從競爭反應(yīng)看化學(xué)反應(yīng)的思辨價值

1、從競爭反應(yīng)看化學(xué)反應(yīng)的思辨價值 43 -以 OH與 NH +、HCO 反應(yīng)為例 NH4HCO3 溶于水電離出的 NH4+和 HCO3-離子到底哪一種先與 OH-反應(yīng)呢？一種觀點認為 NH4+溶液顯酸性，而 HCO3-溶液顯堿性，所以 OH-優(yōu)先與 NH4+反應(yīng)；而另一種觀點認為 NH4+與 OH-反應(yīng)生成 NH3H2O，而 HCO3-與 OH-反應(yīng)生成 H2O，H2O 自然比NH3H2O 穩(wěn)定，所以 OH-優(yōu)先與 HCO3-反應(yīng)。到底哪一種說法更加科學(xué)？筆者查閱文獻1-4發(fā)現(xiàn)大都以理論計算的方式研究?；瘜W(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗操作能力的培養(yǎng)、實驗現(xiàn)象背后事實的推理都是化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，但

2、事實上實驗教學(xué)在課堂教學(xué)中有弱化的趨勢。對于競爭反應(yīng)這一知識點在平常的教學(xué)中教師只要求學(xué)生去強記，結(jié)果可想而知，學(xué)生仍然經(jīng)常弄混淆。這對學(xué)生未來化學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展是極為不利的，特別是立志以化學(xué)作為自己未來終身職業(yè)的學(xué)生來說更是如此，因此突出實驗為本的化學(xué)教學(xué)是中學(xué)化學(xué)教師義不容辭的責任。因此如果有機會讓學(xué)生親手實驗、親身探究，教學(xué)效果又是另外一個樣子了。因此筆者使用電導(dǎo)率儀，通過實驗的方式，在反應(yīng)過程中溶液電導(dǎo)率變化的基礎(chǔ)上建立理論建模，用實驗和理論兩相結(jié)合的方式分析競爭性化學(xué)反應(yīng)。將 NH4HCO3 溶于水會電離出的 NH4+和 HCO3-兩種離子，到底哪一種離子先與強堿 OH-反應(yīng)屬于競爭反應(yīng)

3、。查閱文獻多數(shù)專家都是從理論計算方面進行研究的，但這種方式的弊端顯而易見，對于學(xué)生來說過程較為深澀難懂，只能提升教師的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，對學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升幫助不大。因此筆者帶領(lǐng)部分學(xué)有余力的同學(xué)運用手持技術(shù)進行探討，試圖讓學(xué)生掌握更加易于理解的方式，并且在研究的過程中提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科觀念、思維方式和化學(xué)價值觀。特別是化學(xué)思維與方法是人類化學(xué)探索活動中對感性認識材料進行加工處理并形成科學(xué)結(jié)論的思維途徑， 是學(xué)生順利學(xué)習(xí)化學(xué)知識和解決化學(xué)問題過程所應(yīng)具有的化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維視角和方式。能夠通過實驗等方法獲取檢驗科學(xué)結(jié)論的證據(jù)，并基于證據(jù)進行推理。能根據(jù)物質(zhì)的組成元素、構(gòu)成微粒及微粒間

4、作用力的差異對物質(zhì)進行分類， 能從宏觀、微觀相結(jié)合的視角對物質(zhì)及其變化進行化學(xué)符號等形式的表征5?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個方面包括“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認知”、“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)精神與社會責任”等，本文就從這個五個方面對本研究活動進行詳細的闡述。 一、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識 化學(xué)學(xué)科的基本研究方法是實驗，因此從實驗角度去探究 OH-與 NH4+和HCO3-兩種離子中的哪一種先反應(yīng)更加直觀有效。筆者在學(xué)?！把芯啃詫W(xué)習(xí)”活動的支持下，運用較為先進、直觀，并且學(xué)生理解起來相對容易的手持技術(shù)作為研究手段。研究的初期一波三折，學(xué)生們對離子之間的反應(yīng)細節(jié)懵懂

