应行为。在中学阶段，典型微粒的氧化还原能力排序如图1、图2所示。

【案例1】对FeI₂溶液中加入少量Cl₂发生反应的微粒行为进行分析。

在FeI₂溶液中存在两种还原剂：Fe²⁺、I^-，其与氧化剂氯气反应的“竞争”能力，就是比较两种还原剂的还原能力，由图1的排序可知，还原性的比较为：Fe²⁺<I^-，在Cl₂和I^-之间存在着较为强烈的作用倾向，且Cl₂与I^-的“竞争”能力优于Cl₂与Fe²⁺的反应。

1.2 原电池与电解池中微粒“竞争”能力分析

在原电池与电解池的电极反应中，常会涉及对微粒得失电子的“竞争”能力的判断。一般来说，阳离子的放电顺序大体为：Ag⁺>Hg²⁺>Fe³⁺>Cu²⁺>H⁺，而阴离子的放电顺序为：S^2->I^->Br^->Cl^-。

【案例2】分析氯碱工业中电解饱和食盐水的过程中阳极离子的放电情况。

阳极放电的是什么微粒？从电极电势分析，理论上电解1 mol/L氯化钠溶液，O₂析出的标准电位为1.229 0 V，Cl₂析出的标准电位为1.359 5 V，且电解饱和食盐水溶液阳极产生的应该是O₂，而不是Cl₂。但在原电池与电解池的实际反应中，微粒的放电能力强弱还会受到温度、浓度、电解质的性质、电极材料、电流密度等因素的影响。OH^－与Cl^-放电存在着“竞争”关系，可能是OH^－放电优先于Cl^-，或Cl^-放电优先于OH^－；还可能在某些特定条件下，存在两种离子同时放电的情况^［2］。由于受到超电位的影响，当在电流密度为10^-3 A·cm^-2、T=298 K时，O₂在石墨上的超电位是1.09 V，Cl₂在石墨上的超电位是0.25 V^［3］。O₂在石墨上的超电位比Cl₂大许多，故此时O₂在石墨上的析出电位=1.229 V+1.090 V=2.319 V，Cl₂在石墨上的析出电位=1.359 5 V+0.250 0 V=1.609 5 V，在阳极上首先应该得到的是Cl₂。因此，在分析时应具体情况具体分析，不能以单纯的记忆结论来完成学习过程。

【案例3】原电池中析氢与吸氧的“竞争”分析。

普遍认为，在原电池中，析氢腐蚀与吸氧腐蚀是一对“竞争”关系。在任何溶液中，只要是钢铁发生了腐蚀，这种“竞争”关系就一直存在。在中性或接近中性的溶液中，主要是溶解在水膜中的氧得到电子：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；在酸性较强的溶液中，主要是氢离子得到电子：2H⁺+2e^-=H₂。庄严等^［4］的研究表明，利用压强数据采集器研究析氢与吸氧腐蚀时发现，在pH=4.3的弱酸性溶液中，析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“竞争”关系尤为强烈，压强仪所显示的数据处于增大、减小的震荡变化状态，这就真实地反映了这对“竞争”关系的共存性。

1.3 有机反应中“竞争”能力分析

【案例4】苯取代反应时定位能力分析。

在进行有机化学学习时，这种微粒的“竞争”现象也较为普遍。为此，笔者重点阐述苯（同系物）的亲电取代的定位“竞争”。研究表明，在一元取代苯引进一个取代基反应时，邻、间、对位上被取代存在着“竞争”关系，但这种机会对于不同的定位基“竞争”（亲电的能力）机会并不均等^［5］。像甲苯在硝化时，被取代的位置主要发生在邻、对位上，而硝基苯硝化时，被取代的位置则主要发生在间位上。在苯酚苯环上发生取代反应时，由于氧原子的电负性比碳原子大，会产生负诱导，同时氧原子存在孤对电子对，会产生共轭效应，两者“竞争”的总体结果会使得苯环上邻对位电子云密度增大，所以学生能理解苯酚与溴水反应的取代主要发生在邻、对位上的真正原因。

1.4 复分解反应中微粒间结合“竞争”能力的差异

（1） 微粒沉淀顺序能力的差异分析。

在溶液中，当有一种沉淀试剂与多种离子发生沉淀反应时，会在“竞争”能力上出现差异。一般来讲，这种竞争能力上的差异主要是受形成的K_sp影响。在同类型的沉淀中，K_sp越小，反应沉淀越容易、越完全，且这种能力的差异在反应时表现为反应的“有序性”。

【案例5】向浓度均为0.1 mol/L的NaCl、NaI、Na₂S的混合溶液中加入少许AgNO₃，哪一个离子先沉淀？［已知：25 ℃时，K_sp（AgCl）=1.56×10^-10，K_sp（AgI）=1.5×10^-16，K_sp（Ag₂S）=6.3×10^-50］。

在解决问题时，结合该温度条件下AgCl、AgI、Ag₂S的K_sp，再根据沉淀溶解平衡式，列出溶度积常数的表达式，即可由表达式分别求出3种离子开始沉淀时所需要的Ag⁺的浓度。

