从系统的角度对化学反应的知识进行建构（2）——系统化知识对学科认知的改变，本文主要内容关键词为：知识论文,化学反应论文,认知论文,学科论文,角度论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
氧化还原反应和酸碱反应是中学化学重点研究的两大反应体系。回想从系统的角度建立氧化还原反应和酸碱反应之间联系的过程，依旧是极具有画面感的场景！H原子就像裁判一样，将电子（“小球”）抛出，进行了一场别开生面的传球大赛——系统化的氧化还原反应。游戏是如此有趣以至于抛出电子后的
也不甘袖手旁观，它将自己也作为一个“大球”，玩起了相似的传球游戏——这就是系统化的酸碱反应（见图1）。
虽然这是用类比的方法建立起酸碱反应的系统化知识体系，但是这种系统行为与自然界物质间的反应行为的契合，也从另一个角度说明系统行为本身也是自然界物质变化过程中的普遍规律。
然而，当系统化的化学知识从教师的理解走向学生的认识并成为一种认知习惯时，这就将经历一个多角度、有层次、逐渐完善的过程。
一、系统化的酸碱反应知识体系的建立与理解
1.从氧化还原反应的类比，建立最初的转移的酸碱反应体系
如果氧化还原反应的系统化知识，始于对物质的氧化性、还原性相对强弱的有序排列，那么酸碱反应的系统化知识，也是从一组常见酸的酸性相对强弱顺序开始的。
依物质酸性的逐渐衰减，仿照氧化还原反应中氧化剂到还原产物的转化，也自然形成了基本的酸碱反应序列（见图2）。
然而，细心的学生从概念的认知角度发现新的困惑，酸还是原来的酸，可是一转眼原来由酸生成的盐，怎么此时就变成了“碱”？
依据对称性原则，同学们会进一步设想：是否存在某些碱接受以后，生成的相应的盐就能转变为“酸”？结论是肯定的！
在此，同学们对酸碱的认识，已经不再囿于阿累尼乌斯酸碱理论，或者只是从文字表征层面上对酸碱进行界定。他们很自然地从物质间的内在联系层面上理解酸碱反应的本质。在建立酸碱反应系统化知识的同时，实质上已经触及路易斯酸碱质子理论的核心内容（从对物质变化规律的理解层面上讲，此时的同学们是否明确路易斯酸碱理论的具体研究范畴并不显得特别重要）。
2.从电离到水解的类比，形成对盐的酸碱行为新认识
同学们惊奇地发现，原以为有很大差异的电离平衡和水解平衡竟有太多相似之处，不由得对以上离子平衡的认知角度发生转变（见下页图3）：当盐水解呈现酸性时，其行为就相当于弱酸；可以想象，当盐水解呈现碱性时，其行为就相当于弱碱。
这种比较是有意义的：一是就学习本身而言，同学们可以通过化归的方法，将对盐的水解平衡的认识直接转化为原有的对弱酸、弱碱的电离平衡的认识（当然，水解与电离的区别在于对水的电离平衡的影响是不同的，但是这种差异并不影响对溶液中物质间发生反应的可行性的理解）。二是从认知结构而言，拓展了概念的外延，使得电解质在水溶液中的反应可以统一在“强酸制弱酸”的基本反应规律之下。最后是更重要的、也是必要的，就是通过以上的比较，为前面用类比法建立的酸碱反应体系确立了客观真实的认知基础。
至此，依据有关电离平衡常数和相关实验事实，按物质的酸碱性相对强弱的顺序，酸碱反应序可以扩展为如图4所示的一般形式。
3.对金属阳离子酸性的理解
虽说不同金属阳离子的水解趋势，是各元素自然属性的体现，同时又受到各种因素的影响，但静电作用仍将是金属阳离子水解过程中的最核心因素之一。从点电荷电场的模型观念来看，由于金属阳离子（包括
）的半径差异不大，金属阳离子水解趋势（酸性）的相对强弱，即金属阳离子结合
的能力，即可从中心离子所带电荷数进行简单估算。
研究不同的金属阳离子形成金属氢氧化物的
