从竞争反应看化学反应的思辨价值

1、从竞争反应看化学反应的思辨价值 43 -以 OH与 NH +、HCO 反应为例 NH4HCO3 溶于水电离出的 NH4+和 HCO3-离子到底哪一种先与 OH-反应呢？一种观点认为 NH4+溶液显酸性，而 HCO3-溶液显碱性，所以 OH-优先与 NH4+反应；而另一种观点认为 NH4+与 OH-反应生成 NH3H2O，而 HCO3-与 OH-反应生成 H2O，H2O 自然比NH3H2O 稳定，所以 OH-优先与 HCO3-反应。到底哪一种说法更加科学？笔者查阅文献1-4发现大都以理论计算的方式研究。化学是以实验为基础的学科，实验操作能力的培养、实验现象背后事实的推理都是化学教学的重要内容，但

2、事实上实验教学在课堂教学中有弱化的趋势。对于竞争反应这一知识点在平常的教学中教师只要求学生去强记，结果可想而知，学生仍然经常弄混淆。这对学生未来化学素养的发展是极为不利的，特别是立志以化学作为自己未来终身职业的学生来说更是如此，因此突出实验为本的化学教学是中学化学教师义不容辞的责任。因此如果有机会让学生亲手实验、亲身探究，教学效果又是另外一个样子了。因此笔者使用电导率仪，通过实验的方式，在反应过程中溶液电导率变化的基础上建立理论建模，用实验和理论两相结合的方式分析竞争性化学反应。将 NH4HCO3 溶于水会电离出的 NH4+和 HCO3-两种离子，到底哪一种离子先与强碱 OH-反应属于竞争反应

3、。查阅文献多数专家都是从理论计算方面进行研究的，但这种方式的弊端显而易见，对于学生来说过程较为深涩难懂，只能提升教师的化学学科核心素养，对学生的化学学科核心素养的提升帮助不大。因此笔者带领部分学有余力的同学运用手持技术进行探讨，试图让学生掌握更加易于理解的方式，并且在研究的过程中提升学生的化学学科观念、思维方式和化学价值观。特别是化学思维与方法是人类化学探索活动中对感性认识材料进行加工处理并形成科学结论的思维途径， 是学生顺利学习化学知识和解决化学问题过程所应具有的化学学科特质的思维视角和方式。能够通过实验等方法获取检验科学结论的证据，并基于证据进行推理。能根据物质的组成元素、构成微粒及微粒间

4、作用力的差异对物质进行分类， 能从宏观、微观相结合的视角对物质及其变化进行化学符号等形式的表征5。化学学科核心素养的五个方面包括“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”和“科学精神与社会责任”等，本文就从这个五个方面对本研究活动进行详细的阐述。 一、科学探究与创新意识 化学学科的基本研究方法是实验，因此从实验角度去探究 OH-与 NH4+和HCO3-两种离子中的哪一种先反应更加直观有效。笔者在学校“研究性学习”活动的支持下，运用较为先进、直观，并且学生理解起来相对容易的手持技术作为研究手段。研究的初期一波三折，学生们对离子之间的反应细节懵懂

5、不清，不知道该如何去设计实验，探究一度陷入困境。考虑到无论 NH4+和 HCO3-离子哪一种先与 OH-离子反应，如果 OH-大大过量肯定是两种离子都可以被 OH-离子反应完，活动小组采用“控制变量法”策略，首先固定 NH4HCO3 的物质的量浓度， 再逐渐向 NH4HCO3 溶液中滴加 OH-离子，观察溶液的电导率变化情况。由于NH4+、HCO3-的摩尔电导率是不相同的，所以两种离子剩余多少将直接影响溶液的电导率大小。（一）仪器及药品 仪器：250mL 烧杯（若干）、小试管（若干）、10mL 移液管（3 支）、三量程电导率传感器（0-20，000s/cm）药品：NaOH 溶液（1.0mol/

6、L）、NH4HCO3 溶液（0.1mol/L）、蒸馏水（二）实验步骤 配制 NaOH 溶液（1.0mol/L）、NH4HCO3 溶液（0.1mol/L）；按V (NaOH )V (NH4 HCO3 )为 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 组混合溶液分别于小烧杯中，编号为 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 和 12 等，溶液总体积固定 40.0mL（详见表 1）；使用“三量程电导率传感器”分别测量各组溶液及去离子水的电导率（），记录数据。二、宏观辨识与微观探析 图 1 向 NH4HCO3 溶液逐渐滴加 N

7、aOH 时电导率变化情况 按照实验设计方案，用电导率仪测量当向 NH4HCO3 溶液中滴加 NaOH 溶液时溶液电导率的数据（表 1）。发现当向 NH4HCO3 溶液中滴加 NaOH 溶液时，溶液的电导率先增大后减小，再增大，最终溶液的电导率比原 NH4HCO3 溶液的电导率高出不少。根据表 1 数据作出 c(OH-)-图的实验曲线（图 1），用“曲线表征”的形式学生观察到的溶液电导率的变化现象更加直观了。 表 1 c(NaOH):c(NH4HCO3)- 序号c(NaOH):c(NH4HCO3)电导率（）电导率（）01:82:84:88:810:814:816:8604193617231969