5、不清，不知道該如何去設(shè)計實驗，探究一度陷入困境?？紤]到無論 NH4+和 HCO3-離子哪一種先與 OH-離子反應(yīng)，如果 OH-大大過量肯定是兩種離子都可以被 OH-離子反應(yīng)完，活動小組采用“控制變量法”策略，首先固定 NH4HCO3 的物質(zhì)的量濃度， 再逐漸向 NH4HCO3 溶液中滴加 OH-離子，觀察溶液的電導(dǎo)率變化情況。由于NH4+、HCO3-的摩爾電導(dǎo)率是不相同的，所以兩種離子剩余多少將直接影響溶液的電導(dǎo)率大小。（一）儀器及藥品 儀器：250mL 燒杯（若干）、小試管（若干）、10mL 移液管（3 支）、三量程電導(dǎo)率傳感器（0-20，000s/cm）藥品：NaOH 溶液（1.0mol/

6、L）、NH4HCO3 溶液（0.1mol/L）、蒸餾水（二）實驗步驟 配制 NaOH 溶液（1.0mol/L）、NH4HCO3 溶液（0.1mol/L）；按V (NaOH )V (NH4 HCO3 )為 0、0.5、1.0、2.0、2.5、4.0、5.0、7.5、10.0、11.0、12.0和 13.0 等 12 組混合溶液分別于小燒杯中，編號為 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 和 12 等，溶液總體積固定 40.0mL（詳見表 1）；使用“三量程電導(dǎo)率傳感器”分別測量各組溶液及去離子水的電導(dǎo)率（），記錄數(shù)據(jù)。二、宏觀辨識與微觀探析 圖 1 向 NH4HCO3 溶液逐漸滴加 N

7、aOH 時電導(dǎo)率變化情況 按照實驗設(shè)計方案，用電導(dǎo)率儀測量當向 NH4HCO3 溶液中滴加 NaOH 溶液時溶液電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)（表 1）。發(fā)現(xiàn)當向 NH4HCO3 溶液中滴加 NaOH 溶液時，溶液的電導(dǎo)率先增大后減小，再增大，最終溶液的電導(dǎo)率比原 NH4HCO3 溶液的電導(dǎo)率高出不少。根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)作出 c(OH-)-圖的實驗曲線（圖 1），用“曲線表征”的形式學(xué)生觀察到的溶液電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象更加直觀了。 表 1 c(NaOH):c(NH4HCO3)- 序號c(NaOH):c(NH4HCO3)電導(dǎo)率（）電導(dǎo)率（）01:82:84:88:810:814:816:8604193617231969

8、2327252930553547+1332-213+246+358+202+526+492宏觀現(xiàn)象可以從微觀角度進行解釋，因此可以將此探究過程作為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的素材。溶液的電導(dǎo)率剛開始溶液的電導(dǎo)率竟然會上升，然后有少許的下跌，然后再上揚，當同學(xué)們觀察到較為“奇異”的實驗現(xiàn)象時顯得特別興奮，這一“不正常”的現(xiàn)象馬上激起了學(xué)生們的求知欲。學(xué)生們眼中的宏觀現(xiàn)象需要辨識，因此指導(dǎo)教師就需要帶領(lǐng)學(xué)生進行微觀探究，在這里采用的是“模型建構(gòu)”的方式，要建構(gòu)模型當然需要“證據(jù)推理”。三、證據(jù)推理與模型認知 +-當向 NH4HCO3 溶液中滴加足量的 NaOH 溶液，溶液中發(fā)生的反應(yīng)是 NH4 +

9、HCO3 23232+-2-+ 2OH- NH H O + CO 2- + H O，如果將反應(yīng)拆開可以認為發(fā)生了兩個離子反應(yīng)： NH4 + OH NH3H O 和 HCO3 + OH CO3 + H2O。向混合溶液中逐滴滴加 OH 時兩個反應(yīng)誰先反應(yīng)誰后反應(yīng)呢？筆者采取“極值法”從理論上探討極端情況，“OH-+-先與 NH4 反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后再與 HCO3 反應(yīng)”和“OH 先與 HCO3 反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后再與 NH4 反應(yīng)”兩種情況時溶液電導(dǎo)率變化情況。 表 2 摩爾電導(dǎo)率6離子類型+NH4-HCO3OH-Na+2-CO3摩爾電導(dǎo)率（）73.444.5197.650.11138.5假設(shè)一：若