数据，可以得出以下比较粗略的一般规律：虽然同种价态不同阳离子的水解趋势的强度会在一较为集中的范围内波动，并且个别不同价态金属阳离子的水解趋势会有某些交叉，但是不同价态阳离子的水解趋势仍表现出最显著的突变趋势（见图5）。
亦即金属阳离子的价态越高，水解的相对趋势越强，酸性越强。据此就可以理解，在配制高价态的金属阳离子溶液时，尤其需要关注抑制其水解的问题（如，配制
等溶液，均先将固体溶于浓盐酸，再加水稀释到相应的浓度，否则将析出相应的氢氧化物沉淀）；同时，金属氯化物在从溶液中析出晶体时，其操作方式也发生着与金属阳离子的价态相关联的有序变化（见下图6）。
值得注意的是，在关注价态影响阳离子水解趋势相对强弱的另一方面，水解生成的金属氢氧化物的颗粒大小也发生着有序的变化。即金属阳离子的价态越高，水解趋势越强，且其对应的水解产物的颗粒就越大（见图9）。
至此，用金属阳离子的酸碱反应序（图7）作为图1的酸碱反应序的必要补充，就形成了在中学阶段对酸碱反应的相对较为完整的认识。
二、建立系统化知识对学科认识的影响
1.在酸碱反应的系统中，整合对物质的性质和化学反应的认知
这是一个事实与规则相交互的结果，是对相关化学事实的总结，形成酸碱反应序；而通过对酸碱反应序的系统认识，又能够更好地对物质的性质或物质间的反应过程进行直观化的整合。
又如，利用酸碱序就很容易理解以下反应过程（细化的局部酸碱反应见图10）：
诸如此类等，都是物质在酸碱反应序中其系统行为的体现。
2.在系统的行为中，深化对化学反应的认知
离子共存是中学化学会涉及的又一重要命题。离子间因发生相互促进水解（即俗称“双水解”）而反应完全，是其中一种重要的反应形式。以往对“双水解”反应得以进行完全的原因归结于反应过程中能够同时产生沉淀和气体。这种基于现象的释疑难免会遭遇更多的质疑。而在酸碱反应序中，相关问题均可迎刃而解。
因此，从酸碱反应序的角度理解“双水解”，不仅切入了问题的实质，而且也避免了因孤立地记忆一组组不能共存的“离子对”，而使化学学习陷于繁琐的尴尬局面。
3.在酸碱反应的系统行为中，形成对化学反应知识的增殖
在酸碱反应中，“酸”与“碱”之间的组合反应，其本身就拓展了对化学反应的研究空间。然而利用酸碱反应序，还能够从观念上拓展对化学知识的理解。以酸式盐和缓冲溶液的酸碱性的理解为例。
（1）酸式盐溶液的酸碱性。
对上述问题的解释，一种方法可以从上述两种酸的电离平衡常数的角度加以解释。然而在教材中没有出现电离平衡常数的情况下，同学们对上述问题的认识，最多只能是通过实验，记住相关的实验事实。而系统化的知识，就使得同学们在实验的基础上又多了一层理性分析的过程。
（2）缓冲溶液的酸碱性。
从酸碱反应序的角度审视上述两个特殊点的pH，就会发现由共轭酸碱对组成的缓冲最大时的溶液的酸碱性，在发生着由酸性到碱性的渐变。由此就可以推测在此渐变的序列中，有可能存在某一特殊的点，其缓冲溶液正好呈中性。而越过这一点，就可能出现原有概念中的弱酸和对应盐组成的缓冲溶液的pH＞7的情形。如苯酚/苯酚钠的混合溶液就呈碱性，及至在有关习题中出现HCN/NaCN的混合溶液pH＞7的情形，同学们就不再感到奇怪了。
三、教学反思
正如在前篇论文中所阐述的是，酸碱反应的系统化并不追求对反应过程精细描摹，只是对酸碱反应的基本变化趋势进行整体认识。
可以说，系统化的知识使同学们有机会从整体上把握物质间反应的基本趋势，当需要对反应过程加以准确认识时，又可以使同学们能够迅速切入反应细节进行深入研究。在此，可以体会到有实际意义的宏观与微观之间的交互，这也是将系统化知识坚持长期应用于教学实践的意图之所在。
感谢金陵中学的张登考老师，是他最早提示金属阳离子水解趋势的强弱与其价态有直接相关性。也正因为有了这样的思考，才使看待化学的眼光从纯粹的化学世界延伸到自然科学的其他领域，形成用模型的观点认识化学的基本方法。