PDF《物质转化图的意义与教学刍议》

・84・ 物质转化图是化学教科书表征知识的一种重 要方式, 它以引发学生对有关知识的正确认知、 概 括和表征为任务.

从总体上看, 物质转化图在中学 化学教学特别是化学习题中有明显增加的趋向, 其直接原因一定程度上在于物质转化图在高考、 中 考试题中频频出现. 物质转化图有必要在中学化 学教学中出现和应用吗? 我们应该怎样进行物质 转化图的教学? 这是需要深入思考、 探讨的两个问 题, 也是本文着重讨论的主题.

1 物质转化图的界定与分类 物质转化图跟工艺流程图、 实验流程图、 反 应原理图等是不同的, 其核心内容是 物质转化 , 涉及物质相继进行的多步反应过程, 表征时图中 各个节点都是物质名称或化学式而不是工艺或设 金属 碱 非金属 酸 金属 氧化物 盐 非金属 氧化物 盐盐新盐和 新金属 盐和 氢气 盐和水 碱和盐 酸和盐 两种新盐 图1各类物质的相互转换关系 备名称. 把表征物质转化关系的图称为 流程图 是不准确的, 但是物质转化关系图不一定能反映 物质转化的具体步骤和过程, 例如图

1 就属于这 种情况. 因此, 物质转化图可以细分为物质转化关系 图和物质转化流程图. 前者侧重于表征转化关系, 后者侧重于表征转化过程. 图1是典型的物质转 化关系图. 至于工艺流程图、 实验流程图, 它们不具有物 质转化图的上述特点, 突出的是工艺或操作处理 过程甚至设备、 仪器, 而不是物质的转化关系. 反 应原理图往往是以主要化学反应的化学方程式为 核心添加其他内容形成的. 下面图

2、 图

3、 图4都不属于物质转化图. 合成氨厂 沉淀池 煅烧炉 NH3 NH3 CO2 饱和食盐水 母液 循环(Ⅰ ) 循环(Ⅱ ) Na2CO3 (提取副产品) 图2联合制碱法工艺流程 粗盐水 A B NH3 E CO2 C D 沉淀氨化煅烧纯碱 过滤过滤碳酸化 图3联合制碱法生产流程 物质转化图的意义与教学刍议 徐志强 (上海市蒙山中学,上海 200540) 摘要: 物质转化图跟工艺流程图、 实验流程图、 反应原理图等不同, 其核心内容是 物质转化 , 涉及物质相继进行的多步 化学反应. 物质转化图具有多方面的功能, 在中学化学教学中出现和应用是必要的, 应该比工艺流程图应用得更多, 在初中化 学教学中需要注意把握好应用的度. 在应用物质转化图的教学中, 需要注意抓好物质转化图的分析、 生成和应用

3 个环节. 介 绍了有关的教学实例. 关键词: 物质转化图;

功能与意义;

教学实例;

化学教学 文章编号: 1005C6629(2017)2C0084C04 中图分类号: G633.8 文献标识码: B 测量评价 ・解题策略・ 万方数据 ・85・ NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl (副产品) 2NaHCO3=Na2CO3+CO2 ↑+H2O (原料Ⅳ) (原料Ⅲ, 来自合成氨) NH3 CO2 图4联合制碱法生产原理

