金属和盐溶液反应后成分判定的量化模型教学法

岳敏

摘要： 提出一种金属与盐溶液反应后滤液滤渣成分判定的量化模型，通过直观的图示模型演示不同量金属和盐溶液的反应，过程完整，逻辑清晰，生成物一目了然。通过教学实践，学生在该知识点的单元练习正确率明显提升，验证了该模型能加深学生对知识点的理解。该方法易学易用，有效培养了学生的量化分析能力。

关键词： 金属活动性; 置换反应; 图示教学; 量化模型

文章编号： 10056629（2022）06008505

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 研究背景

化学学科是建立在实验基础上的一门学科。但初中化学的学习存在时间短、入门浅的特点，很多实验仅限于规范操作、观察表象，对于归纳总结规律和理解反应原理帮助不大。当后期教学涉及到反应本质和量化实验时，学生缺乏理论支持，量化实验难以完成。面对这些困难，教师需要深入思考如何在学生已有的认知起点基础上设计教学，改进教学方法，尽量把抽象的理论模型化、图像化，从而能够较为直观地帮助学生学习新知识，避免学生产生畏难心理。同時，教师更应思考如何在教学中把知识系统化、结构逻辑化，帮助学生在学习知识的同时提高化学学科核心素养，构建化学学科思维，为高一层次的深度学习打好基础。深度学习的特征之一是联想与结构，指的是经验与知识的相互转化，涉及的就是教学内容问题。深度学习强调知识整合和意义联结的学习内容，使得知识具有情境化、整体化和结构化的特征，从而有利于学生认知的整体建构以及知识迁移能力的形成。

在金属活动性顺序的应用中，金属与盐溶液的反应是初中化学的重点和难点。对于简单的一种金属和一种盐溶液是否反应，可以通过宏观的实验现象加以判断，但其反应后的产物，与反应物的量和反应程度相关，初中的化学实验条件就难以证明了。当涉及结合较复杂反应条件的两类题型（第一类是一种金属和多种盐溶液反应，另一类是多种金属与一种盐溶液反应），要构建反应物的量与反应先后的逻辑链，推导出最终的滤液滤渣成分，就亟需借助直观的辅助模型来帮助学生理解学习。该知识点的传统教学方法通常是让学生以金属与盐溶液的反应顺序结合化学方程式为理论基础，然后根据在生成的滤液或滤渣中滴加足量的稀盐酸产生的实验现象来推定生成物的成分。以Zn和AgNO3、 CuSO4溶液反应为例，金属活动性Zn>Cu>Ag，存在反应Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag（先）、 Zn+CuSO4ZnSO4+Cu（后），如在滤液中滴加稀盐酸有白色沉淀生成，则滤液中一定有AgNO3，从而推断加入的Zn少量，滤液中有未反应完的AgNO3、 CuSO4和反应生成的Zn（NO3）2，滤渣中只有少量置换出的Ag;如在滤渣中滴加稀盐酸有气泡生成，则滤渣中一定有Zn，从而推断加入的Zn过量，滤液中的AgNO3、 CuSO4已全部反应完，只有反应生成的Zn（NO3）2，滤渣中有全部置换出的Ag和Cu，以及过量的Zn。该方法学生理解起来相当困难，判断生成物经常错、漏。而且这种讲解方式只覆盖了加入的金属少量和过量两种情况，存在反应过程不明确、知识体系不完整的缺点，不利于学生化学学科核心素养的深化培养。因此，如果能设计一种针对金属与盐溶液反应的直观模型，可以帮助学生加深理解、快速掌握这类反应的习题解法。

如何将溶液中看不见摸不着的溶质可视化，如何把微观的化学反应精准量化，使实际化学实验无法实现的理想状态下充分反应后的溶质和滤渣的判断直观地呈现给学生，是本文设计教学模型的目标所在。本文将从学生现有的知识结构基础出发，构造数轴与柱状图结合的图示模型法，帮助学生直观理解反应物的量与反应产物间的关系，以此构建量化模型，快速判断反应后的成分。