8、2327252930553547+1332-213+246+358+202+526+492宏观现象可以从微观角度进行解释，因此可以将此探究过程作为培养学生化学学科核心素养的素材。溶液的电导率刚开始溶液的电导率竟然会上升，然后有少许的下跌，然后再上扬，当同学们观察到较为“奇异”的实验现象时显得特别兴奋，这一“不正常”的现象马上激起了学生们的求知欲。学生们眼中的宏观现象需要辨识，因此指导教师就需要带领学生进行微观探究，在这里采用的是“模型建构”的方式，要建构模型当然需要“证据推理”。三、证据推理与模型认知 +-当向 NH4HCO3 溶液中滴加足量的 NaOH 溶液，溶液中发生的反应是 NH4 +

9、HCO3 23232+-2-+ 2OH- NH H O + CO 2- + H O，如果将反应拆开可以认为发生了两个离子反应： NH4 + OH NH3H O 和 HCO3 + OH CO3 + H2O。向混合溶液中逐滴滴加 OH 时两个反应谁先反应谁后反应呢？笔者采取“极值法”从理论上探讨极端情况，“OH-+-先与 NH4 反应，反应结束后再与 HCO3 反应”和“OH 先与 HCO3 反应，反应结束后再与 NH4 反应”两种情况时溶液电导率变化情况。 表 2 摩尔电导率6离子类型+NH4-HCO3OH-Na+2-CO3摩尔电导率（）73.444.5197.650.11138.5假设一：若

10、OH-离子先与 NH4+反应，再与 HCO3-反应表 3 理论上按照假设一溶液的电导率变化情况 序号OH-先与 NH4+反应电导率（）序号-OH-再与 HCO3 反应电导率（）+-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假设二：若 OH-先与 HCO -反应，再与 NH +反应 表 4 理论上按照假设二溶液的电导率变化情况序号-OH-先与 HCO3 反应电导率（）序号+OH-再与 NH4 反应电导率（）-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笔者猜想 OH-在某一个时刻仅仅是和 HCO3-和 NH4+的某一种离子反应的情况是不存在的，最大的可能是同时与 HCO3-和 NH4+反应，只不过在某一时刻与两种离子反应的程度不同而已。因此综合假设一和假设二的数据，笔者与同学们一起再从理论上探讨 OH-在溶液中如果是同时与 HCO3-和 NH4+反应的话溶液电导率的变化情况，见表 5。表 5 综合假设一和假设二探讨溶液的电导率

12、 序号c(NaOH ) c(NH4 HCO3 )理论 OH-先与NH4 + 反应 溶液电导率改变量理论 OH-先与HCO -反应溶液3电导率改变量实验时实际的溶液电导率改变量假设 OH-与 NH4 +反应的比例是x，则 OH-与 HCO -反应的比例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约 1:1（3:3）8:8-186.

13、32+1152.88+358-186.32x+1152.8（1-x）=+3580.593约 3:210:8+101.9+1106.7+202+101.9x+1106.7（1-x）=+2020.748约 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-从表 5 可以发现三组数据较为特殊，也较有规律。当c(NaOH ) 分别 c(NH4 HCO3 )-是 4:8、8:8 和 10:8 时，OH-离子与 NH4+和 HCO3 离子反应的比例分别是

14、1:1（3:3）、3:2 和 3:1。可以推测的是当向 NH4HCO3 中滴加 NaOH 溶液时，OH-离子刚开始更多的是与 NH4+离子反应，随着 OH-离子的不断增加，OH-离子与 HCO3-离子反应的比例在不断增大。四、变化观念与平衡思想 3433OH-离子无论是与 HCO -反应还是与 NH +反应均是可逆反应，即 HCO - + OH-CO 2- +-+-+ H2O 和 NH4 + OH NH3H2O。当向 HCO3 与 NH4 的混合溶液中滴加 OH 离子时，OH 离子可能会考虑一个问题：我到底先和谁反应呢？借助化学热力学和化学动力学-+43-+-进行前期的探讨。有观点认为，NH4

15、HCO3 与少量 NaOH 反应时 OH 与 NH4 优先反应， 其原因是 OH-与 NH +反应的平衡常数比 OH-与 HCO - 反应的平衡常数大，平衡常数越大，反应越优先。这一观点有待商榷，平衡常数代表热力学控制因素，平衡常数的越大只是代表该反应单独存在时反应进行的程度较大，但是该反应平衡建立的时间长短就与化学动力学有关了。化学热力学研究的是“稳定的趋势”，其核心是反应进行的程度，而化学动力学研究的是“快的趋势”，即反应进行的快慢， 两者的研究“重心”不同。从 NH3H2O 的电离平衡常数 Kb、H2CO3 的第二步电离平衡常数数据 Ka2 可以计算出当 OH 分别与 NH4 、HCO3