2 物质转化图的功能与意义 2.1 直观、 扼要地表征和概括物质的化学变 化关系 物质转化图能表征物质的转化关系, 特别是 复杂的化学变化关系. 例如, 中学化学涉及的化学反应规律内容主要 有单质、 氧化物、 酸、 碱、 盐等各类物质相互变化 的规律. 图1正是直观地概括各类物质的化学变 化关系的典型例子之一. 化学方程式是用化学式和特定符号表述化学 反应事实的式子, 但不是所有的化学反应都可以用 化学方程式来表述的. 如对于物质发生多步转化 的复杂化学反应的表述, 用化学方程式不是过于 繁琐就是根本无能为力. 此时改用物质转化图往 往令人有一目了然、 重点突出、 简洁明快之感. 例如, 图5清晰、 扼要地表明了海水提镁的主 要步骤: 海水 Mg(OH)2 (s) MgCl2 (aq) MgCl2 Mg(l)+Cl2 (g) CaCO3 (s) 盐酸 脱水 电解 图5海水提镁过程 2.2 综合表征物质转化条件、 控制与操作等 过程知识 在中学化学教学中, 物质转化图能够表征物质 的转化过程及其步骤、 条件甚至仪器设备和操作 等重要 细节 , 引导学生从反应步骤、 反应条件 等角度具体地认识并理解物质反应的规律和特点, 也有助于使学生置身于真实的学习环境中. 例如, 图6综合表征了实验室摸拟侯氏制碱 法的条件、 控制与操作等知识. 20℃的 浓氨水 NH4HCO3 饱和溶液 过量的 食盐细粒 NaHCO3 晶体 滤液 纯碱 副产品 通入 足量 CO2 充分 加热 冷却后 过滤 不断搅拌 后进行 操作 a 图6侯氏制碱法原理 2.3 增加对实际的了解, 增强化学知识应用能 力 新课程非常重视化学跟社会实际的联系, 而 物质转化流程图比较适合用来描述社会生产实际 中的化学过程, 自然有助于帮助学生了解实际生产 中的物质转化关系, 增强他们应用化学知识的能 力. 例如, 图7可以使学生增加对海水资源进行 综合利用, 从海水中提取 NaCl、 Na2CO

3、 Mg 等物 质的了解. 海水 粗盐 母液 石灰乳 CaO 贝壳 精盐 MgCl2 ・6H2O MgCl2 Mg Mg(OH)2 操作 a 操作 b 电解 盐酸 浓缩 煅烧 水图7海水综合利用 2.4 有助于学生构建知识网络, 把孤立、 零散 的物质知识联系起来 物质转化图能够把本来孤立和零散的物质联 系起来, 构建知识网络, 形成一个有意义的整体, 也有助于学生在此基础上进一步形成物质相互联 系、 相互转化的观念, 进而更深刻地认识客观的物 质世界, 体会到化学的深层次魅力, 提升化学学习 的乐趣. 比如初三化学 碳 是物质知识中很重要的一 个板块. 在教学中, 可以引导学生构建图

8 所示的 知识网络, 使有关物质的变化关系一目了然, 提高 学习的效率. C CO2 CO H2CO3 Ca(HCO3 )2 Ca(OH)2 CaCO3 CaO 图8碳及其化合物的相互转化 该图可以清楚地呈现如何实现石灰石到石灰 水的转化, 还可以引发对碳酸钙、 碳酸氢钙跟碳酸 (二氧化碳和水) 的相互转化关系的学习、 探究. 2.5 有助于学生形成整体思考、 过程思考和上 位思考的习惯 总之, 物质转化图在中学化学教学中出现和 应用是必要的. 由于中学化学具有基础性, 特别是 初中化学具有启蒙性质, 不宜太复杂, 物质转化图 应该比工艺流程图应用得更多. ・解题策略・ 测量评价 万方数据 ・86・ 就本质而言, 物质转化图只是一种工具、 一种 载体, 它的应用决定于课程标准规定的内容, 其复 杂程度受到内容的制约, 一般不会出现过度、 滥用 的问题. 但对于初中化学教学来说, 仍然需要注意 把握好应用的度.

