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挖掘图表数据内涵组织化学教学的若干启示

范文

孙立新

摘要：根据高中化学教材（人教版）中提供的图表数据资料作分析和探讨，阐述如何指导学生分析数据、质疑数据、探索数据之间的关系等教学过程，为如何利用和挖掘教材中图表数据的内涵，进一步落实化学学科核心素养提供了教学实例。

关键词：中学化学教学;图表数据内涵;化学学科核心素养

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）中指出：学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的正确的价值观念、必备品格和关键能力。高中化学学科核心素养是高中发展核心素养的重要组成部分，是学生综合素质的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了化学课程学习对学生未来发展的重要价值。

中学化学教材（人教版）中提供了不少的图表数据，这些数据反映了化学物质之间的何种关系，向我们展示了化学物质的哪些本质，需要引起我们的关注。让学生了解这些数据所包含的内涵，探索这些数据之间的关系，从而了解物质的性质，对学习化学具有非常重要的意义。查阅有关资料，关于在中学化学课堂教学过程中，如何开展图表数据的教学探讨，落实化学学科核心素养的文章并不多见。范雷军[1]曾对教材中数据类图表的教学进行过初步探讨，认为利用数据型图表有利于培养学生的化学素养，并提出利用数据型图表的基本要求。占小红[2]等对化学教材中图表的认知难度也进行了分析和评价。

我们认为，高中化学教材（人教版）中图表数据的教学蕴含着丰富的内涵，其包括数据的查找、数据的推理、数据的内在规律、数据的质疑等多方面，在培养学生化学学科核心素养方面有很重要的价值和意义。

本文就如何利用教材中提供的有关图表数据，在“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”以及“科学探究与创新意识”等三方面落实化学学科的核心素养，谈谈我们的做法和看法。

1 挖掘图表数据内涵，落实“宏观辨识与微观探析”的核心素养教育

新课标关于“宏观辨识与微观探析”的教学要求是：能从元素和原子、分子水平认识物质的组成、结构、性质和变化，形成“结构决定性质”的观念;从不同层次认识物质的多樣性等。如何从教材中所给出的图表、数据等方面来落实“宏观辨识与微观探析”的核心素养教育？我们认为可从以下几方面来落实。

1.1 学会查找数据

我们在选修3教材（人教版）中学习了金属晶体的堆积方式，了解了金属钠是一种“体心立方堆积”后，不妨根据教材中提供的有关数据来计算一下钠的原子半径或密度大小，以此来慢慢感受查找数据、利用数据并用数学方法来处理数据的一般过程。

我们在必修2教材[3]（人教版）中查得钠的密度为0.97g/cm3，用这个数据来计算钠原子的半径会是多少？计算如下：

而我们在必修2教材[4]（人教版）可查得钠原子的半径为186pm。显然，计算结果与实验结果高度一致！是不是很神奇？

1.2 学会利用数据进行推理与论证

类似地，我们还可以根据选修3教材[5]（人教版）中提供的钠离子半径、铯离子半径以及氯离子半径来计算氯化钠、氯化铯的密度，并证明氯化铯的配位数是8而不是6。

1.2.1 计算氯化钠、氯化铯的密度

我们从教材中查得钠离子半径为95pm，铯离子半径为169pm，氯离子半径为181pm。 NaCl的晶胞和CsCl的晶胞如图1、图2所示。

我们知道，NaCl晶胞中有4个Na+和4个Cl-;晶胞的棱长应是Na+和Cl-的直径之和，即：晶胞的棱长=（95pm+181pm）×2=552pm。

所以，NaCl晶体的密度=4×（23+35.5）/〔6.02×1023×（552pm）3〕

=234g/101.25cm3

=2.31g/cm3

实际上，NaCl晶体的密度为2.165g/cm3。计算结果与实验结果是不是相差不大？在化学学科里，这两个数据我们可认为近似相等。

氯化铯的密度呢？我们也可以计算。从图2中可以看出：每个CsCl的晶胞只有1个Cs+和1个Cl-;该晶胞的体对角线长应是Cs+和Cl-的直径之和，即：晶胞的棱长=（169pm+181pm）×2÷3=404.2pm。

所以，CsCl晶体的密度=（133+35.5）/〔6.02×1023×（404.2pm）3〕

=168.5g/39.74cm3

=4.24g/cm3

比实际值3.984g/cm3也要略大些，当然，我们也可以近似地认为它们是相等的。

上述两个计算结果都比实验值略大。这是什么原因？原来，计算的结果只能是晶胞在“无隙并置”时的理想结果，而实际的NaCl晶体由晶胞“并置”时，并不是“无隙”的，而是常常留下“间隙”。也就是说，氯化钠固体是由许多数目不定的晶胞组成的“集体”构成的，这些“集体”与“集体”之间一定会有一些很小的“空间”，正是由于这些很小“空间”的存在，才导致了理论值（也就是计算值）比实验值（也就是实际值）偏大。当然，我们在使用NaCl晶体的密度时要用其实验值，而不是理论值！