2 相关研究

金属与盐溶液反应后滤液滤渣成分（或组成）的判断是初中化学的重点与难点，很多一线教师针对该知识点的教学做了较多研究和实践。比如，文献[1]提出应用离子共存理论模型，利用钩叉标记法能快速准确地解决这类相关问题;文献[2]利用“列表法”分析，可将复杂问题简单化，将反应后的滤液滤渣成分直观展示出来;文献[3]引入时钟法，解析金属与盐溶液的反应，以此化解难点;文献[4]根据金属与盐溶液反应的两种类型（一种金属和混合盐溶液反应;两种混合金属粉末和一种盐溶液反应），利用图示法分析金属与盐溶液的反应过程;文献[5]采用实验探究和计算模拟相结合的教学模式，将“一种金属与多种盐溶液反应”或“多种金属与一种盐溶液反应”的体系模型化，浅显直观地展示了该过程中各种反应是同时进行的。综合分析上述方法，我们发现这些方法在教材适配性和软硬件基础上有一定要求，上海初中化学教材中没有保留原子结构的相关内容，对化学反应中得失电子和离子反应方程式也没有涉及，相对科学的“离子共存理论模型”难以在教学中顺利落实;列表和时钟法对学生的抽象理解能力要求较高;计算化学更是对学校的软硬件配置都提出了更高的要求。因此上述方法在上海市普通初级中学的教学中较难实践。对此，笔者从多年的教学实践中总结出一套循序渐进的数轴与柱状图结合的图示法，在课件制作演示、板书讲解或草稿推算中都较易实现，能帮助学生直观理解反应物的量与反应产物间的关系，以此构建量化模型，快速判断反应后的成分组成。

3 模型构建

3.1 教学知识点说明

（1） 金属活动性顺序，见图1。

通过常见金属与盐溶液反应的实验得出结论，位于前面的金属能把位于后面的金属从它们化合物的溶液里置换出来。

（2） 化学反应中的质量守恒：

反应前后原子的种类和个数不变。

3.2 模型设计

该模型构建基于金属与盐溶液反应时，最活泼的金属首先与最不活泼的金属元素形成的盐溶液反应。即如果A>B>C，则A优先与C的盐溶液反应，当C的盐溶液全部反应完后再与B的盐溶液反应。在模型中，盐溶液柱状图分布为“弱下强上”，金属柱状图分布为“强先弱后”。当然，我们需要和学生说明，溶液是均一稳定的混合物，本文中的量化模型图是金属和盐溶液反应的定量反应数学模型图，仅用于表示反应物和生成物的物质的量之间的关系。真实的情况是所有反应是同时进行的，只是由于活动性差异我们可以看作反应有先后。同时，所有的化学反应都基于质量守恒定律，因为该模型图设置的目的是帮助学生理解反应物的量不同会导致生成物成分不同，而不涉及参加反应的固体和析出的固体质量的精准计算，所以在图形比例上只考虑金属和溶液中溶质的相对关系，在相对原子质量的比例上不做比例调整。

3.2.1 一种金属与一种盐溶液反应

以Zn和FeSO4溶液为例，金属活动性Zn大于Fe，存在反应Zn+FeSO4ZnSO4+Fe，当反应物Zn的量不同时，用柱状图表示反应物之间的量化关系，反应后的滤渣滤液如图2所示。

3.2.2 一种金属与两种盐溶液反应

以Zn和AgNO3、 Cu（NO3）2溶液反应为例，金属活动性Zn大于Cu、 Cu大于Ag，存在反应Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag、 Zn+Cu（NO3）2Zn（NO3）2+Cu，因为反应生成的Cu会与AgNO3溶液发生反应Cu+AgNO3Cu（NO3）2+2Ag仍生成Ag，所以看作Zn先将AgNO3反应完后，再与Cu（NO3）2反应。即表示盐溶液的柱状图为先反应的在下，后反应的在上，记作“弱下强上”。

当反应物Zn的量不同时，用柱状图表示反应物之间的量化关系，反应后的濾渣滤液如图3所示。

3.2.3 一种金属与三种盐溶液反应

以Fe和AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2溶液反应为例，金属活动性Zn>Fe>Cu>Ag，存在反应Fe+2AgNO3Fe（NO3）2+2Ag、 Fe+Cu（NO3）2Fe（NO3）2+Cu、 Fe与Zn（NO3）2不反应。同理看作Fe  先将溶液中AgNO3反应完后，再与Cu（NO3）2反应。即表示盐溶液的柱状图“弱下强上”由下往上依次为AgNO3、 Cu（NO3）2、 Zn（NO3）2。

