氧化还原反应的误区及其在化学教育的挑战

刘翔

【摘要】在解释化学现象时，学生喜欢把宏观层面的物质与微观层面的原子、离子和分子混合：“标况下水的沸点是100℃”一代替物质的分离性质水有一种特殊的性质，冰点和沸点和颗粒性质。做氧化还原反应实验的学生也这样说：“一个Cu2得到两个电子变成铜”一而不是“变成一个铜原子”！另一个难点似乎是与“氧转移”有关旧有的氧化还原定义：这个观点很有吸引力，学生争辩的焦点大多集中在氧的参与来代替电子转移。这篇文章反映了这些误区，并且提出了新的教学方式来防止“学校的误区”。

【关键词】氧化还原反应；误区；中学教育

新生在他们刚开始学化学时，一方面的问题集中在铁和硫酸铜反应实验不是以原子和离子为基础，而是以物质为基础：“铜被氧化成氧化铜并且铁钉溶解；铁被氧化，硫酸铜溶液浓度降低；铁被硫酸铜氧化；得失电子”。另一方面，学生争论物质的铁和硫酸铜，而不是原子或离子的，这一定义的过程有很大的影响力，许多学习者寻求通过氧转移解释这些反应：“氧从硫酸铜中转移”。

本文讨论的误解问题根据两个众所周知的氧化还原定义，试图通过分析和比较这些错误的答案并提出了化学教育的途径，对于误解的存在确保一些预防和挑战。

在课堂开始时孩子们带来了很多好的意见：对于燃烧过程他们的陈述是：“燃料会完全消失；有些东西进入空气中；蜡烛燃烧完全；煤燃烧，发出光并且留下灰烬”。研究气体及其属性的孩子说到“气体没有重量；当热空气上升时水蒸发，使空气改变；对于做饭和加热来说是气体是必要的；气体可能会爆炸”。通过良好的观察，孩子没有教师，就无法抓住科学理念；他们将舍弃教师的科学理念，仍然使用从日常生活经验中得到的前概念。教师必须知道那些前概念，做好有关的金属和金属氧化物质量比的实验，应该标注出各种气体的密度来帮助孩子们转变观念，实现“概念转变”。

由于没有年轻人知道在氧化还原反应中氧传递燃烧过程的历史解释方法也不知道他们从日常生活中的氧化还原反应中的电子转移概念，想要教好这些问题就要成功抓住那些科学思想。实证调查显示，然而，可以找到“自制的误解”或“学校的误解”。在分析和知识这样的想法后，应该可以设计教学方式和行为方式，成功的防止已知的误解并且传达科学概念。一些误解应参考。

氧化还原和氧转移。在许多学校的氧化还原课程，有氧燃烧作为指导课程的第一思想。

即使在高中成绩优秀的学生中有存在误区，只是伴随着科学术语：“与铜的硫酸盐溶液结合；硫酸铜；铜原子吸引电子；铁钉能吸收离子溶液”。这些言论表明，学生想要使用科学术语。

问题1：

将铁钉浸没在硫酸铜溶液中，一分钟后，观察到一个有铜涂层的铁钉，解释这个现象。

总共有34%的学生使用氧化还原反应（氧化、还原）和电子转移的术语，14%学生使用的术语不通顺。大多数学生使用常见的反应方程来说明反应，但通常有错误。正确答案大都如出一辙：“铜比铁更不活泼，因为铜牢牢停留在铁钉上，这意味着，硫酸铜溶液中的Cu2+离子浓度降低，形成了铜的氧化还原反应”。

60%以上的反应都存在有缺陷。在许多情况下，一方面学生不能加以区分，铜和硫酸铜，另一方面，没有物质和颗粒：“铜离子从带有铁钉的溶液中析出”。高一年级的一些学生认为金属涂层防锈：“有铜颜色的物质是铁生锈；腐蚀铁钉使之生锈；通过浸泡在硫酸铜溶液中是铁钉生锈”。其他人认为，没有发生反应产生的现象是磁相互作用的结果：“铁钉吸引硫酸铜溶液中的铜；铜从溶液中析出是铁钉的磁性”。

“从硫酸铜溶液中，染色、沉淀、粘贴元素铜，铜原子、铜离子、铜的电子”涉及到许多答案：“铜颗粒沉积在铁钉表面上；饱和硫酸铜溶液结合铁钉上的电子；铜离子沉淀，铁钉的涂层就形成了”。数据分析表明，大约有一半的学生每天都是是通过使用他们熟悉的语言描述现象观点。

在学校学生的误区，因为它们不能区分离子和原子：“硫酸铜溶液反应为为铜；铜从溶液和铁钉的反应中析出；铁和硫酸铜的反应是氧化还原反应，电子从铁转移到CuSO4，析出铜”。