3 物质转化图的教学 在应用物质转化图的教学中, 需要注意抓好 物质转化图的分析、 物质转化图的生成和物质转 化图的应用

3 个环节. 3.1 物质转化图的分析 物质转化图的分析需要解决

3 个基本问题: 物质转化图所涉及的物质转化系统是什么?该系 统的起始物质、 终结物质是什么? 经历了哪些中间 步骤? 对每一个步骤来说, 则需要弄清楚反应物、 生成物是什么? 怎样实现这个化学变化?需要哪 些特殊的反应条件、 仪器设备和操作?3 个问题 逐级提升, 能使学生由浅入深地了解物质转化的原 理, 厘清物质之间的联系, 了解关联的实验操作. 3.2 物质转化图的生成 物质转化图最好用逐步生成的方法呈现给学 生, 尽量避免一次性成图. 物质转化图越复杂, 就 越要注意这个问题. 在呈现时, 最好遵循由主到 次、 由简单到复杂、 由原理到操作的次序. 了解具体的化学变化和实验操作, 会用化学 方程式表示整个反应过程, 是物质转化分析的基 础. 如果学生的这些知识基础不太扎实, 在进行物 质转化图分析之前应该作必要的 补课 . 3.3 物质转化图的应用 下面通过两个教学实例来说明物质转化图的 应用. 3.3.1 物质制备的流程转化分析――以石灰 石制备较为纯净的碳酸钙为例 碳酸钙含有钙, 可以作为补充人体内钙质的食 品营养强化剂, 还可以用作发酵促进剂、 抗结块 剂、 增白剂、 配制食品的疏松剂以及牙膏中的摩擦 剂等. 但是, 在用作食品添加剂时, 必须按照国家 标准严格控制杂质含量、 用量和粒度 (不可太粗) . 石灰石是比较容易找到的廉价原料, 怎样才 能把它转变成比较纯净的碳酸钙粉末, 从而使之 用于生产中并为生活服务呢? 在课堂教学中, 首先 请学生回忆曾经学过的含碳物质的转化图, 然后 请学生思考化学反应过程, 写出有关反应的化学 方程式. 学生经过讨论, 列出如下的反应过程: 方法一: CaCO3 高温 CaO+CO2 ↑ ;

CaO+H2O → Ca(OH)2;

Ca(OH)2+CO2 → CaCO3 ↓+H2O 或Ca(OH)2+Na2CO3 → CaCO3 ↓+2NaOH 方法二: CaCO3+2HCl → CaCl2+H2O+CO2 ↑ ;

CaCl2+Na2CO3 → CaCO3 ↓+2NaCl 在此基础上, 请学生思考如何用方框和箭头 表示方法一的转化流程图. 学生设计的转化流程 图如图

9、 图

10、 图11. 石灰石 CaO CO2 CO2 (或Na2CO3 溶液) Ca(OH)2 CaCO3 高温 足量水 图9转化流程

1 石灰石 CaO CO2 Ca(OH)2 CaCO3 高温 足量水 图10 转化流程

2 石灰石 CaO CO2 Ca(OH)2 过滤 H2O CaCO3 高温 足量水 CO2 图11 转化流程

3 接着引导学生从绿色化学的角度讨论上述物 质转化图的不同之处以及可取之处, 思考二氧化 碳和水的循环使用, 充分利用物质资源, 以此完善 流程分析. 经过这样的分析, 学生就会弄清楚流程 分析所涉及的原理, 知道物质转变过程可以用箭头 表示, 以及在这个流程分析中涉及的相关实验操 作. 3.3.2 混合物分离和提纯的转化流程分析 物质转化的流程分析, 更多地表现出来的是 将混合物中的不同物质分离出来或者将杂质转化 为主要成分, 以此提高其纯度. 分离和提纯作为重 要的方法, 不仅在化学研究中具有重要意义, 在化 工生产中也同样具有十分重要的作用. 物质分离和提纯在选择试剂和实验操作应满 测量评价 ・解题策略・ 万方数据 ・87・ 足几个要求: 提纯后的物质成分不变;

不能损耗或 减少被提纯物质的质量;

实验过程和操作方法简 单易行;

用化学方法除去溶液中的杂质时, 为使被 分离的物质或离子尽可能除净, 若需要加入过量 的分离试剂, 在多步分离过程中, 后加的试剂应能 够把前面所加的无关物质或离子除去. 在初中阶段, 对于无机物常用下列方法分离 和提纯: (1) 过滤 - 结晶法. 例如氯化钠固体的提纯, 就可以采取溶解、 过滤、 蒸发结晶的方法实现. (2)生成沉淀法. 例如 NaCl 溶液里混有少 量的 MgCl2 杂质, 可加入过量的 NaOH 溶液, 使Mg2+ 离子转化为 Mg(OH)2 沉淀 (但引入新的杂质 OH- ) , 过滤除去 Mg(OH)2 然后加入适量盐酸, 调节pH 为中性. (3)生成气........