10、OH-離子先與 NH4+反應(yīng)，再與 HCO3-反應(yīng)表 3 理論上按照假設(shè)一溶液的電導(dǎo)率變化情況 序號OH-先與 NH4+反應(yīng)電導(dǎo)率（）序號-OH-再與 HCO3 反應(yīng)電導(dǎo)率（）+-NH4 + OH NH3H2O-2-HCO3 + OH CO3 + H2O0010:8+101.91:8-23.2914:8+678.342:8-46.5816:8+566.564:8-93.168:8-186.3234假設(shè)二：若 OH-先與 HCO -反應(yīng)，再與 NH +反應(yīng) 表 4 理論上按照假設(shè)二溶液的電導(dǎo)率變化情況序號-OH-先與 HCO3 反應(yīng)電導(dǎo)率（）序號+OH-再與 NH4 反應(yīng)電導(dǎo)率（）-2-HCO3

11、 + OH CO3 + H2O+-NH4 + OH NH3H2O0010:8+1106.71:8+144.1114:8+1013.142:8+288.2216:8+966.564:8+576.448:8+1152.88筆者猜想 OH-在某一個時刻僅僅是和 HCO3-和 NH4+的某一種離子反應(yīng)的情況是不存在的，最大的可能是同時與 HCO3-和 NH4+反應(yīng)，只不過在某一時刻與兩種離子反應(yīng)的程度不同而已。因此綜合假設(shè)一和假設(shè)二的數(shù)據(jù)，筆者與同學(xué)們一起再從理論上探討 OH-在溶液中如果是同時與 HCO3-和 NH4+反應(yīng)的話溶液電導(dǎo)率的變化情況，見表 5。表 5 綜合假設(shè)一和假設(shè)二探討溶液的電導(dǎo)率

12、 序號c(NaOH ) c(NH4 HCO3 )理論 OH-先與NH4 + 反應(yīng) 溶液電導(dǎo)率改變量理論 OH-先與HCO -反應(yīng)溶液3電導(dǎo)率改變量實驗時實際的溶液電導(dǎo)率改變量假設(shè) OH-與 NH4 +反應(yīng)的比例是x，則 OH-與 HCO -反應(yīng)的比例3是（1-x）x 值x值1 x0-1:8-23.29+144.11+1332-23.29x+144.11（1-x）=+1332-2:8-46.58+288.22-213-46.58x+288.22（1-x）=-213-4:8-93.16+576.44+246-93.16x+576.44（1-x）=+2460.49約 1:1（3:3）8:8-186.

13、32+1152.88+358-186.32x+1152.8（1-x）=+3580.593約 3:210:8+101.9+1106.7+202+101.9x+1106.7（1-x）=+2020.748約 3:114:8+678.34+1013.14+526+678.34x+1013.14（1-x）=+526-16:8+566.56+966.56+492+566.56x+966.56（1-x）=+492-從表 5 可以發(fā)現(xiàn)三組數(shù)據(jù)較為特殊，也較有規(guī)律。當c(NaOH ) 分別 c(NH4 HCO3 )-是 4:8、8:8 和 10:8 時，OH-離子與 NH4+和 HCO3 離子反應(yīng)的比例分別是

14、1:1（3:3）、3:2 和 3:1?？梢酝茰y的是當向 NH4HCO3 中滴加 NaOH 溶液時，OH-離子剛開始更多的是與 NH4+離子反應(yīng)，隨著 OH-離子的不斷增加，OH-離子與 HCO3-離子反應(yīng)的比例在不斷增大。四、變化觀念與平衡思想 3433OH-離子無論是與 HCO -反應(yīng)還是與 NH +反應(yīng)均是可逆反應(yīng)，即 HCO - + OH-CO 2- +-+-+ H2O 和 NH4 + OH NH3H2O。當向 HCO3 與 NH4 的混合溶液中滴加 OH 離子時，OH 離子可能會考慮一個問題：我到底先和誰反應(yīng)呢？借助化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)-+43-+-進行前期的探討。有觀點認為，NH4