16、 反应时的平衡常数。从 K 值可2+-以看出反应 NH4 +OH NH3H O 的平衡常数更大，但也只能说明该反应的具有更大的倾向性。 +-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 溶液与 NaOH 溶液反应也可以从微观的角度去分析。NH4+带正电荷，NH4+中的氮原子周围包围四个氢原子，NH4+与 OH-所带电荷相异，当 OH-中的氧原子从不同的方向与 NH4+接触时，二者都比较

17、容易发生反应。HCO3-带负电荷，HCO3- 中的碳原子周围包围着两个氧原子和一个羟基，HCO3-和 OH-所带电荷相同，只有当 OH-中的氧原子以合适的速率与 HCO3-中的羟基氢原子相接触时，二者才比较容易发生反应。从电荷和结构的角度来说，OH-与 NH4+的反应速率应该比 OH-和 HCO3- 的反应速率快一些。当大量的 OH-与 NH4+和 HCO3-相互扩散时，一定存在着 OH-与NH4+和 OH-与 HCO3-同时发生反应的机会，只是发生反应的机会大小存在着差异。换个角度来说，当 OH-在溶液中以合适的方向和速率与 HCO3-相遇时，OH-会选择不与 HCO3-反应，而是另外去寻找

18、 NH4+发生反应吗？当然不会，由于 HCO3- + OH-CO32- + H2O 和 NH4+ + OH-NH3H2O 两个反应都是可逆反应，所以笔者认为反应的先后次序本身就是个伪命题，这种选择性的先后顺序纯粹是主观臆测。 由于 NH4+和 HCO3-两种离子的浓度相对于逐滴滴入的 OH-来说很大，所以同一时刻 OH-会与两者都反应，只是可能反应的物质的量是不同而已。如果反应体系中某种离子的浓度过大或者过小平衡均会发生移动，所以可以用“变化观念和平衡思想”的观点来理解。当不断地向 NH4+和 HCO3-的混合溶液中滴加 OH-时，用测定溶液电导率变化的方法探究与 OH-反应的 NH4+和 H

19、CO3-的比例。从表 5 中 三组数据可以看出，随着 OH-浓度的不断增加，与 NH4+和 HCO3-反应的 OH-的物质的量的比例不断的变化着。与 NH4+反应的 OH-越来越多，而与 HCO3-反应的 OH-越来越少。这说明当 c(OH-)越小，OH-与 HCO3-反应的就越多。当 c(NaOH):c(NH4HCO3)=1 时 ， 可 得 与 OH- 反 应 的 NH4+ 和 HCO3- 的 比 例 是c(NH4+):c(HCO3-)=0.5935:(1-0.5935)=1.46。但是这组数据是反应体系稳定之后的结果，是属于热力学控制的。在 c(OH-)不同时，OH-与 NH4 +和 HC

20、O3-反应的比例不同。c(OH-)较小时，OH-与 HCO3-反应的较多，与 NH4+反应的较少；而 c(OH-)较多时，OH-与 NH4+反应的较多，与 HCO3-反应的较少。但是在反应的那一时刻到底是NH4+还是 HCO3-先与 OH-反应，这个属于动力学控制的问题其实在本实验中是无法得到确切结果的。所以笔者认为 OH-分别与 NH4+、HCO3-的反应是同时进行的，无先后顺序。 五、社会责任和科学价值 （一）用研究竞争性反应的活动作为培养学生思辨性的重要载体 何为思辨？按照笔者较为肤浅的理解就是一件事情你不可以想的太极端，不能认为不是这个就是那个。其实很多事情的发展并非非此即彼的，而是你

21、中有我， 我中有你。研究需要经过科学的分析，抓住主要矛盾和次要矛盾。思辨性思维的培养是具有现实意义的，常规化学教学为了便于考核，一般都会给出确定的答案。例如确定某离子一定是与另一种离子反应等，而对竞争反应的研究就会带领学生跳出这个窠臼，培养了学生化学学科核心素养。类似的问题出现在很多的教学内容中，例如 Na2CO3 溶液由于 CO32-水解显碱性，当向 Na2CO3 溶液中滴加 H+溶液时，H+是先与 OH-反应生成 H2O，还是先与 CO32-反应生成 HCO3-呢？NH4Cl 溶液由于 NH4+ 的水解显酸性，当向 NH4Cl 溶液中滴加 OH-溶液时，OH-是先与 H+反应还是先与 NH

22、4+反应呢？通过实验探究活动，同学们也基本明白了所谓的反应顺序是没有的，最多只能说是再某一刻时与两种离子反应的反应程度不同而已。在教学中竞争性的问题很多，所以该理念的主要思路：实际上并无先后之别的竞争反应被人为的分出了先后，这就必然会导致师生对化学反应原理的认识出现偏差甚至错误。竞争反应的价值培养了学生的思辨功能，在遇到这些教学问题时，教师应该怎么说才能体现思辨的教学功能。诚然，由于学生的认知发展具有阶段性，而且化学反应常常是以化学方程式的形式，因此学生普遍认为化学反应的肯定性，但事实上绝大多数的化学反应具有复杂性。由于教学考核的需要，在教学试题中也存在“决绝”性质的题目，遵循“不是这个就一定是那个”的理念，但这是与真实的化学反应不一致的，影响学生的化学思维的发展。培养学生“辩证统一”的价值观，而不是