1.2.2 证明氯化铯的配位数是8而不是6

如果我们假定CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式相同，那么此时CsCl晶体密度的理论计算值又会是多少？

仿照上述NaCl晶体密度的计算式，不难算出CsCl晶体的密度

=4×（133+35.5）/〔6.02×1023×（2×169pm+2×181pm）3〕

=674g/206.5cm3=3.26g/cm3

此时的理论值比实际值3.984g/cm3要小得多，这是不符合实际情况的。这是不是可以证明CsCl晶胞和NaCl晶胞的排列方式不同呢？当然可以证明！

至此，学生的疑惑也就迎刃而解了。

1.3 “质疑”数据，是学习和思考过程中的一种思维习惯

1.3.1 养成关注教材中所给数据的习惯，是学习和思考过程中的一种思维方式

教材中给出的数据有许多，如果我们留意观察，有时会发现同一种物质的同一种数据有时会有些不同，这是什么原因？

其实这是一种正常的现象，因为化学数据都是实验数据。不同的人，测定方法不同，所得的数据是不同的;不同的人，即使方法相同，所测得的数据也可能是不同的。当然，即使是同一个人，用同一种方法测定，其结果也可能是不同的，也正是这个原因，我们在做定量实验的时候，都必须做至少三次。例如，我们做酸碱中和实验，用已知浓度的酸溶液滴定未知浓度的碱溶液时，我们至少应做三次实验，若这三次实验的数据相差不大，在实验的误差范围内，我们就可以不再重新实验了;若有一个数据与其他两个数据相差较大，不在误差范围内，我们就必须继续实验，且要找到那个误差较大的数据产生的原因，否则，我们这次“中和滴定实验”就是失败的实验。

同样，科学家们的实验方法不同，实验仪器不同，所取的实验材料不同等等，他们所测得的实验数据也是不同的。比如：《物质结构与性质》教材（人教版）的第80页有NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔点分别为993℃、 801℃、 747℃、 661℃;而在该教材的第85页却指出它们的熔点分别为995℃、 801℃、 775℃、 651℃。我们不难发现这两处的熔点是不同的，特别是NaBr的熔点竟相差28℃。

为什么会出现这样的情况呢？显然，这两处的数据应该是引自不同的资料，在同一本书中引用两种不同的数据应是不可取的，我们以后在用“数据”做推理或者做证据时，必须用同一个资料上的数据，否则，我们的推理或论证就会缺少科学的严谨性和说服力。

1.3.2 “质疑”数据要有理有据，也是学习和思考过程中的一种思维方式

当然，教材中给出的数据，都是科学工作者用实验的方法测得的，得到了绝大多数其他科学工作者的认可，到目前为止，这些数据应该是大家公认的数据。随着科学技术的不断发展、科技手段的不断更新，有些数据有可能会有更新，因此，教材中给出的某些数据，我们是可以质疑的。就像上述NaF、 NaCl、 NaBr、 NaI的熔点一样，有着明显的差异，我们能不怀疑吗？

又如，选修4教材[6]（人教版）第43页给出了H2S的电离常数，分别为K1=1.3×10-7，K2=7.1×10-15，它们相差108倍，其他多元酸的K1与K2相差都在104左右，H3PO4的K2、 K3也是相差104左右，我们是不是应该“质疑”它？我们可以用我们所学的知识来判断它是否合理。

第一种证法是利用上述数据，计算常温下0.1mol/L硫化钠溶液中硫离子的浓度，我们会发现硫化钠溶液几乎完全水解，也就是几乎可以认为没有硫化钠溶液，或者说0.1mol/L硫化钠溶液几乎是不存在的。

从上述两种证明，都可以说明H2S的电离常数K2=7.1×10-15是可以怀疑的，也是值得怀疑的！它应该是多少呢？怎样测得这个数值呢？需要我们每一个有兴趣的同学努力学习，积极思考。

2 挖掘图表数据内涵，落实“科学探究与创新意识”的核心素养教育

新课标关于“科学探究与创新意识”的教学要求是：认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动;能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究;能和同学交流实验探究的成果，提出进一步探究或改进的设想;养成独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神。

教材中给出了不少的实验数据，比如烷烃、烯烃的沸点数据，直链一元醇的熔点、沸点数据，碱金属卤化物的晶格能数据等等，却没有给出任何相关的规律。那么这些数据之间有无规律可循？或者说这些数据之间有没有什么内在的联系呢？其实，有兴趣的教师或学生是可以作些探索的。

