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(2017-05-04 19:05:55)
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化学方程式拆分化学教学浓硫酸与金属铜反应金属铝与氢氧化钠反应碘化钾与浓硫酸反应 |
分类： 化学基本概念 |
对化学方程式拆分问题的看法
在化学教学中经常会遇到，将一个比较复杂的化学方程式拆分成两个或更多个分步反应，这样的情况。这样做的目的通常都是，为了便于学生将新旧化学知识进行类比，帮助学生理解和记忆新性质。或是在一些已知反应规律的基础上，来进行化学反应方程式的配平。
但是，这些拆分方法难免也会遭到一些质疑，引起一些讨论。
下面就此举几个比较典型的例子。
一、浓硫酸与金属铜的反应
在很早以前的中学化学教材中，曾将浓硫酸与金属铜的反应说明为：
首先生成黑色的氧化铜，
CuO+H2O+SO2↑
……（1）
生成的氧化铜又跟过量的硫酸起复分解反应，生成硫酸铜和水。
把以上两个化学方程式合并起来，可以得到一个总的化学方程式，
如仅仅是为了在，还没有讲到如何用氧化数配平复杂氧化还原方程式的情况下，给出一个利于（3）式的配平途径，这是无可非议的。这只是把较为复杂的式（3），看成是两个较简单反应的加和。前一反应表现的是浓硫酸的氧化性，后一反应则能与学生与已熟悉的复分解反应联系起来。
当然，有的教师还可能会将其进一步地发挥，而告诉学生，可以将浓硫酸的氧化作用看作，相当于其发生了分解反应，
产生出来的O，又极易与Cu去结合。就还有，
反应（4）与反应（5）合并在一起，就是反应（1）了。
这样会使学生对反应方程式的两个硫酸分子中，只有一个起到了氧化剂作用，能留下比较深刻的印象。
但是，有的教师注意到，在与教材配套的教学参考资料中还指出了：金属铜与浓硫酸（比重1.84）的反应较为复杂，能发生一系列反应：
资料并没有说明这些反应间的关系。既没有指出式（3）与前面式（1）与（2）间的关系，也没有指出式（3）是否是后面（6）、（7）、（8）三式相加的结果。但反应与CuO无任何关系。
因此，一些关注这个反应的教师，就试图去判断Cu与浓H2SO4反应时，金属铜表面会出现的黑色物质究竟是什么？他们实验的结果是，这种黑色物质是硫化物（记得很早以前的《化学教育》上有过这样的一篇文章）。
这样，式（1）与（2）此后就淡出了中学化学教材。
其实，这个问题给人们的另一个重要警示应该是，化学教育工作者是否有权将一个化学反应方程式给拆分开来。
当然会有两种对立的观点：
一种是不能拆分。其论据有两点。
第一，化学反应方程式是根据参加反应的物种、及所生成的物种，为反映出它们之间计量关系，从实验得来的一个式子。它不能、也无法说明反应的具体途径及步骤。
要说明反应经历的途径，只能依托于其“反应机理”的明晰。
第二，要探究一个化学反应的反应机理，看它是由哪些基元反应组成的，只能采用如下的方法：先用实验测定出该反应的速度方程，然后用一系列已知快慢且被公认的基元反应来构造其反应机理，从这个反应机理的一系列基元反应恰好还能导出该速度方程，这样得到的也仅是其一个可能的反应机理。
总之，不可能凭空得到一个化学反应的反应机理、或反应步骤。不能凭空地去拆分一个化学反应。
只要一想到，连一个氢气和单质碘生成碘化氢的反应，其反应机理都讨论了半个多世纪，它竟然都不是简单反应。就会知道要想正确、科学地去拆分浓硫酸与金属铜之间的反应，弄清其反应机理，该是一件多么艰巨的任务。
如果再回想一下《物理化学》教材，所谓的基元反应中还会出现一些不稳定、且平时根本不会遇到的原子、离子甚或自由基，人们对这样的反应机理也是不会感什么兴趣的。
面对上面这么严格的拆分条件，主张“能拆分”看法的教师，还是可以提出自己的一些“论据”的。它们认为：
为了说明某物质在一个反应中起到了不同的作用，比照“盖斯定律”，将其拆分为两个或多个反应，并没有违背质量守恒和能量守恒，怎么就不可以呢？
这种拆分并不是科学研究，只是化学教学的需要，是学生在理解和掌握知识过程中的一个辅助工具。是用不着那么严格的。
如果，对这个问题只有上述这些看法的话，教师们实际上就应该能达成以下的共识：
化学反应方程式来源于化学实验。在一般情况下人们不要试图去拆分它们。
科学地拆分任何一个化学反应，都是一件及其艰巨的工作，属于化学动力学的研究的内容。这个拆分绝不是某个化学工作者凭经验或直觉就可以完成的。
在化学教学中可以将一个反应方程式进行适当的拆分。这里的拆分是一种教学方法，拆分的结果是一个教学辅助工具。为避免学生误解，教师应有“相当于”、“可以看做”或“人为地拆分成”这样的提醒。应该让学生清楚地知道，实际的反应过程并不一定就是这样子的。
