摘要： 根據(jù)課程標準和教材，基于金屬與鹽溶液置換反應的本質(zhì)提出“金屬為什么在性質(zhì)上具有一定的相似性”的本原問題，認為其受“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的大概念所統(tǒng)攝。由金屬活動性順序衍生出的得失電子強弱順序以及電子得失過程構(gòu)建的思維模型。結(jié)合中考試題分析，指出該思維模型能較好地揭示反應的本質(zhì)，既可以作定性分析，還能進行半定量比較，幫助學生建立認識視角，形成思路和方法，促進大概念的認知進階。

關鍵詞： 金屬與鹽反應； 金屬活動性順序； 大概念教學； 思維模型； 化學教學研討

文章編號： 1005-6629（2024）07-0092-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 研究現(xiàn)狀及背景

金屬與鹽溶液反應是初中化學的重要內(nèi)容，查閱資料發(fā)現(xiàn)，研究者多從不同角度探討解題策略和技巧，但一般僅涉及定性分析而沒有做定量比較，更沒有探討問題的化學本質(zhì)，融入新課程理念的研究也比較少見。調(diào)查日常教學發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)教師在應試壓力下以傳授具體解題方法為主，或就題論題沒有和前后教學內(nèi)容或?qū)W段知識做結(jié)構(gòu)化歸納梳理?？梢娔壳暗慕虒W及評價仍停留在紙筆測試等應試層次，沒有上升到化學大觀念與高階科學思維。《義務教育化學課程標準（2022年版）》［1］提出大概念統(tǒng)領教學后，“金屬與鹽溶液反應”的教學和評價是否符合新課程理念？能否促進學生從具體知識學習轉(zhuǎn)到重視基本思路方法的形成？本文基于課程標準和教材，構(gòu)建大概念視域下“金屬與鹽溶液反應”的思維模型，結(jié)合中考試題探討其學科本質(zhì)和教學價值。

2 課程標準及教材分析

金屬與鹽溶液反應屬于課程標準中“物質(zhì)的性質(zhì)與應用”主題下“金屬與金屬礦物”主題的具體內(nèi)容。課程標準相關描述有：通過實驗探究等活動認識常見金屬的主要化學性質(zhì)及金屬活動性順序。了解廢棄金屬對環(huán)境的影響及金屬回收再利用的價值。了解物質(zhì)的共性和差異性，認識一類物質(zhì)性質(zhì)的方法。從物質(zhì)類別的視角，依據(jù)金屬活動性順序初步預測常見金屬的主要性質(zhì)，解釋有關的實驗現(xiàn)象，進行證據(jù)推理，得出合理結(jié)論。能依據(jù)物質(zhì)類別、金屬活動性順序等，預測、判斷與分析常見物質(zhì)的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物?？梢娊饘倥c鹽溶液的反應主要體現(xiàn)在金屬的化學性質(zhì)及金屬活動性順序、判斷與分析轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物等方面。

金屬與鹽溶液反應是義務教育人教版九年級《化學》（2012年版）下冊第八單元“金屬和金屬材料課”題2“金屬的化學性質(zhì)”的內(nèi)容，其標題是“金屬活動性順序”而不是“金屬與鹽溶液的反應”，說明該內(nèi)容是學習了金屬與酸的反應以及置換反應后，為建立金屬活動性順序規(guī)律而進行的科學探究活動，弱化了以往傳統(tǒng)教學中以金屬化學性質(zhì)知識邏輯為主的教學思路。在比較分析事實的基礎上，引導學生建構(gòu)“金屬活動性”這一認識視角，并形成基于金屬活動性順序判斷金屬活動性的一般思路［2］。所以就標題的呈現(xiàn)上看，教材試圖從學科知識體系邏輯結(jié)構(gòu)的完整性向促進學生認識視角的建立轉(zhuǎn)變，教育立場也從知識為本向素養(yǎng)為本發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3 金屬活動性與大概念分析

