基于证据推理的金属化学性质教学

庄晓松 王祖浩

摘要：在分析初中“金属的化学性质”的教材内容和相关的教学设计的基础上，针对实际教学中存在的几个问题，如根据金属和氧气反应的状况、金属和某些酸反应的速率来判断金属的活动性强弱;未立足证据基础上论证金属活动性的强弱等，提出让学生在基于证据推理的基础上求证金属活动性的强弱，促进学生对金属化学性质的深度认识和理解，培养学生证据推理的意识，提高学生的化学思维品质。

关键词：金属的化学性质; 证据推理; 教学设计; 金属的活动性强弱

文章编号：1005-6629（2021）08-0047-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

培养学生的证据推理能力，首先要求教师具有证据意识，教学过程中要始终围绕证据推理这一素养目标，要求学生在化学学习过程中逐步形成证据意识，养成识别、筛选证据，转换、形成证据，应用、评价证据的能力;基于證据对化学学习过程中的一系列问题提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，能把观点、结论和证据之间的逻辑关系建立起来，最终达到培养学生领悟科学研究的实证方法和实事求是的科学态度。

1 教材内容和相关教学状况分析

国内几个版本的教材均把金属单质的知识安排在氧气、碳等非金属单质及其化合物知识学习之后，而金属的化学性质是该单元的核心内容[1～3]。实际教学中有几个问题值得商榷并关注。

（1） 金属的活泼性和金属的活动性是否属于同一个概念？金属元素的金属性也可以称为金属元素的活泼性。金属性通常是金属原子在化学反应中失去电子成为阳离子的倾向。金属性的强弱通常用金属元素的电离能（基态的气态原子失去电子成为气态阳离子时所需的能量）大小来衡量[4]。金属的活动性是金属单质在水溶液里失去电子形成水合离子倾向的大小，反映金属在水溶液里发生氧化反应的难易，可以用金属的标准电极电势来衡量。金属的标准电极电势除了与金属原子的电离能有关外，还与金属的升华能（固态单质变为气态原子时所需的能量）、水合能（金属阳离子与水化合时所放出的能量）等多种因素有关[5]。金属性强的元素，一般来说它的活动性也大，但是也有不一致的情况。例如，

锂的第一电离能为520KJ/mol，钠的第一电离能为496KJ/mol，因此钠的金属性要比锂的金属性强。但是，依据标准电极电势EθLi+/Li=-3.045V、 EθNa+/Na=-2.714V，推断出锂的金属活动性要强于钠。这是因为，锂在水溶液中形成水合离子的过程中涉及的升化热、电离能、水合热分别为161KJ/mol、 520KJ/mol、 -506KJ/mol，形成水合离子总的能量为175KJ/mol。而钠在水溶液中形成水合离子的过程中涉及的升化热、电离能、水合热分别为108KJ/mol、 496KJ/mol、 -397KJ/mol，形成水合离子总的能量为207KJ/mol。显然，锂形成水合离子的倾向性要强于钠，锂比钠在水溶液里更易离子化[6]。

也就是说，不仅金属性和金属的活动性两者的概念有区别，而且金属在气态和在水溶液中所表现的活泼性顺序也是有区别的。而初中化学教材中金属单质和氧气反应所表现出的金属活动性除了与金属的金属性（电离能）有关外，还与金属的升华能以及生成的氧化物晶格能有关。由此可见，金属单质和氧气反应表现出的金属活动性与金属和酸或者和盐溶液反应表现出的金属活动性是两个不同的概念，在对金属化学性质进行描述和总结的时候不应该相互替代或混用。

（2） 能否依据金属和酸反应的剧烈程度来证明金属的活动性？其实，这涉及到化学动力学和化学热力学的问题，化学动力学研究的是化学反应速率和反应机理，而化学热力学是从热力学函数去计算并以此对化学反应的方向作出判断。金属和酸反应的剧烈程度属于反应动力学，金属能否和酸反应属于化学热力学问题，二者研究的对象和适用的原理都不一样。我们只能根据金属能否与酸反应来判断金属的活动性，而不能依据金属与酸反应的剧烈程度来判断金属的活动性。我们培养学生的是证据推理能力，是基于证据讲话的实事求是的科学态度;同样，寻找证据的时候不能用错原理或找错证据。