①Cl^-开始沉淀时所需要的Ag⁺浓度为：

1.56 ×10^-10/0.1=1.56×10^-9 mol/L。

②I^-开始沉淀时所需要的Ag⁺浓度为：

1.5 ×10^-16/0.1=1.5×10^-15 mol/L。

③S^2-开始沉淀时，所需要的Ag⁺浓度为：

（6.3×10^-50/0.1）^1/2≈0.79×10^-25 mol/L。

从计算结果看，S^2-开始沉淀时所需要的Ag⁺浓度低得多，故S^2-先沉淀。

（2） 多微粒反应顺序能力的差异分析。

在对多微粒反应顺序能力的差异分析时，有研究者^［6］提出“离子最少化”规律，具体可简述为：先中和，后沉淀，再强置弱，最后溶解。这一结论的确有一定的道理，即对分析常见物质微粒间的反应起到了一定的思维导向作用，但如果从本质上探究反应的先后顺序，则应从反应的热力学角度与动力学角度学会深入分析。

针对此类问题的处理，常用“假设法”^［7］，具有简便与实用的优点。以举例方式加以说明。

【案例6】CO₃^2-与H⁺、Ca²⁺反应顺序讨论。

假设CO₃^2-与Ca²⁺先发生反应，生成的产物为CaCO₃沉淀。根据沉淀溶解平衡的相关原理可知：CaCO₃沉淀能够被H⁺所溶解，所以这种假设不成立；再次假设，CO₃^2-与H⁺先发生反应，生成的产物为CO₂和H₂O，两者都不会与Ca²⁺反应，此假设成立。结合两种假设，遂得出结论：CO₃^2-先与H⁺反应，再与Ca²⁺反应产生沉淀。CO₃^2-与H⁺、Ca²⁺反应时产生沉淀的质量变化如图3所示。

2 “合作”行为

在化学反应中，微粒也常表现出“合作”行为。具体表现在：一是激发反应；二是促进反应。

2.1 激发反应

化学中激发反应的影响因素很多，但从微粒之间的“合作”行为分析，可从相关的反应原理中寻找方法。

【案例7】CO₂通入CaCl₂溶液中，有沉淀产生吗？若没有沉淀产生，要想产生CaCO₃沉淀，怎么办？

CO₂通入CaCl₂溶液中，往往没有沉淀产生。对此，可从沉淀溶解的角度进行分析——若要产生CaCO₃沉淀，须有c（Ca²⁺）×c（CO₃^2-）≥K_sp（CaCO₃），且氯化钙溶解度为74.5 g，饱和氯化钙溶液中的钙离子浓度为6.71 mol/L，二元弱酸溶液中-2价酸根浓度约等于其Ka₂，所以碳酸根浓度为5.6×10^-11，两个乘积是3.76×10^-10，甚至没有达到碳酸钙的K_sp=2.8×10^-9，根本不会产生沉淀；也可从酸的强弱视角考虑，若CO₂与CaCl₂溶液能反应，则为H₂CO₃溶液与CaCl₂溶液的反应，交换成分会生成CaCO₃沉淀与HCl溶液，违反了“强酸制弱酸”规则。

“要想在此过程中产生CaCO₃沉淀，怎么办？”思路有两点，第一点是基于规律“非金属氧化物与碱反应生成盐与水”的思考，CaCl₂溶液呈中性，可向溶液中补充少量OH^－，使溶液呈碱性（控制碱浓度，因氢氧化钙微溶，控制微溶量），此时的OH^－就起到了帮助作用，激发了反应的进行；第二点是基于规律“盐与盐反应生成两种新盐”的思考，逆向推理出Na₂CO₃溶液与CaCl₂溶液反应会生成CaCO₃沉淀，而Na₂CO₃应由CO₂与可溶性碱反应得到，还是可以推出向溶液中补充碱的结论。从这个例子可看到微粒之间的“合作性”。

【案例8】向BaCl₂溶液中通入SO₂气体，在不加入碱的前提下，要想在此过程中产生沉淀，如何做？

向BaCl₂溶液中通入SO₂气体，也不会产生沉淀^［1］。利用此现象也可产生新的问题：“在不加入碱的前提下，要想在此过程中产生沉淀，如何做？”此时的思考点不能放在“非金属氧化物与碱反应生成盐和水”规律的运用上，若基于氧化还原的知识思考，选择合理的氧化剂（可选择Fe³⁺），将SO₂氧化为SO₄^2-，生成的SO₄^2-与Ba²⁺反应会生成BaSO₄白色沉淀。以上两例产生沉淀的思维点不同，但同样表现出在化学反应中微粒的“合作性”。

2.2 促进反应

很多化学反应满足热力学反应发生的条件，但实际上却缺少化学动力学条件，造成很多化学反应慢得让人无法感知与觉察，故加快化学反应速率很有必要。

【案例9】催化剂机理。

催化剂促进反应的作用功不可没，但对于催化剂的反应机理，很多人还厘不清。叶佩佩等^［8］提出利用催化剂加快化学反应速率的两个理论：碰撞理论与过渡态理论。在过渡态理论中，她认为，催化剂改变了反应历程，且催化剂参与化学变化过程，即催化剂分子会与反应物分子结合成某种络合物，因其能量较低，故降低了活化能，使得反应易于进行，从而加快了化学反应的速率。