金屬與鹽溶液反應是學生建構(gòu)“金屬活動性”認識視角，建立金屬活動性順序，判斷金屬活動性的科學探究活動。理解好金屬活動性順序是建立金屬與鹽溶液反應模型的前提和條件。那么什么是金屬活動性，和活潑性有什么不同？通常情況下，物質(zhì)的活潑性是指物質(zhì)參加化學反應時表現(xiàn)的活潑程度［3］。金屬在氣態(tài)中失去電子的難易程度而表現(xiàn)的活潑性，通常就叫金屬的活潑性大小，如果是指金屬在水溶液中形成水合陽離子的趨勢，一般稱為金屬活動性［4］。金屬活動性順序是金屬在水溶液中的活潑性順序［5］。可見二者有區(qū)別又有聯(lián)系，適用條件和范圍并不相同，活潑性泛指各種物質(zhì)，而活動性一般用來描述金屬在水溶液中的活潑性。金屬的活潑性與元素的原子結(jié)構(gòu)有著密不可分的關系，原子失電子能力越強，金屬越活潑［6］。歷史上人們對“金屬活動性”的認識是不斷深化的，逐漸明晰金屬活動性反映的是金屬單質(zhì)在水溶液里失電子形成水合離子傾向的大小，即反映金屬單質(zhì)在水溶液里發(fā)生氧化反應的難易程度［7］。

鄭長龍指出，只有將大概念與認識視角有機結(jié)合，才能更為有效地解決化學問題［8］。課程標準中該學習主題大概念是“物質(zhì)的多樣性”。凝練金屬與金屬礦物二級主題大概念是“同類物質(zhì)在性質(zhì)上具有一定的相似性”，以此統(tǒng)攝金屬的共性。金屬活動性順序既是金屬單質(zhì)具有的一類共性又蘊含差異性，正是差異性導致（混合）金屬與（混合）鹽溶液反應變得復雜，反應順序、反應進程、產(chǎn)物成分隨反應條件的改變而改變?；趯W科理解提出“金屬為什么在性質(zhì)上具有一定的相似性”這一本原問題有助于誘發(fā)學生從微觀視角思考金屬與鹽溶液反應的本質(zhì)，以及深度理解金屬活動性順序規(guī)律。因此該內(nèi)容便串連起“物質(zhì)的性質(zhì)與應用”和“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”兩大學習主題，將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)建立起聯(lián)系，體現(xiàn)了跨學科主題的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一學科大概念。正如楊玉琴所述，課標的“一級大概念”一般是通過教材的多個單元“二級大概念”持續(xù)建構(gòu)的，通過對不同物質(zhì)的持續(xù)學習逐步建立起來的［9］。

“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念不僅是化學學科常見的學科觀點，而且還是跨學科、超學科的大概念，具有一定的哲學意義［10］，貫穿整個化學課程。課程標準要求在教學中要注重學科主題大概念的抽提，引導學生建構(gòu)大概念，發(fā)揮主題大概念對學生化學觀念形成和發(fā)展的獨特價值［11］。吳慶生認為根據(jù)教學內(nèi)容存在的因果關系，采用能夠反映相互關系的表述作為大概念［12］。以此抽提“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念統(tǒng)攝的初中化學相關內(nèi)容匯總見表1。

大概念學習是循序漸進的。吳星認為大概念并非是學習完本主題內(nèi)容就能達到的最高水平，需要以前置單元學習為基礎、后置單元學習為補充，在整體課程中不斷學習加深理解［13］。由表1可知“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念的形成和建立不是一蹴而就的，是基于多種物質(zhì)從原子結(jié)構(gòu)、原子排列、微粒種類到分子結(jié)構(gòu)不斷地完善的。

4 基于活動性和大概念建構(gòu)思維模型

金屬與鹽溶液的反應是金屬活動性順序在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究的重要應用之一，是典型的置換反應，為何成為教學的重點與難點？究其原因可能是：金屬與鹽溶液反應體系物質(zhì)多、反應多，物質(zhì)關系影響反應進程、產(chǎn)物成分，且反應物、生成物均有固、液兩態(tài)，判斷某一階段濾渣、濾液成分時，需要綜合考慮反應順序與進程?，F(xiàn)有文獻大多以圖形或表格羅列各種情況的物質(zhì)組成，再根據(jù)現(xiàn)象一一比對。羅列既費時費力而且無法定量比較，本質(zhì)上是運用數(shù)學思想的枚舉原理，枚舉的結(jié)果屬性易造成對產(chǎn)生原因的漠視，所以上述策略不能從根本上解決問題。建立科學思維模型除了必須理順反應順序、進程外，還需幫助學生形成化學觀念，發(fā)展科學思維。