（3） 教学过程中实验的目的是什么？教师通常的做法是设置教学情境，引出实验，设计金属分别和氧气、酸及盐溶液反应三组实验。实验是寻找证据得出结论的一个非常有效的途径和资源，但在实际教学中各实验之间并没有串联起来形成一个有效的证据链证明金属的活动性强弱。如一般的教学过程是通过实验观察到铁与氧气剧烈地反应，所以认为铁比铜活泼;通过实验观察到铁在酸中反应不如镁、铝、锌剧烈，所以得出铁的活动性不如镁、铝、锌强的结论。这些看似是基于证据的教学，实质是浮于浅表、缺乏证据意识。

2 基于证据推理的金属化学性质的教学

以人教版教材“金属的化学性质”为例，根据课程标准（2011年版）中的要求，本节课的教学目标设为[7]：

（1） 通过小组合作等方式实验探究金属与稀盐酸、稀硫酸以及与化合物溶液的置换反应，认识金属的化学性质和金属的活动性顺序，并且在用金属活动性顺序解释一些与日常生活有关的化学问题中提升能力。

（2） 通过对比、归纳、整理等活动，逐步体会学习元素化合物知识的一般方法，认识金属的相似点与区别，为今后学习酸、碱、盐知识打下良好的基础。

本节课围绕金属的化学性质，将整个学习过程分为3个环节：金属化学性质的初步建立、金属化学性质的再认识和金属化学性质的初步运用。本节课按照图1教学流程展开[8，9]。学生可以根据对已学金属化学性质知识的回忆，让学生概括出金属可能具有的化学性质。在此基础上，师生通过实验探究并结合有关资料形成一个对金属活动性强弱判断的证据链，引导学生对金属化学性质的深层次理解。随着学生对金属化学性质了解的不断深入，让学生逐渐形成基于证据推理的客观认识。

2.1 金属化学性质的初步建立

基于学生在第二单元学过铁和氧气的反应，在第五单元学过镁和氧气的反应、铁和硫酸铜的反应，在第七单元学过镁与盐酸及锌与稀硫酸等的反应，教师可以在学生对这些知识回忆的基础上让学生写出上述反应的化学方程式及对反应现象的描述。通过对已学的有关金属知识的复习，尝试让学生根据这些知识推测金属可能具有哪些化学性质。

其实，在课本绪言中学生就已经知晓物质的化学性质是通过化学变化表现出来的，从已学知识到总结得出金属的化学性质，缺少的只是归纳和整理。学生在教师的引导下可以根据铁、镁和氧气的反应得出金属具有和氧气反应的化学性质;根据铁和硫酸铜的反应得出金属能够和某些化合物溶液反应的化学性质;根据镁、锌分别和稀盐酸、稀硫酸的反应得出金属可以和酸反应的化学性质。学生完全可以通过对已学知识的回忆，运用归纳的方法初步建构起某些金属的化学性质的一般概念，这也是在原有知识学习的基础上水到渠成的。

另外，除了可以引导学生了解金属可能具有的化学性质外，还可以根据已学过的反应的化学方程式引导学生学习一种新的基本反应类型——置换反应。在后续对常见金属活动性强弱探究的过程中就可以把“置换”这一名词使用上去，让学生在描述实验时能够融入“置换”这一化学术语。一方面在实验探究过程中可以加深学生对置换反应的理解，另一方面使学生对实验的描述显得更专业。

2.2 金属化学性质的再认识

前面在第三单元已经学过金属元素的最外层电子数一般小于4，易失去电子，各种金属之间的化学性质具有一定的相似性。但是，各金属原子的结构并不相同，不同种金属和某一物质发生反应，其反应的难易程度也不一定相同，这表明各种金属之间的化学性质存在着一定的差异。那么，我们能否依据金属的化学性质找到合适的证据证明Mg、 Al、 Zn、 Fe、 Cu、 Ag、 Au等几种常见金属化学性质的差异？带着这个问题我们一起开启对金属化学性质再认识的探究之旅。