15、HCO3 與少量 NaOH 反應(yīng)時 OH 與 NH4 優(yōu)先反應(yīng)， 其原因是 OH-與 NH +反應(yīng)的平衡常數(shù)比 OH-與 HCO - 反應(yīng)的平衡常數(shù)大，平衡常數(shù)越大，反應(yīng)越優(yōu)先。這一觀點有待商榷，平衡常數(shù)代表熱力學(xué)控制因素，平衡常數(shù)的越大只是代表該反應(yīng)單獨存在時反應(yīng)進行的程度較大，但是該反應(yīng)平衡建立的時間長短就與化學(xué)動力學(xué)有關(guān)了?；瘜W(xué)熱力學(xué)研究的是“穩(wěn)定的趨勢”，其核心是反應(yīng)進行的程度，而化學(xué)動力學(xué)研究的是“快的趨勢”，即反應(yīng)進行的快慢， 兩者的研究“重心”不同。從 NH3H2O 的電離平衡常數(shù) Kb、H2CO3 的第二步電離平衡常數(shù)數(shù)據(jù) Ka2 可以計算出當 OH 分別與 NH4 、HCO3

16、 反應(yīng)時的平衡常數(shù)。從 K 值可2+-以看出反應(yīng) NH4 +OH NH3H O 的平衡常數(shù)更大，但也只能說明該反應(yīng)的具有更大的傾向性。 +-NH4+OHNH3H2OK1=c(NH3 H2O)=1 =5.61044c(NH )c（OH ） K（NHb3H2O）-2-HCO3+OHCO3+H2Oc(CO 2 )KaK2= 3= 2 =5.61033wc(HCO )c（OH ） K在 NH4HCO3 溶液與 NaOH 溶液反應(yīng)也可以從微觀的角度去分析。NH4+帶正電荷，NH4+中的氮原子周圍包圍四個氫原子，NH4+與 OH-所帶電荷相異，當 OH-中的氧原子從不同的方向與 NH4+接觸時，二者都比較

17、容易發(fā)生反應(yīng)。HCO3-帶負電荷，HCO3- 中的碳原子周圍包圍著兩個氧原子和一個羥基，HCO3-和 OH-所帶電荷相同，只有當 OH-中的氧原子以合適的速率與 HCO3-中的羥基氫原子相接觸時，二者才比較容易發(fā)生反應(yīng)。從電荷和結(jié)構(gòu)的角度來說，OH-與 NH4+的反應(yīng)速率應(yīng)該比 OH-和 HCO3- 的反應(yīng)速率快一些。當大量的 OH-與 NH4+和 HCO3-相互擴散時，一定存在著 OH-與NH4+和 OH-與 HCO3-同時發(fā)生反應(yīng)的機會，只是發(fā)生反應(yīng)的機會大小存在著差異。換個角度來說，當 OH-在溶液中以合適的方向和速率與 HCO3-相遇時，OH-會選擇不與 HCO3-反應(yīng)，而是另外去尋找

18、 NH4+發(fā)生反應(yīng)嗎？當然不會，由于 HCO3- + OH-CO32- + H2O 和 NH4+ + OH-NH3H2O 兩個反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，所以筆者認為反應(yīng)的先后次序本身就是個偽命題，這種選擇性的先后順序純粹是主觀臆測。 由于 NH4+和 HCO3-兩種離子的濃度相對于逐滴滴入的 OH-來說很大，所以同一時刻 OH-會與兩者都反應(yīng)，只是可能反應(yīng)的物質(zhì)的量是不同而已。如果反應(yīng)體系中某種離子的濃度過大或者過小平衡均會發(fā)生移動，所以可以用“變化觀念和平衡思想”的觀點來理解。當不斷地向 NH4+和 HCO3-的混合溶液中滴加 OH-時，用測定溶液電導(dǎo)率變化的方法探究與 OH-反應(yīng)的 NH4+和 H

