浅谈化学反应的微观变化与宏观现象描述之间的矛盾及成因

许鸿福

摘要：本文通过实例，分析了物质之间微观上的化学反应以及由此引起的宏观上的现象变化之间矛盾的原因。

1、问题的提出

物质之间微观上的化学变化常伴有宏观上的现象变化，而现象变化又从另一个侧面证明了体系内发生的化学反应。例如，一定条件下的水溶液中，两种溶液之间发生的化学变化常伴有难溶物的生成与溶解、挥发性物质的产生（如气体的颜色与气味）、体系的颜色变化等易于观察的现象变化，有时还会引起体系温度和酸碱性（pH值）的变化。物质之间发生的化学反应是绝对的、确定的，但是，由物质变化引起的现象变化则是相对的、有条件的，因为“物质变化是有条件的”，涉及“宏观与微观”以及“量变与质变”等化学思想方法问题[1]。既然涉及反应的“量”的问题，那么，关于化学变化过程中的现象分析和原因解释也应该具体问题具体分析，不能仅凭经验理解，更不能凭借定势思维想当然地解释，例如中学阶段关于Fe2+与Fe3+之间的转化问题，二者的相互转化涉及的内容很多，包括有氧化性（还原性）、催化作用、离子检验等等，这些变化大都涉及到溶液的颜色变化，而这种颜色变化常常被人们认为是一定的或必然的，其实不然，因为溶液的颜色变化涉及到物质的浓度问题，当浓度很小时，人们的眼睛是观察不到溶液颜色变化的。

例1.（2010-上海-13）下列实验过程中，始终无明显现象的是

A. NO2通入FeSO4溶液中 B.CO2通入CaCl2溶液中

C. NH3通入AlCl3溶液中 D.SO2通入已酸化的Ba（NO3）2溶液中

NO2通入FeSO4溶液中一定有明显现象吗？

分析：对于A选项，涉及的化学反应有：

3NO2+H2O=2H++2NO3-+NO

3Fe2++NO3-+4H+=3Fe3++NO↑+2H2O

合并两式得到：3NO2+3Fe2++2H+=3Fe3++NO3-+2NO+H2O

反应涉及到的变化有两个：一是物质变化，即Fe2+转化为Fe3+；二是现象变化，即有刺激性气味的气体产生，该气体空气中变为红棕色，溶液颜色可能由浅绿色变为黄色。命题人根据NO2通入FeSO4溶液中一定发生了化学变化为依据判定出A选项一定出现了明显的现象。事实上，如果溶液的浓度很小，小到肉眼观察不到现象变化的时候，A选项就不正确了。如果命题人一定要把溶液颜色变化当作明显的现象变化的判据，则必须注明Fe2+的浓度，比如1mol/L，只有浓度（也就是量）达到一定范围时，这种明显的变化才可以观察到，当c（Fe2+）（题干也没有指明）很小，比如0.001mol/L时，我们是很难也眼睛辨别明显的现象变化的。同样，也不可能把逸出的气体作为判断依据，因为通入气体和逸出的气体混在一起，而且又都是有刺激性气味的气体，逸出的是反应产生的气体还是没有反应或来不及反应的气体呢。本题命题人忽视了实际发生的化学变化和对应的现象之间的“量”的关系。问题解决也不难，只要指明反应体系的浓度（视觉可以观察到的范围之内）或把“明显现象”改为“一定发生了反应”就可以了，或改为“向1mol/L的Fe（NO3）2溶液中加入稀硫酸”，因为该变化过程中不仅可以观察到颜色变化，还有气体逸出。类似情况，2006年高考广东化学试题第18小题（见例2）就比较严密，试题通过一个物质检验的灵敏反应达到目的。

例2.下列实验中，溶液颜色有明显变化的是

A. 少量明矾溶液加入到过量NaOH溶液中

B. 往FeCl3溶液中滴入KI溶液，再滴入淀粉溶液

C. 少量Na2O2固体加入到过量NaHSO3溶液中

D. 往酸性高锰酸钾溶液中滴入少量Fe2（SO4）3稀溶液

综上所述可知，化学反应确实发生了，因为微观发生的化学变化的量的问题，宏观上不一定会出现明显的现象变化。

2、微观化学变化与宏观现象描述的矛盾分析

2.1变化现象与变化原因不对应

在教学过程中经常会遇到化学反应与反应现象（结果）之间的定性与定量问题的原因分析与解释，此类问题不仅在试题中经常出现，在教材中也时常见到，例如人教版选修4《化学反应原理》（2007年2月版）中，关于盐类水解的原因解释，给出了氯化铵、氯化钠和醋酸钠三种盐的pH值（教材图3-14）：