当反应物Fe的量不同时，反应后的滤渣滤液如图4所示。

3.2.4 多种金属与一种盐溶液反应

以CuSO4溶液与Zn和Fe混合物反应为例，金属活动性Zn>Fe>Cu，存在反应Zn+CuSO4ZnSO4+Cu、 Fe+CuSO4FeSO4+Cu。因为反应生成的FeSO4会与Zn发生反应Zn+FeSO4ZnSO4+Fe仍生成ZnSO4，所以看作CuSO4先将Zn反应完后，再与Fe反应。即表示金属的柱状图为先反应的在下，后反应的在上，记作“强先弱后”。当反应物CuSO4溶液的量不同时，反应后的滤渣滤液如图5所示。

4 教学实践效果反馈与思考

笔者近年来开始在课堂教学中使用上述模型图示法讲解金属与盐溶液反应后生成物的判断。为了检验模型图示教学法的效果，2020学年对所任教的两个初三班级开展对比教学实验。其中一个班级采用了模型图示法讲解金属与盐溶液反应的知识点，另一个班级采用传统的教学方法进行讲解，两个班级均在知识点教学完成后进行相应内容的练习，测试结果显示采用模型图示教学法班级的正确率为96%，采用传统教学方法班级的正确率为92%，该班级在后续重新采用模型图示法讲解后，相关知识点的正确率达到98%。可以看出，本文提出的模型图示教学方法对帮助学生理解金属和盐溶液的量化反应有明显的效果，同时对实验难以呈现的、理想状态下的量化计算这一类推断题的解决大有助益，学生应用这种模型图示法，解题能力有明显的提高。

该模型教学法还可以用到其他初中化学教学中遇到的难点重点，比如在溶液中溶解度受温度影响不同的两种溶质的分离和提纯;溶解度曲线学习中A、 B、 C三种等质量饱和溶液随温度变化后的浓度，以及溶质、溶剂和溶液的量的判断。分散体系中反应物的量无法测量，计算推演也过于抽象，这些理想状态下量化计算类的课程教学靠化学实验更是难以体现，都可以应用该模型教学法。

5 结语

本文提出了一种用于金属与盐溶液反应后滤液滤渣判定的量化模型图示教学法，该方法利用量化模型图演示不同量金属和盐溶液的反应，对反应物和生成物的物质的量的关系构建了一个清晰的数学模型，过程完整，生成物一目了然。经过教学实践验证了利用该模型开展教学可加深学生对知识点的理解，易学易用，有利于培养学生对化学反应中的量化分析能力，在知识点的单元练习中学生成绩提升明显。需要说明的是，这种量化模型必需限定在至少三个基础之上，即（1）金属活动性顺序任何条件下都适用;（2）所有反应是热力学控制而没有动力学控制;（3）所有反应均有足够长时间，是反应完全的。金属和盐溶液反应的实际情况往往因为电极极化、反应动力学、共沉积等问题会有更复杂的表现，限于初中化学教学范围和深度，这些问题本文不做深入讨论。

在今后的教学改革中，我们可以借助一些应用软件将该模型图动态化，通过拖动加入量的柱状图来改变反应物的量，将反应后的滤液滤渣成分做成直观可视化的图式，以帮助学生理解更复杂的量变过程，有效提高学生的化学学科核心素养。

参考文献：

[1]沈芳. 快速有效解决金属与盐溶液反应相关问题的方法[J]. 云南化工， 2018， 45（S1）： 106～108.

[2]邓惠军. 利用“列表法”分析金属与盐溶液反应后的滤液滤渣[J]. 云南化工， 2020， 47（2）： 173～177.

[3]向刚. 例谈时钟法分析金属与盐溶液的反应[J]. 化学教学， 2017， （12）： 70～72.

[4]叶茂. 利用图示法分析金属与盐溶液反应的过程[J]. 化学教学， 2015， （10）： 85～87.

[5]苌青， 刘健. 计算化学在基础教育的创新应用——以“金属与盐溶液置换反应”的拓展教学为例[J]. 化学教学， 2021， （4）： 93～97.