对于一些学生似乎还并不明确，铜元素的存在对于发生氧化还原反应来说是非常必要的，在他们的脑海中铜已经出现构成元素：“铜将硫酸铜溶液化合，析出铜沉淀在铁钉表面”。缺少盐溶液中存在的离子的想法；那些学生分不清离子原子铜、硫酸铜溶液以及铁。

这第二个任务是确定如何用自己的概念教授学生理解金属氧化还原。特别是，我们想知道现在学生是否知道简单的氧的定义和电子转移理论，在何种情况下何种程度下他们能辨别物质、原子、离子、分子。

问题2：

一块薄铜片装入一个小信封内折叠起来，用大火加热：外面的纸变成黑色，打开信封里面的铜没有变化。

A.发生燃烧反应

B.黑色是烟尘导致的

C.发生了氧化还原反应

D.铜原子颜色发生改变

解释你的答案：

实验表明[B]是最有吸引力的选择，有59%的人选择，只有21%的人选择正确的答案[C]，选择[A]和[D]的比例为18%和4%。大多数的选择[B]，很大程度上结合了[A]和[C]，这样的原因可能是缺乏实际的实验——显然，许多学生不知道“大火”，这意味着什么。选择[B]的解释如下：“火焰/通过燃烧/火形成烟灰，铜的氧化形成了外在的保护膜，形成的烟是氧化铜颗粒”。

基于历史的氧化还原概念。因为这是在所有的指南和教科书规定，一个必须考虑的指令，接触氧化还原概念延伸尽可能少的方法。学生能理解历史改编的理论已经落伍后，扩展更换新的理论。在他们自己的课程，他们可以接受的“氧转移”扩展到电子转移是合理的。

另一方面，在开始教授本科目没有“氧化还原一词，用的是它的引申意义。由于氧化（金属+金属氧化物）和（还原氧化银+氧气）最初被单独定义，氧化还原观点显得可有可无；为铁还原氧化铜反应这样标注就足够了：铁被氧化为氧化铁，氧化铜被还原为铜。然而，如果反映只是这样一句话，不能进入“0原子、0分子、02-离子改变生成物”的困难。选择一个模型图显示重组“粒子”，例如在碳还原氧化铜反应，你可以解释一下“组合碳粒子、氧粒子和释放的铜粒子”。

氧化还原概念扩展。如果成功的教学对于物质论据是可行的，最小的颗粒和化学符号彼此不同。Johnstone创建了“化学三角”，提出了三个层次的解释：“我们三个层次的思想：宏观和有形，亚微观的原子和分子，使用符号和数学表示。他愚蠢的介绍心理学上学习着的三个层次。在这里导致了许多误区。见多识广的化学家能保持这三大平衡，但学习者不行”。特别是Gabel指出，教师要从宏观层面直接到表现层面，学生没有机会了解这个概念：“了解化学的主要障碍不是三个层次代表物的存在。是化学导论主要发展最抽象的层次一符号级上”。

如果决定要知道错误想法应包括在课堂上教学最大化的成功了。在讨论非正常燃烧的概念，他们讲氧气烧瓶中放入几块碳，称量重量并保持封闭平衡。然后他们尽可能强加热烧瓶，碳片开始燃烧，摇晃烧瓶碳片消失。冷却烧瓶，碳和氧气反应生成二氧化碳，石灰水进行试验并且质量守恒。碳与氧反应所示的模型图纸和方程式。这些实验，他们试图在学生的认知结构达成一个“概念转变”。他们回到已知概念和与学生认识到的碳氧反应新的概念模型进行比较：“碳反应完全，碳和烧瓶重量比反应前小”。

氧化还原反应的条件，氧化还原反应，是理解化学的中心一他们必须了解最深。用氧化还原的想法，年轻人能解释很多日常生活现象：燃烧现象，铁和其他金属腐蚀生锈，高炉炼铁，电解铝，电池、蓄电池电能的生产。

这里进行两个步骤。在第一步中的燃烧过程的教学开始的氧化和还原的概念对氧传递的水平是可能的，物质的氧化或还原。实验表明，该反应可以描述方程式和模型图（见图4），但不是在公式。你也可以想想“氧化还原”一是在这一背景下略。

第二步，在先进的讲座，应该教授扩展的氧化还原想法。“氧化还原”说明了电子转移，描述了颗粒：金属原子被氧化成离子，其它离子被还原为原子。氧化还原条件应显示电子转移数，模型或模型图，可以可视化的烧杯的化学过程。与序列的宏？亚微米？符号氧化还原反应，不仅可以教好，也可以理解酸碱反应和复杂的反应！别忘了把误解为讲座：学生知道这些讨论什么是对，什么是错的！