基于此，建構(gòu)思維模型既要考慮金屬因素，還要考慮鹽的因素。由表1知金屬活動性順序是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念在金屬中的具體化，那么“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念在鹽溶液中的具體化是什么？我們知道，活動性強的金屬在溶液中易失去電子，活動性弱的金屬在溶液中難失去電子。因此金屬活動性順序便轉(zhuǎn)化為金屬單質(zhì)在溶液里失電子能力的順序。反之，金屬離子得電子能力順序恰好和金屬單質(zhì)失電子能力順序相反?！敖Y(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念在鹽溶液中的具體化就是金屬離子得電子強弱順序。金屬與鹽溶液置換反應的本質(zhì)是電子從失電子能力強的金屬單質(zhì)轉(zhuǎn)移到得電子能力強的金屬離子。由此建立金屬與鹽溶液反應的認知思維模型（見圖1）。

該思維模型是由金屬失電子順序、離子得電子順序以及金屬和離子間得失電子過程構(gòu)成的順時針環(huán)路。豎線位置高低表示反應先后順序，橫線箭頭長短表示電子得失強弱。反應過程中得失電子數(shù)守恒，元素種類不變，金屬轉(zhuǎn)化為離子成為溶質(zhì)，離子轉(zhuǎn)化為金屬成為濾渣。濾渣、溶質(zhì)產(chǎn)生的順序和離子、金屬得、失電子強弱的順序一致，故濾渣、溶質(zhì)產(chǎn)生的先后順序見圖1。根據(jù)思維模型，最高位的金屬先失電子，最低位的離子先得電子，得失順序依強弱順序而改變。如反應至某一階段時，后產(chǎn)生的濾渣、溶質(zhì)存在，則按順序易判斷之前的濾渣、溶質(zhì)一定存在。若某反應恰好完全反應，則反應物一定消失、生成物一定存在；若不是恰好完全反應，需分別考慮金屬剩余或離子剩余，判斷剩余物能否滿足下個順時針環(huán)路，直到不能滿足環(huán)路反應結(jié)束為止。

5 運用模型解答金屬與鹽溶液反應舉例

5.1 利用模型解釋金屬與混合鹽溶液反應過程及物質(zhì)組成

例1 競爭無處不在，微觀粒子之間的反應也是如此。將足量的Zn粉投入一定質(zhì)量的AgNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中發(fā)生反應，溶液的質(zhì)量隨時間的變化關系見圖2。下列說法不正確的是（ ）

A. a點對應的溶液中含有三種金屬陽離子。

B. b點處的固體中含Ag和Zn。

C. 取少量b點處的溶液于試管中，滴加稀鹽酸會有沉淀出現(xiàn)。

D. 溶液先不變色，一段時間后由藍色逐漸變?yōu)闊o色。

（1） 繪制思維模型，在相應位置標出Zn和Cu2+、 Ag+。見圖3（a）。

（2） 根據(jù)得失電子強弱標出電子得失情況，Zn失去2個電子形成Zn2+、 Ag+得到1個電子形成Ag，構(gòu)成第一個順時針環(huán)路。見圖3（b）。書寫方程式Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag。由于Zn粉足量，隨著反應進行至AgNO3完全反應，第一個置換反應結(jié)束，則Ag+不存在而Zn粉有剩余，生成的Zn2+、 Ag存在。見圖3（c）。

（3） 足量Zn粉和Cu2+構(gòu)成第二個順時針環(huán)路。見圖3（d）。書寫方程式Zn+Cu（NO3）2Zn（NO3）2+Cu。隨著反應進行至Cu（NO3）2完全反應，第二個置換反應結(jié)束，則Cu2+不存在而Zn粉有剩余，生成的Zn2+、 Cu存在。見圖3（e）。

