“证据推理与模型认知”指导的实验-原理整合复习——以水溶液中的离子竞争反应为例

• 摘要：本文通过水溶液中的离子竞争反应，将实验复习与原理复习互相整合，通过利用原理解释实验现象来活化原理知识，使学生对实验的认识从现象上升到本质。原理的复习通过实验进行验证，体现理论的指导作用和实验的实证功能。二者相结合有效落实“证据推理与模型认知”，有利于提高学生的核心素养。
  关键词：证据推理与模型认知；离子竞争反应；教学设计和实践；
  一、文献调查
  为了将实验与原理整合进行教学，活化“沉淀溶解平衡”“氧化还原”“原电池”等原理，进行了深入的文献调查：徐凯里[1]在化学教育上发表的文章“建模思想在化学原理教学中的运用”通过竞争反应与海水晒盐２个案例，指出在化学原理教学过程中运用建模思想，可以使复杂的过程变得简洁、抽象，从而明晰现象背后的原理、规律。范书宁等[2]在化学教学上发表的文章“关于中学化学中竞争反应先后顺序的讨论”从化学热力学、动力学视角对中学化学中竞争反应先后顺序问题进行理论分析，指出在中学化学教学中应谨慎讨论竞争反应先后顺序问题，建议将竞争反应置于有应用意义的真实情境问题解决中学习，有利于提高学生的核心素养。吴文中等[3]在化学教学上发表的文章“深刻理解体验相互竞争的平行反应”指出许多化学反应存在多个相互竞争的平行反应，实际发生可能是化学反应限度( 热力学) 主导，也可能是反应速率( 动力学)主导，亦或由热力学动力学共同驱动。如何理解相互竞争的多个平行反应? 通过着重解读2017年北京化学高考28 题读懂这类相互竞争的平行反应，以纠正对竞争反应的不够全面的看法，并提出相关的教学策略。
  二、整合设计与实践
  高三化学复习中，学生对原理的复习存在从原理到原理，缺乏实验实证；实验复习强记模板套路，缺乏理论支持而难以找到解决问题的角度，没有稳定的解决策略。如何通过课堂教学落实“证据推理与模型认知”的化学核心素养，让学生建立化学学科逻辑？本文以“Ag+与I－的反应”为例，整合原理复习和实验复习，将二者有机结合，通过实验来引导学生思考探究离子间会发生哪些反应？反应的先后顺序怎样？怎样设计实验验证？分别应该有哪些实验现象？在学生自主设计、验证、改进实验的过程中，要求设计方案合理可行，操作现象明显。如何在多种可行探究方案中进行优选，能很好地提升学生思维的严密性。本文对实际问题的解决中涉及“沉淀溶解平衡原理”“氧化还原反应原理”“原电池反应原理”等原理模型，有助于深化认识和熟练运用这些原理，通过层层递进的实践活动培养学生的创新精神和实证精神。
  【探究实验】已知Ag+具有较强的氧化性，I－具有较强的还原性，根据氧化还原理论推测Ag+与I－会发生什么反应，写出对应离子反应方程式。设计实验验证推测。(已知：低浓度的碘水为黄色)。