在化学教材中，则应极力避免出现将一个反应分成多步来写的现象。
如，即便通过实验确定了金属铜与浓硫酸反应，在产生大量硫酸铜的同时，最终确实还有少量Cu2S及CuS生成。那就要写出三个独立的反应方程式。
一个是上面的式（3），这是一个描述主要产物是CuSO4的反应。
一个是生成Cu2S的式（6）。这是一个与式（3）并行的副反应。
对CuS的生成，则不应该在式（6）的基础上（以Cu2S为反应物）再来写。而应该独立的写为如下的反应（9）（仍要以Cu为反应物），
二、金属铝与氢氧化钠溶液的反应
金属铝与氢氧化钠溶液间的反应，也是一个比较难写的反应。它与活泼金属与水的反应不同，与活泼非金属与碱的反应也不一样。一般被写为：
如上的方程式（10）对中学生来说，其配平也是不很容易的。
因此，在教学参考书及许多化学复习资料中都指出，上一反应（10）是下两个反应的加合。
并解释为“铝条与氢氧化钠溶液里的水反应，放出氢气，并生成氢氧化铝。生成的氢氧化铝又溶解在强碱溶液里”。
其实这个拆分，主要是为了给学生强化“Al(OH)3是两性氢氧化物，它可以与强碱反应”这个知识点，是为此而想象出来的。
果真有这样的一个反应过程吗？都不用学生去怀疑，在专为中学生写的化学普及读物中就有一个，与上说法不一样的反应过程[1]。
在指出“两性金属跟碱作用的本质和非金属单质（如Cl2、Si）跟碱的作用并没有很大的区别，尤其和硅的作用更类似。铝原子（或锌原子）从OH-离子处拉引来了电子，把它转移给水溶液中存在的少量H+（碱溶液中亦有极少量H+存在）。这样就置换出H2，而铝原子本身就跟OH-
出于科学性的考虑，作者还特别指出这是“大致表示作用的情况”，是为了与非金属的反应比较，“很强的非金属元素如Cl2跟碱作用后，生成的Cl-，就不会把所获得的电子转移给H+，所以没有H2产生。就是这一点和两性金属的作用不同”。
当然，其中是否要有带负电荷的铝离子出现，还值得商榷。但是，在这个强碱性溶液中进行的反应，没有生成Al(OH)3的必要，这个观点还是得到不少人赞同的。
Al(OH)3完全是一个被假想出来的中间产物。将其替换为Al2O3也没有什么不可以的。
从金属在溶液中的腐蚀多是电化学反应的角度来看，对这个反应的理解最好还是用如下的图来描述：
在水溶液中金属铝外表面处会有一个，由其表层所带有的一些负电荷，与溶液中的Al3+离子共同构成的，有一定电势差的双电层（如下图）。
这样，双电层溶液侧的Al3+离子就会与碱溶液中的OH-离子结合成配离子[Al(OH)4]-（也可让这个离子脱水写为AlO2-阴离子），降低了溶液中Al3+离子的浓度。而铝表层的电子e-要与溶液中的H+离子结合，使其变成H2气泡，也降低了表面层的电子密度。金属铝为了保持这个电势差，就要再把电子留在金属表面，而自己再以离子的形态进入溶液。这个反应就可以如上再进行下去了。
由这个图示，就可以得到无机化学教材中常见的该反应的化学方程式，
从中不难看出，在讨论这个反应过程中的氧化剂时，只有水是氧化剂。而NaOH根本就没有参与氧化还原反应，没有做氧化剂的资格。
将反应（13）中产物端的2Na[Al(OH)4]脱掉4个H2O，写为式（10）中的2NaAlO2时，就必须同时将反应物端的4个H2O也销掉。这实际上是在偷换概念。用简化产物表示形式的方法，把部分反应物给抹杀掉了。
也就是说，在讨论这个反应中的氧化剂时，应该把式（10）中的水给补齐，用式（13）来做讨论的依据。
三、碘化钾晶体与浓硫酸的反应
在化学实验室中人们常用氯化钠晶体与浓硫酸共热来制取少量的氯化氢气体。
但是，用这个反应来制备HBr和HI气体是不行的。因为，浓硫酸有很强的氧化性，而HBr和HI都有很强的还原性。会使产物HBr和HI被氧化，而得不到纯净的卤化氢气体。
就是基于卤化氢有还原性这样的看法，无机化学教材对所发生的这两个反应分别描述为：
看到这两组反应方程式后，有的学生就会问，为什么KI在H+离子本来就极少的浓硫酸中，一定要先发生一个复分解反应，成HI后，才被浓硫酸氧化呢？难道气态的HI，能比I-离子的还原性还能强一些，或者HI分子的失电子速度能比I-离子更快一些呢？恐怕都不会是这样的吧？
其实，这又是一个反应被随意拆分，而导致的信息混乱问题。应该不要借助于卤化氢，而直接写出下列的副反应：
在这两个副反应的产物中S被还原的价态是不一样的。这是I-与Br-离子的还原能力有差别造成的。
参考文献
[1] 金松寿编著. 和中学生谈化学. 陕西科学技术出版社. 1983年
[2] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年
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