19、CO3-的比例。從表 5 中 三組數(shù)據(jù)可以看出，隨著 OH-濃度的不斷增加，與 NH4+和 HCO3-反應(yīng)的 OH-的物質(zhì)的量的比例不斷的變化著。與 NH4+反應(yīng)的 OH-越來越多，而與 HCO3-反應(yīng)的 OH-越來越少。這說明當 c(OH-)越小，OH-與 HCO3-反應(yīng)的就越多。當 c(NaOH):c(NH4HCO3)=1 時 ， 可 得 與 OH- 反 應(yīng) 的 NH4+ 和 HCO3- 的 比 例 是c(NH4+):c(HCO3-)=0.5935:(1-0.5935)=1.46。但是這組數(shù)據(jù)是反應(yīng)體系穩(wěn)定之后的結(jié)果，是屬于熱力學(xué)控制的。在 c(OH-)不同時，OH-與 NH4 +和 HC

20、O3-反應(yīng)的比例不同。c(OH-)較小時，OH-與 HCO3-反應(yīng)的較多，與 NH4+反應(yīng)的較少；而 c(OH-)較多時，OH-與 NH4+反應(yīng)的較多，與 HCO3-反應(yīng)的較少。但是在反應(yīng)的那一時刻到底是NH4+還是 HCO3-先與 OH-反應(yīng)，這個屬于動力學(xué)控制的問題其實在本實驗中是無法得到確切結(jié)果的。所以筆者認為 OH-分別與 NH4+、HCO3-的反應(yīng)是同時進行的，無先后順序。 五、社會責任和科學(xué)價值 （一）用研究競爭性反應(yīng)的活動作為培養(yǎng)學(xué)生思辨性的重要載體 何為思辨？按照筆者較為膚淺的理解就是一件事情你不可以想的太極端，不能認為不是這個就是那個。其實很多事情的發(fā)展并非非此即彼的，而是你

21、中有我， 我中有你。研究需要經(jīng)過科學(xué)的分析，抓住主要矛盾和次要矛盾。思辨性思維的培養(yǎng)是具有現(xiàn)實意義的，常規(guī)化學(xué)教學(xué)為了便于考核，一般都會給出確定的答案。例如確定某離子一定是與另一種離子反應(yīng)等，而對競爭反應(yīng)的研究就會帶領(lǐng)學(xué)生跳出這個窠臼，培養(yǎng)了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。類似的問題出現(xiàn)在很多的教學(xué)內(nèi)容中，例如 Na2CO3 溶液由于 CO32-水解顯堿性，當向 Na2CO3 溶液中滴加 H+溶液時，H+是先與 OH-反應(yīng)生成 H2O，還是先與 CO32-反應(yīng)生成 HCO3-呢？NH4Cl 溶液由于 NH4+ 的水解顯酸性，當向 NH4Cl 溶液中滴加 OH-溶液時，OH-是先與 H+反應(yīng)還是先與 NH

22、4+反應(yīng)呢？通過實驗探究活動，同學(xué)們也基本明白了所謂的反應(yīng)順序是沒有的，最多只能說是再某一刻時與兩種離子反應(yīng)的反應(yīng)程度不同而已。在教學(xué)中競爭性的問題很多，所以該理念的主要思路：實際上并無先后之別的競爭反應(yīng)被人為的分出了先后，這就必然會導(dǎo)致師生對化學(xué)反應(yīng)原理的認識出現(xiàn)偏差甚至錯誤。競爭反應(yīng)的價值培養(yǎng)了學(xué)生的思辨功能，在遇到這些教學(xué)問題時，教師應(yīng)該怎么說才能體現(xiàn)思辨的教學(xué)功能。誠然，由于學(xué)生的認知發(fā)展具有階段性，而且化學(xué)反應(yīng)常常是以化學(xué)方程式的形式，因此學(xué)生普遍認為化學(xué)反應(yīng)的肯定性，但事實上絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)具有復(fù)雜性。由于教學(xué)考核的需要，在教學(xué)試題中也存在“決絕”性質(zhì)的題目，遵循“不是這個就一定是那個”的理念，但這是與真實的化學(xué)反應(yīng)不一致的，影響學(xué)生的化學(xué)思維的發(fā)展。培養(yǎng)學(xué)生“辯證統(tǒng)一”的價值觀，而不是