2.2.1 认识金属的活动性

金属活动性主要指金属单质在水溶液里表现出的化学性质，金属能否和一些溶液反应，可以反映金属的活动性。

问题1：能否根据我们所学金属的化学性质进一步探索Zn、 Fe、 Cu、 Ag四种常见金属活动性的强弱？

课堂上，师生就上述问题展开讨论，初步形成探索四种常见金属活动性强弱的思路。

学生讨论1：一部分学生认为金属活泼性强的镁能和稀盐酸或稀硫酸反应，而金属活泼性弱的金却不可以和酸发生反应。因此，是不是可以利用金属和酸的反应来寻找证明金属活动性强弱的证据。也有学生提出是不是可以利用金属和化合物溶液的反应来寻找证明金属活动性强弱的证据。最后，学生形成一致的探索思路，先用金属和酸的反应寻求金属活动性的强弱，在此基础上再利用金属和化合物溶液的反应进一步求证金属活动性的强弱。

演示实验1：教师将一枚金戒指和一小粒银分别浸入一定量的稀盐酸中，观察到金戒指和银粒并没有和稀盐酸发生反应。

小组实验1：各小组将打磨过的锌丝、铁丝及铜丝分别置于盛有稀盐酸和稀硫酸的试管中，观察现象。各小组学生通过实验探究发现金属锌、铁均能和稀盐酸或稀硫酸反应并产生气泡，而铜不能和酸反应产生气泡。

学生讨论2：金属锌和铁能够和酸发生反应，而铜、银、金并不能和酸发生反应，这说明金属活动性强的金属可以和酸发生反应，而金属活动性弱的金属不能和酸发生反应，因此可以推测铜与银的金属活动性要弱于锌和铁。由此可以判断四种金属活动性强弱的顺序是Zn、 Fe>Cu、 Ag。

问题2：除了用酸和金属能否发生反应来证明金属的活动性强弱外，我们能否找到证明金属活动性强弱的其他方法呢？

学生讨论3：学生认为通过金属和酸的反应探索后得出铁的金属活动性要强于铜的金属活动性。因此推测，金属活动性强的金属能把金属活动性弱的金属从其溶液中置换出来。为进一步验证此推测是否正确，学生设计了“把打磨过的铝丝和镁条分别放入硫酸铜溶液中”的实验。

演示实验2：打磨过的铝丝与镁条分别放入硫酸铜溶液中，发现铝丝表面有红色物质生成，镁条和硫酸铜反应也有红色物质生成，而且反应比较剧烈。因此，学生认为活泼金属能把不活泼金属从其化合物溶液中置换出来。

问题3：Cu和Ag都不能和酸反应，它们的金属活动性都不如Fe活泼，那么Cu和Ag哪个更活泼？我们能否找到证明Cu和Ag金属活动性强弱的证据呢？

学生讨论4：为寻求铜、银的金属活动性强弱的证据，大部分学生设计了用铜丝和银的化合物反应的实验（有学生选氯化银，有学生选硫酸银，也有学生选硝酸银），少部分学生设计了用银和硫酸铜溶液反应的实验。

教师讲解：教师指出氯化银是不溶物，硫酸银是微溶物，银的化合物溶液一般为硝酸银溶液，金属一般要在化合物的溶液中進行反应。因此，在实验过程中选用硝酸银溶液进行实验。

演示实验3：把铜丝伸入硝酸银溶液中，学生观察到铜丝表面覆盖了一层银白色的物质;把银粒放入硫酸铜溶液中片刻后取出，发现银的表面并没有任何的变化。根据铜可以置换出硝酸银溶液中的银，推测铜的金属活动性强于银的金属活动性。

问题4：我们又如何寻找证据可以证明锌和铁的金属活动性强弱。

学生讨论5：为寻求锌和铁的金属活动性强弱的证据，部分学生设计了用锌片和铁的化合物溶液反应的实验（有学生选硫酸亚铁，有学生选硫酸铁，也有学生选氯化亚铁……），还有部分学生设计了用铁和硫酸锌溶液反应的实验。

教师讲解：教师指出在这里铁的化合物溶液一般选用亚铁溶液，如硫酸亚铁溶液、氯化亚铁溶液等，而不选用硫酸铁溶液、氯化铁溶液等。

小组实验2：各小组将打磨过的锌丝、铁丝分别置于盛有硫酸亚铁和硫酸锌溶液的试管中，观察现象。各小组学生通过实验探究发现，金属锌的表面有灰黑色物质生成，而铁的表面没有任何变化。根据锌可以置换出硫酸亚铁溶液中的铁，而铁不能置换出硫酸锌中的锌，可以推测锌的金属活动性强于铁的金属活动性。