  【预测反应】	2Ag+ + 2I－ = 2Ag↓ + I2
  【实验设计】	（一般思路：根据反应原理方程式选择试剂） 将浓度均为0.5mol/L的AgNO3溶液和KI溶液等体积混合反应，观察现象。
  【实验现象】	瞬间产生大量黄色沉淀，溶液不变黄。
  【分析评价】	二者发生了复分解反应，生成了AgI沉淀，并未发生预期的氧化还原反应。 Ag+与I－发生“复分解反应”与发生“氧化还原反应”属于平行竞争反应，前者速率远远大于后者，在竞争中占优势。
  【反思】	Ag+与I－在溶液中直接接触氧化困难，能否通过第三方微粒间接实验判断？
  【改进预测1】	Ag+ + Fe2+ = Ag↓ + Fe3+，2 Fe3+ + 2I－= 2Fe2+ + I2
  【实验设计】	向5ml 0.1mol/L的FeSO4溶液中滴入0.5ml 0.01mol/L的AgNO3溶液，再滴入几滴KSCN溶液，观察现象1；向5ml 0.1mol/L的KI溶液中滴入0.5ml 0.1mol/L的FeCl3溶液，再滴入几滴K3[Fe(CN)6]溶液，观察现象2。
  【实验现象】	现象1：先出现少量黑色浑浊，滴入几滴KSCN溶液后溶液变红； 现象2：滴入几滴K3[Fe(CN)6]溶液后产生蓝色沉淀。
  【分析评价】	该实验能够间接说明Ag+与I－能够发生氧化还原反应，但也存在酸性环境下Fe2+被O2氧化为Fe3+、被NO3－氧化为Fe3+等可能的干扰，应做对照实验排除。
  【反思】	间接实验过程复杂，能不能设计成Ag+与I－在不同的区域同时发生氧化反应和还原反应来直接判断Ag+能氧化I－？
  【改进预测2】	Ag+ + e－ = Ag， 2I－－2e－= I2
  【实验设计】	20ml 0.5mol/L的AgNO3溶液和KI溶液分别加入两个电极槽，用导线连接两槽的石墨电极，用KNO3盐桥沟通两个电极槽，观察现象。
  【实验现象】	一段时间后，装KI溶液的电极槽中电极附近溶液显黄色，取少量该溶液于试管中滴加淀粉溶液后显蓝色。
  【分析评价】	该设计能够直接判断Ag+与I－能够发生氧化还原反应，通过Ag+和I－分隔的方式阻止了具有竞争优势的复分解反应的发生，且通过远离电极区域溶液不变黄色排除了I－被氧气氧化为 I2的可能。为判断Ag+与I－能够发生氧化还原反应的最佳方案。
  【反思】	Ag+与I－发生复分解反应的速率远远大于氧化还原反应，复分解的产物AgI也比氧化还原反应产物稳定吗？
  【细节深思】	原电池工作一段时间后，盐桥中先出现少量黄色沉淀，后逐渐变黑，结合卤化银的感光性，AgI可以见光分解成银单质，表明复分解反应产物会继续发生氧化还原反应，氧化还原产物更稳定。

  三、实验小结：
  将Ag+与I－的反应设计为原电池反应，可直接氧化还原生成Ag和I2；Ag+与I－直接接触先产生AgI沉淀，后感光转化Ag。二者都存在竞争反应，且随着时间延长，产物发生了变化。说明速率快的开始具有竞争优势，但产物不一定稳定，还可能随着时间延长转化为更稳定的产物。结合“能量—反应过程”二维图可得出如下结论：①平行反应之间，活化能较小、反应较快的在反应中具有竞争优势（动力学即速率决定）；②随着时间的延长，产物稳定、平衡常数大的反应具有竞争优势（热力学即平衡决定）；③反应较快但平衡常数小的反应先发生，随着时间的延长会逐步转化为平衡常数大的反应的产物。
   