【案例10】卤代烃水解加入NaOH水溶液的原理。

在有机物学习时，卤代烃水解反应是一个重点学习内容。水解反应在进行时常常需要加入NaOH水溶液，学生对此不甚理解。实际上，卤代烃的水解过程是一个亲核取代反应，产物除生成醇外，还生成产物卤化氢，这是一个可逆反应，此时应理解加入NaOH的作用就是不断消耗产生的卤化氢，使得反应不断地向水解正方向进行，促进反应正向进行。在这一过程中，加入的OH^-对反应起着促进作用。另外，化学平衡移动及电离过程中也会涉及微粒的促进反应作用。

【案例11】对粗锌（含有铜）比纯锌与稀硫酸反应产生氢气速度快的认识。

相比而言，粗锌（含有铜）比纯锌与稀硫酸反应产生氢气的速度快，其中的原理涉及杂质微粒所起作用的问题。其理论根据是金属的标准电极电势、双电层理论、超电势^［9］。较为通俗的解释：一是Zn²⁺与H⁺同性相斥；二是锌片周围的Zn²⁺浓度较高。这两点原因导致溶液中H⁺不容易到达锌片表面得到电子，且在粗锌中锌与铜形成原电池，则锌失去的电子转移到铜片上，而溶液中的H⁺会在铜片上得到电子转变为氢分子。因为此过程变得容易多了，所以速率自然快了^［10］。分析这一过程不难发现，铜所起的作用在宏观上起到了加快速率作用，微观上是铜原子实现了电子的快速转移（转移给H⁺）。

3 “欺骗”行为

从微观角度看，有些物质的分子结构有一定的相似性（具有相同的基团），故化学功能有相似之处。正因为它们在结构上的相似性，所以产生了一定程度的“欺骗”行为，而这些“欺骗”行为会产生良或劣的后果。现以正反两方面举例的方式阐述其行为。

3.1 有利的“欺骗”行为

【案例12】对乙二醇中毒的处理。

乙二醇是目前汽车里使用的防冻剂，但不正确使用或操作不慎会导致此物质进入人体，虽然乙二醇没有毒性，但它在人体内会转化为草酸，对人体的肾脏有一定的损伤。如何能有效解毒呢？对此的回答是可以服用一定量的乙醇，乙醇分子与乙二醇分子在结构上具有一定的相似性，即两者的分子中都含有羟基（图4），因此，两者具有相似的化学性质。当然，乙醇的用量必须控制在安全剂量范围之内。进入人体的乙醇能与乙二醇竞争性地结合乙醇脱氧酶，能有效阻止乙二醇的转化^［11］，避免了乙二醇在人体内转化为草酸。正由于结构上的相似性，利用了“欺骗”行为，才避免了中毒的发生。

3.2 不利的“欺骗”行为

【案例13】一氧化碳中毒。

在人类进化过程中，血红蛋白吸收氧气并运输氧气是一个常识。一氧化碳气体打破了这种反应的平衡，由于一氧化碳分子与氧气分子在结构上具有一定相似性，即一氧化碳分子与氧气分子都很小，能很方便地代替氧气分子与铁原子结合，且它与铁原子的结合能力是氧的几百倍^［11］。可以认为，这种“欺骗”过程是建立在两种分子结构的相似性基础上的。

4 教学启示

4.1 要善于从微观角度引导学生分析问题

人类认识世界的水平有3个层次：宏观的、描述的、功能的；微观的、结构性的、本质的；符号的、表征的、关联的^［12］。强化微观角度教学非但必要，而且重要，原因是很多规律的共性与个性知识都是从微观角度获得的。宏观分析固然符合学生的感性认知特点，但微观分析可促进学生进行深度学习。实践证明，从微观角度分析，能够找到问题根源，抓住问题关键，易于得出科学的结论。

4.2 要强化形式逻辑的运用

逻辑是抽象思维，逻辑包括形式逻辑与辩证逻辑。而形式逻辑则又包括归纳、演绎、类比^［13］。在教学中，教师不仅要重视形象教学与感性教学，更要注重形式逻辑教学，重视归纳、演绎与类比这3种核心思维工具的运用。微粒的行为，一方面需要感性认识的支撑，另一方面也需要形式逻辑的帮助。只有这样，才能将零散的知识系统化，普通的知识规律化，隐性的知识显性化，促进学生从整体上建构知识，形成富有结构化特点的知识网络，最终促进学生的分析、评价与综合等高阶思维能力的发展。

4.3 要强化基于证据的教学

逻辑是推理的骨架，证据是推理的血肉。学习过程的核心要素有3个：问题、证据、解释与检验。问题是起点，解释与检验是关键与核心，但离不开证据。证据是保证正确与科学的前提，即微粒的行为特征、性质，均基于推理，故需要证据支撑。在教学过程中要善于引导学生基于证据说话，在证据基础上加入理性分析与推理。只有强化证据，才能忠于事实，使结论更具说服力，才能对微粒的行为有更全面的认识与把握。

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