解答：由圖2中a點對應溶液質(zhì)量減少知正在進行第一個置換反應，反應物生成物均存在，且Cu（NO3）2還沒參加反應。見圖3（b）。溶液中有三種陽離子，由溶質(zhì)產(chǎn)生先后順序知其為Zn2+、 Cu2+、 Ag+。故A正確。折點b對應溶液質(zhì)量最小，說明第一個置換反應結(jié)束第二個置換反應還沒開始。根據(jù)第一個順時針環(huán)路知，AgNO3完全反應則Ag+不存在，而Zn粉有剩余，生成的Zn2+、 Ag存在。見圖3（c）。b點處固體有Ag和Zn。故B正確。由于無Ag+，取少量b點處的溶液于試管中，滴加稀鹽酸沒有沉淀出現(xiàn)。故C不正確。隨著兩個置換反應依次結(jié)束，溶液中的Ag+、 Cu2+依次生成濾渣Ag、 Cu，溶液中只有Zn2+。見圖3（e）。由于Ag+、 Zn2+無色，Cu2+藍色，所以溶液先不變色，一段時間后由藍色逐漸變?yōu)闊o色。故D正確。實際運用思維模型時可在一張圖上進行，在相應物質(zhì)上畫“√”表示存在，畫“×”表示不存在，更加直觀明了。

思維模型將復雜多變的置換反應細化成得失電子的環(huán)路模型，可清晰反映多步反應的先后順序、反應進程和產(chǎn)物成分。不同環(huán)路代表不同的置換反應，各步反應之間既有相同之處又有差異所在，既環(huán)環(huán)相扣又層層遞進。思維模型基于活動性和大概念指明解決問題的認識思路和實現(xiàn)路徑，幫助學生遷移知識，解決較復雜情境問題。

5.2 利用模型解釋金屬與鹽溶液不能反應的本質(zhì)原因

例2 中國古代已掌握了銅冶煉和鑄造技術，現(xiàn)代銅冶煉廢氣、廢水需經(jīng)過處理后排放。濕法煉銅產(chǎn)生酸性廢水，含有的CuSO4、 ZnSO4可用鐵炭混合物（鐵粉和活性炭的混合物）除去。其他條件不變，廢水pH對Cu2+、 Zn2+去除率的影響如圖4所示。

① pH<3時，鐵炭混合物表面有大量氣泡產(chǎn)生，產(chǎn)生該現(xiàn)象的化學方程式為____。

② 相同pH條件下，Cu2+的去除率遠高于Zn2+的原因可能是____。

（1） 繪制思維模型，在相應位置標出Fe和Zn2+、 Cu2+。見圖5。

（2） pH<3時溶液呈酸性，在相應位置標出H+。金屬與酸反應先于金屬與鹽溶液。產(chǎn)生氣泡是Fe粉失電子形成Fe2+，H+得電子形成H再生成H2，化學方程式為Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑。

（3） 相同pH條件下，即不考慮H+影響，F(xiàn)e失電子形成Fe2+，而Cu2+得電子能力比Zn2+強，故Fe粉和Cu2+構(gòu)成一個順時針環(huán)路而不能和Zn2+構(gòu)成順時針環(huán)路，所以Fe粉不與ZnSO4反應。Cu2+的去除率遠高于Zn2+的原因可能是Fe能置換出Cu但不能置換出Zn，即宏觀上鐵的活動性比銅強而比鋅弱，微觀上Fe在溶液中失電子能力比Cu強而比Zn弱。

思維模型從金屬和離子得失電子能力入手，將宏觀物質(zhì)和微觀粒子建立聯(lián)系。不僅能解釋發(fā)生置換反應的原因，還能從本質(zhì)上解釋不能發(fā)生反應的原因?？梢龑W生辯證地看待置換反應實質(zhì)，從死記硬背事實性知識到形成認識視角和分析反應過程。所以思維模型不是具體知識經(jīng)驗總結(jié)，而是體現(xiàn)學科大概念“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的抽象概括，具有遷移性和本原性。