  四、实践反思
  该探究过程研究离子互换反应和氧化还原反应的竞争，根据现场信息和原理预测反应，预测现象，设计实验进行验证，整合了“沉淀溶解平衡”“氧化还原反应”“原电池反应”。
  探究过程中要根据信息，现场设计实验，要求更高，是对原理的深度实践应用：如右图，首先根据信息预期Ag+与I－直接接触发生氧化还原反应，进行实验，出现非预期结果（产生思维冲突），根据原理分析评价，进行实验设计改进，进行实验验证改进设计，探讨干扰，分析评价方案的优缺点，进一步改进改设计，进行实验探究。整个过程都是基于如何更好地完成实验目的——验证Ag+能够氧化I－，结合所学原理，逐层改进优化方案。最后根据速率和平衡原理，对异常细节现象深入分析，进一步活化所学原理。严密的思维活动能够很好地训练学生的思维品质，体会原理的指导功能。
  实验-原理整合复习能帮助学生建立化学学科逻辑：如何从事实出发，联系原理分析现象、解释原因；如何从信息出发，联系原理预测反应、设计实验、验证并评价；如何从物质性质出发，联系原理预测反应、设计实验、验证并评价。最后，高度重视实验教学是课程改革的基本要求，理论结合实际，理论指导实践是化学学科的内在要求；通过实践深化理解原理，通过实践将原理内化为学科素养是原理教学的必由之路。
  摘要：本文通过水溶液中的离子竞争反应，将实验复习与原理复习互相整合，通过利用原理解释实验现象来活化原理知识，使学生对实验的认识从现象上升到本质。原理的复习通过实验进行验证，体现理论的指导作用和实验的实证功能。二者相结合有效落实“证据推理与模型认知”，有利于提高学生的核心素养。
  关键词：证据推理与模型认知；离子竞争反应；教学设计和实践；
  一、文献调查
  为了将实验与原理整合进行教学，活化“沉淀溶解平衡”“氧化还原”“原电池”等原理，进行了深入的文献调查：徐凯里[1]在化学教育上发表的文章“建模思想在化学原理教学中的运用”通过竞争反应与海水晒盐２个案例，指出在化学原理教学过程中运用建模思想，可以使复杂的过程变得简洁、抽象，从而明晰现象背后的原理、规律。范书宁等[2]在化学教学上发表的文章“关于中学化学中竞争反应先后顺序的讨论”从化学热力学、动力学视角对中学化学中竞争反应先后顺序问题进行理论分析，指出在中学化学教学中应谨慎讨论竞争反应先后顺序问题，建议将竞争反应置于有应用意义的真实情境问题解决中学习，有利于提高学生的核心素养。吴文中等[3]在化学教学上发表的文章“深刻理解体验相互竞争的平行反应”指出许多化学反应存在多个相互竞争的平行反应，实际发生可能是化学反应限度( 热力学) 主导，也可能是反应速率( 动力学)主导，亦或由热力学动力学共同驱动。如何理解相互竞争的多个平行反应? 通过着重解读2017年北京化学高考28 题读懂这类相互竞争的平行反应，以纠正对竞争反应的不够全面的看法，并提出相关的教学策略。
  二、整合设计与实践
  高三化学复习中，学生对原理的复习存在从原理到原理，缺乏实验实证；实验复习强记模板套路，缺乏理论支持而难以找到解决问题的角度，没有稳定的解决策略。如何通过课堂教学落实“证据推理与模型认知”的化学核心素养，让学生建立化学学科逻辑？本文以“Ag+与I－的反应”为例，整合原理复习和实验复习，将二者有机结合，通过实验来引导学生思考探究离子间会发生哪些反应？反应的先后顺序怎样？怎样设计实验验证？分别应该有哪些实验现象？在学生自主设计、验证、改进实验的过程中，要求设计方案合理可行，操作现象明显。如何在多种可行探究方案中进行优选，能很好地提升学生思维的严密性。本文对实际问题的解决中涉及“沉淀溶解平衡原理”“氧化还原反应原理”“原电池反应原理”等原理模型，有助于深化认识和熟练运用这些原理，通过层层递进的实践活动培养学生的创新精神和实证精神。
  【探究实验】已知Ag+具有较强的氧化性，I－具有较强的还原性，根据氧化还原理论推测Ag+与I－会发生什么反应，写出对应离子反应方程式。设计实验验证推测。(已知：低浓度的碘水为黄色)。