例如，我们在讲烷烃的物理性质时，教材中给出了甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷的沸点数据：-164、 -88.6、 -42.1、 -0.5、 36.1（℃），我们查找有关资料，还得到了正己烷等的沸点：68.9、 98.4、 125.7、 150.8、 174（℃）。這几个数据之间有没有什么联系呢？大家都知道：结构和性质相似的物质，相对分子质量越大，其沸点会越高。也就是说，这些烷烃的沸点与它们的相对分子质量会不会有定量的关系呢？这是我们可以探索的规律。当我们计算了它们的绝对温度后，发现它们之间还真存在着某种联系。

通过描点法，我们发现这些绝对温度数据与碳原子个数成近似抛物线的关系。于是我们提出了一个简单的经验公式，即：T2=ax+b，式中T为直链烷烃的沸点，x为碳原子的个数，a、 b为常数。我们通过计算，确定a=20885.41，b=-8739.39。计算结果如表1所示。我们可以看出实验值与计算值较吻合。

我们从表中的计算结果不难发现：影响直链烷烃沸点的决定因素是相对分子质量，也就是范德华力;除了范德华力之外，还有其他因素（色散力、诱导力等），但这些因素都不是主要因素，对直链烷烃的沸点的影响不大。所以，我们在中学阶段比较分子晶体的熔点、沸点的大小时，一般只需要比较相对分子质量就可以了（含有氢键的分子其熔、沸点主要由氢键决定）。

我们还可以通过分析上述提出的计算公式，不难得出这样的结论：对直链烷烃的熔沸点大小起决定作用的是其相对分子质量。

3 挖掘图表数据内涵，落实“证据推理与模型认知”的核心素养教育

新课标关于“科学探究与创新意识”的教学要求是：要有证据意识;初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论需要的证据和寻找证据的途径。

选修3教材[7]（人教版）中提供了一些键能、键长的数据，怎样应用这些数据呢？现摘录一些加以说明（见表2）。

一般地，单键为σ键，双键中有一个σ键，另一个为π键，叁键中只有一个σ键，另外两个为π键。按照这个规律，再根据表中CC、 CC、 CC的键能大小，我们不难得出一个结论：碳碳键中π键的键能比σ键的键能小得多。

因为CC中一个σ键的键能和一个π键的键能之和为615kJ/mol，而CC的键能为347.7kJ/mol;

又因为CC的键长比CC的键长要短，因此，CC中σ键的键能应比CC中σ键的键能大。

也就是说CC中π键的键能比σ键的能量要小得多！所以我们在有机化学的学习过程中介绍：CC易发生加成反应完全合乎情理。

于是，有不少人就根据OO和OO的键能大小以及NN、 NN、 NN的键能大小得出另一个结论：氧氧键和氮氮键中π键的键能比σ键的键能大得多。

其实这个结论是不正确的！因为OO和OO以及NN、 NN、 NN的键长是不同的，也就是“电子云的重叠程度是不同的”，因而OO和OO以及NN、 NN、 NN中σ键的键能也是不同的。可以想象，NN的键长是最短的，σ键电子云的重叠是最多的，也就是NN 中的σ键的键能最大。不妨以NN 和NN的键能大小来作说明。

设NN中σ键键能为E1，NN中σ键的键能为E2，π键的平均键能为Eπ，则有

Eπ是否一定大于193kJ/mol呢？至少在数学上是不能确定的！当然，我们也不能确定NN中π键的键能与σ键的键能大小，也就不能确定Eπ和E2的大小。而碳碳键中的σ键能大小和π键键能大小就没有这种情况。

另外，我们还可以用OO和OO的键能数据来定性地推理：因为OO的键能为497.3kJ/mol，OO的键能为142kJ/mol，若OO中π键的键能比σ键的键能大，则OO 中σ键比π键更易断裂，也就是说，钠与O2（当然，我们这里是将O2的结构当作是OO）反应生成过氧化钠时断裂的是σ键而不是π键，即过氧化钠中的氧氧键是π键而不是σ键！这当然是不可以的。所以OO 中π键的键能大于σ键的键能是错的！

在中学化学教学过程中落实化学学科核心素养是大势所趋，而“化学数据”的处理，包括实验“数据”的处理，利用“数据”的证实或证伪，利用“数据”探索物质的结构、性质等都是化学教学的一个重要组成部分，甚至可以說没有“数据”的证明是苍白的证明！为此，我们在“数据”处理方面有了上述如是做法和看法，与大家共享。

参考文献：

[1]范雷军. 人教版高中化学新教科书中数据类图表初探[J]. 现代中小学教育，2006，（5）：24～26.

[2]占小红，周少江. 化学教材图表认知难度分析量表的设计及应用[J]. 化学教学，2015，（4）：12～16.

[3][4]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2[M]. 北京：人民教育出版社，2004：5，7.

[5][7]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·物质结构与性质[M]. 北京：人民教育出版社，2004：31～32.

[6]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 北京：人民教育出版社，2004：43.

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