5.3 利用模型半定量解釋混合金屬與鹽溶液反應

例3 向硝酸銀溶液加入一定質(zhì)量的鋅粉和銅粉的混合物，充分反應后過濾，得到濾渣和濾液。以下推斷正確的是（ ）

A. 若向濾渣中加入稀鹽酸有氣泡產(chǎn)生，則濾渣中一定有銀、銅、鋅。

B. 若濾液為無色，則濾渣中一定有鋅。

C. 若濾液為藍色，則濾液中一定有硝酸銀、硝酸銅和硝酸鋅。

D. 濾渣的質(zhì)量可能比反應前鋅粉和銅粉混合物質(zhì)量小。

（1） 繪制思維模型，在相應位置標出Zn、 Cu和Ag+。見圖6。

（2） 根據(jù)得失電子強弱標出電子得失情況，Zn失去2個電子形成Zn2+、 2Ag+得到2個電子形成2Ag，構(gòu)成一個順時針環(huán)路。書寫方程式Zn+2AgNO3Zn（NO3）2+2Ag。如果Ag+過量還會和Cu構(gòu)成第二個順時針環(huán)路。書寫方程式Cu+2AgNO3 Cu（NO3）2+2Ag。標出Zn、 Cu和2Ag的相對原子質(zhì)量。

解答：若向濾渣中加入稀鹽酸有氣泡產(chǎn)生，則濾渣中一定有活潑金屬鋅。說明只進行第一個置換反應且鋅粉有剩余。根據(jù)濾渣產(chǎn)生順序，還一定有銀、銅。故A正確。若濾液為無色，則溶質(zhì)一定無Cu2+，說明還沒有發(fā)生第二個置換反應，根據(jù)溶質(zhì)產(chǎn)生順序，溶質(zhì)一定有Zn2+無Ag+。但第一個置換反應是否恰好完全反應卻無法判斷，即鋅粉可能有剩余，也可能恰好完全反應。故B不正確。若濾液為藍色，則溶質(zhì)一定有Cu2+，說明第二個置換反應已經(jīng)發(fā)生，根據(jù)溶質(zhì)產(chǎn)生順序，溶質(zhì)一定有Zn2+、 Cu2+。同樣第二個置換反應是否恰好完全反應也無法判斷，即銅粉可能有剩余，Ag+也可能有剩余，所以是否有硝酸銀無法判斷。故C不正確。根據(jù)得失電子數(shù)守恒，無論反應進程如何，都存在Zn或Cu置換2Ag的微觀過程，而Zn、 Cu相對原子質(zhì)量65、 64都小于2Ag的相對原子質(zhì)量216。即反應后濾渣的質(zhì)量一定大于原鋅粉和銅粉混合物的質(zhì)量。故D不正確。

思維模型將物質(zhì)成分按濾渣、溶質(zhì)分別依次呈現(xiàn)，直觀清晰，可以定性預測、判斷與分析不同階段的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，還能基于電子守恒半定量比較各成分的質(zhì)量變化。凸顯思維可視AEWx9wFN+UUSC4fJ7BxRmA==化，幫助學生理順每一步反應，有助于學生從定性定量認識角度、深層次理解金屬和鹽溶液的反應，培養(yǎng)深刻、靈活、系統(tǒng)的思維品質(zhì)。

6 結(jié)語

綜上所述，金屬與鹽溶液反應的思維模型是基于“金屬活動性”認識視角和“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念建立的，能較好地揭示置換反應的微觀本質(zhì)，體現(xiàn)反應順序、反應進程和產(chǎn)物成分。其特點是將金屬活動性順序衍生為金屬和離子得失電子強弱順序，形式上從一維線型抽象規(guī)律轉(zhuǎn)化為二維平面環(huán)狀遞進圖形，內(nèi)容上將濾渣、溶質(zhì)的產(chǎn)生順序與得失電子的順序有機融合，認識方式上將宏觀和微觀建立對應聯(lián)系，進一步理順和豐富金屬活動性順序的內(nèi)涵。幫助學生認識金屬參加置換反應失電子的共性，又能激發(fā)學生深度理解微觀粒子決定宏觀性質(zhì)的化學觀念，發(fā)展比較、分類、推理、預測等科學思維。

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（無錫市教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“教育解釋學視閾下初中化學課程前期啟蒙行動研究”（課題編號：C/D/2020/05）的研究成果。）