  【预测反应】	2Ag+ + 2I－ = 2Ag↓ + I2
  【实验设计】	（一般思路：根据反应原理方程式选择试剂） 将浓度均为0.5mol/L的AgNO3溶液和KI溶液等体积混合反应，观察现象。
  【实验现象】	瞬间产生大量黄色沉淀，溶液不变黄。
  【分析评价】	二者发生了复分解反应，生成了AgI沉淀，并未发生预期的氧化还原反应。 Ag+与I－发生“复分解反应”与发生“氧化还原反应”属于平行竞争反应，前者速率远远大于后者，在竞争中占优势。
  【反思】	Ag+与I－在溶液中直接接触氧化困难，能否通过第三方微粒间接实验判断？
  【改进预测1】	Ag+ + Fe2+ = Ag↓ + Fe3+，2 Fe3+ + 2I－= 2Fe2+ + I2
  【实验设计】	向5ml 0.1mol/L的FeSO4溶液中滴入0.5ml 0.01mol/L的AgNO3溶液，再滴入几滴KSCN溶液，观察现象1；向5ml 0.1mol/L的KI溶液中滴入0.5ml 0.1mol/L的FeCl3溶液，再滴入几滴K3[Fe(CN)6]溶液，观察现象2。
  【实验现象】	现象1：先出现少量黑色浑浊，滴入几滴KSCN溶液后溶液变红； 现象2：滴入几滴K3[Fe(CN)6]溶液后产生蓝色沉淀。
  【分析评价】	该实验能够间接说明Ag+与I－能够发生氧化还原反应，但也存在酸性环境下Fe2+被O2氧化为Fe3+、被NO3－氧化为Fe3+等可能的干扰，应做对照实验排除。
  【反思】	间接实验过程复杂，能不能设计成Ag+与I－在不同的区域同时发生氧化反应和还原反应来直接判断Ag+能氧化I－？
  【改进预测2】	Ag+ + e－ = Ag， 2I－－2e－= I2
  【实验设计】	20ml 0.5mol/L的AgNO3溶液和KI溶液分别加入两个电极槽，用导线连接两槽的石墨电极，用KNO3盐桥沟通两个电极槽，观察现象。
  【实验现象】	一段时间后，装KI溶液的电极槽中电极附近溶液显黄色，取少量该溶液于试管中滴加淀粉溶液后显蓝色。
  【分析评价】	该设计能够直接判断Ag+与I－能够发生氧化还原反应，通过Ag+和I－分隔的方式阻止了具有竞争优势的复分解反应的发生，且通过远离电极区域溶液不变黄色排除了I－被氧气氧化为 I2的可能。为判断Ag+与I－能够发生氧化还原反应的最佳方案。
  【反思】	Ag+与I－发生复分解反应的速率远远大于氧化还原反应，复分解的产物AgI也比氧化还原反应产物稳定吗？
  【细节深思】	原电池工作一段时间后，盐桥中先出现少量黄色沉淀，后逐渐变黑，结合卤化银的感光性，AgI可以见光分解成银单质，表明复分解反应产物会继续发生氧化还原反应，氧化还原产物更稳定。

  三、实验小结：
  将Ag+与I－的反应设计为原电池反应，可直接氧化还原生成Ag和I2；Ag+与I－直接接触先产生AgI沉淀，后感光转化Ag。二者都存在竞争反应，且随着时间延长，产物发生了变化。说明速率快的开始具有竞争优势，但产物不一定稳定，还可能随着时间延长转化为更稳定的产物。结合“能量—反应过程”二维图可得出如下结论：①平行反应之间，活化能较小、反应较快的在反应中具有竞争优势（动力学即速率决定）；②随着时间的延长，产物稳定、平衡常数大的反应具有竞争优势（热力学即平衡决定）；③反应较快但平衡常数小的反应先发生，随着时间的延长会逐步转化为平衡常数大的反应的产物。
   
  四、实践反思
  该探究过程研究离子互换反应和氧化还原反应的竞争，根据现场信息和原理预测反应，预测现象，设计实验进行验证，整合了“沉淀溶解平衡”“氧化还原反应”“原电池反应”。
  探究过程中要根据信息，现场设计实验，要求更高，是对原理的深度实践应用：如右图，首先根据信息预期Ag+与I－直接接触发生氧化还原反应，进行实验，出现非预期结果（产生思维冲突），根据原理分析评价，进行实验设计改进，进行实验验证改进设计，探讨干扰，分析评价方案的优缺点，进一步改进改设计，进行实验探究。整个过程都是基于如何更好地完成实验目的——验证Ag+能够氧化I－，结合所学原理，逐层改进优化方案。最后根据速率和平衡原理，对异常细节现象深入分析，进一步活化所学原理。严密的思维活动能够很好地训练学生的思维品质，体会原理的指导功能。
  实验-原理整合复习能帮助学生建立化学学科逻辑：如何从事实出发，联系原理分析现象、解释原因；如何从信息出发，联系原理预测反应、设计实验、验证并评价；如何从物质性质出发，联系原理预测反应、设计实验、验证并评价。最后，高度重视实验教学是课程改革的基本要求，理论结合实际，理论指导实践是化学学科的内在要求；通过实践深化理解原理，通过实践将原理内化为学科素养是原理教学的必由之路。
   
发布日期：2020-08-06 09:01:23 浏览：