通过图示，我们可以很直观地解释盐溶液的酸碱性和盐类存在水解的事实，由于教材中没有注明溶液的浓度及测定的条件，大部分学生就认为氯化铵溶液的pH一定等于5.12。在与学生交流的过程中，学生经常会提出这样两个问题：

1） 醋酸钠溶液的pH一定等于9.88吗？

2） 强碱弱酸盐溶液的pH一定大于7吗？

这里没有指明测定环境，也没有指明被测溶液的浓度，就算实验在常温下测定，这里也忽略了变化与结论之间“量”的关系。盐类水解是客观存在的事实，但是，盐溶液的pH测定则是有条件的、相对的，1mol/L和0.001mol/L的CH3COONa溶液的pH肯定是不同的，0℃和25℃条件下测定的pH也不可能是相同的，更不可能都等于9.88。当醋酸钠溶液的浓度为1.0×10-8mol/L时，水解依然存在，但pH的测定结果还大于7吗？盐类水解后溶液的pH与温度和c（H+）有关，此外，水解盐溶液的pH还与形成盐的酸或碱的相对强弱和所在体系的酸碱性有关。问题关键在于需要明确被测体系的温度和溶液的浓度。

2.2变化现象与原因分析有错误

例3.（2010-上海-19）下列反应的离子方程式正确的是

A. 苯酚与碳酸钠溶液的反应

+CO32-+HCO3-

B. 等体积、等浓度的Ca（HCO3）2溶液和NaOH溶液混合

Ca2++2HCO3-+2OH-=CaCO3+CO32-+2H2O

C. 硫酸亚铁溶液中加入用硫酸酸化的过氧化氢溶液

Fe2++2H++H2O2=Fe3++2H2O

D. 淀粉碘化钾溶液在空气中变蓝

4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-

根据淀粉碘化钾溶液在空气中变蓝的事实，可以判断体系一定发生了化学变化，问题是所给的离子反应“4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-”能够代表淀粉碘化钾溶液变蓝的真实反应吗？如果是，那么单质碘在碱性环境中能够存在吗？根据氯气在碱性条件下的反应，我们可以推知，这个离子方程式不能代表淀粉碘化钾溶液在空气中变蓝的真实反应或最终反应，它可能是变化过程中诸多反应中的一步。根据相关资料[2]，单质碘在碱性环境中的反应能够定量的进行得到碘酸盐：3I2+6OH-=5I-+IO3-+3H2O，说明D选项所给离子方程式是错误的。那么淀粉碘化钾溶液在空气中变蓝的变化对应的化学反应究竟是怎样的呢？一种解释是KI在日光、氧气和酸性条件（来自空气中的CO2、SO2）下发生的日光反应[3]：

4I-+O2+4H3O=2I2+6H2O

或4I-+O2+4H+=2I2+2H2O

这种解释的离子方程式显然也不能令人信服，因为来自空气中溶解的二氧化碳的酸性是很弱的，二氧化硫的量更是极其微小的，所有离子方程式中根本不可能用H3O+或H+表示。综合考虑碱性条件下二氧化碳的反应与上海卷第19题D选项的离子方程式，得到如下反应：

4I-+O2+2H2O=2I2+4OH-

CO2+OH-=HCO3-

两式合并：4I-+O2+4CO2+2H2O=2I2+4HCO3-

笔者认为这种解释应该是比较合理的。

2010年高考全国I卷第28题和福建卷第23题都出现了“白色烟雾”的描述，而根据试题情境分析，前者指的是氯化铵，后者指的是氯化氢，显然前者应该是“白烟”，后者应该是“白雾”。就中学阶段化学变化引起的宏观现象描述而言，“烟”指的是固体小颗粒，“雾”指的是液体小颗粒，“白色烟雾”应该是白色的固体和液体小颗粒的混合物。为此，我们在描述化学变化的现象时，不能只简单的、笼统的描述，要具体、准确的表达清楚，化学变化的本质、现象变化描述及变化原因分析应当力求科学、准确、清楚、规范，否则就会出现问题，引起误解甚至误导。