学生讨论6：根据上述实验以及讨论的结果，四种金属的活动性顺序是Zn>Fe>Cu>Ag。

2.2.2 认识金属活动性顺序表

学生通过阅读课本第12页，进一步认识金属的活动性顺序，能够利用金属活动性顺序表作出相应的判断。

[环节3]金属活动性顺序表的初步运用

情境：黄金饰品中的假货常常鱼目混珠，社会上有些不法分子常以黄铜冒充黄金。因为单纯从颜色、外形上看，黄铜（铜锌合金）与黄金极为相似，很难区分。请你设计方案鉴别真假黄金，要求写出实验方法、现象和结论。

学生讨论1：学生从能否和酸发生反应、能否和另一不活泼金属的化合物溶液反应等方面展开讨论，最后达成共识，判断黄金的真假可以从上述两个方面入手进行鉴别。

教师追问1：你依据什么现象可以判断黄金真假？

学生讨论2：学生思考并讨论交流得出，如果放入稀盐酸或稀硫酸中，能产生气泡的是假黄金，没有现象的是真黄金;放入硝酸银溶液中，固体表面有银白色固体生成的是假黄金，没有变化的是真黄金。

教师追问2：以上方法你的依据是什么？

学生讨论3：学生思考后可得出，依据是锌能和稀盐酸或稀硫酸发生反应，而金不会和酸发生反应;铜、锌的活动性比银强，能和硝酸银溶液反应，而银的金属活动性要强于金，金不能和硝酸银溶液反应。

师生总结：判断金属的活动性强弱可依据能否和稀盐酸或稀硫酸反应以及能否将另一种金属从其化合物溶液中置换出来。

3 教学反思

本节課基于已学过的部分金属知识的基础，让学生根据金属的一些化学反应归纳出金属可能具有的化学性质，及根据有关金属的反应的化学方程式归纳、比较得出置换反应的判断方法。学生依据金属的化学性质，通过实验探究，对金属化学反应的归纳、分析、比较，寻求可以证明常见金属活动性强弱的证据。学生在寻求证据的同时促进了对金属化学性质的深层次的理解，培育了学生的证据意识及基于证据的推理能力，在潜移默化中促进了学生对科学本质、科学方法的理解和发展，为学生后续的化学学习做好铺垫。通过观察，发现学生在本节课的学习中存在以下困难：（1）铝和稀盐酸或稀硫酸反应的化学方程式书写，主要表现在对铝的化合物化学式的书写及方程式的配平;（2）铁和稀盐酸或稀硫酸反应时，学生总认为生成物中铁的化合价为+3价;（3）证明几种金属活动性强弱证据的寻求和收集;（4）对金属活动性顺序表的运用等。后续教学证明，学生在金属化学性质的学习过程中，能自觉运用金属活动性知识从获得证据角度分析和理解上述难点，从而达到对金属化学性质更深刻、更全面的认识。

参考文献：

[1]化学课程教材研究开发中心. 九年级化学（下）[M]. 北京：人民教育出版社，2012：92～95.

[2]北京教育科学研究院. 九年级化学（下）[M]. 北京：北京出版社，2013：29～32.

[3]江琳才，钱扬义，李开祥. 九年级化学（下）[M]. 北京：科学出版社，广州：广东教育出版社，2017：170～174.

[4]武汉大学，吉林大学等校编. 无机化学（第三版）（上）[M]. 北京：高等教育出版社，2017：108～110.

[5]金嗣安. 金属的活泼性与活动性[J]. 安徽教育，1982，（1）：46.

[6]丁长征. 金属性、金属活动性、金属还原性、金属导电性之浅析[J]. 扬州师范学报，1982，（12）：22～24.

[7]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2011.

[8]赵海云. 基于物质分类观念下的物质性质教学——以《金属的化学性质（第一课时）为例》[J]. 中国现代教育装备，2017，（1）：27～29.

[9]朱永侃，于忠荣. “探究前置 教材后移”教学实践研究——以“金属的化学性质”教学为例[J]. 化学教学，2014，（4）：30～32.