物質轉化圖的意義與教學芻議

徐志強

摘要：物質轉化圖跟工藝流程圖、實驗流程圖、反應原理圖等不同，其核心內容是“物質轉化”，涉及物質相繼進行的多步化學反應。物質轉化圖具有多方面的功能，在中學化學教學中出現和應用是必要的，應該比工藝流程圖應用得更多，在初中化學教學中需要注意把握好應用的度。在應用物質轉化圖的教學中，需要注意抓好物質轉化圖的分析、生成和應用3個環節。介紹了有關的教學實例。

關鍵詞：物質轉化圖；功能與意義；教學實例；化學教學

文章編號：1005–6629（2017）2–0084–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

物質轉化圖是化學教科書表征知識的一種重要方式，它以引發學生對有關知識的正確認知、概括和表征為任務。從總體上看，物質轉化圖在中學化學教學特別是化學習題中有明顯增加的趨向，其直接原因一定程度上在于物質轉化圖在高考、中考試題中頻頻出現。物質轉化圖有必要在中學化學教學中出現和應用嗎？我們應該怎樣進行物質轉化圖的教學？這是需要深入思考、探討的兩個問題，也是本文著重討論的主題。

1 物質轉化圖的界定與分類

物質轉化圖跟工藝流程圖、實驗流程圖、反應原理圖等是不同的，其核心內容是“物質轉化”，涉及物質相繼進行的多步反應過程，表征時圖中各個節點都是物質名稱或化學式而不是工藝或設備名稱。把表征物質轉化關系的圖稱為“流程圖”是不準確的，但是物質轉化關系圖不一定能反映物質轉化的具體步驟和過程，例如圖1就屬于這種情況。

因此，物質轉化圖可以細分為物質轉化關系圖和物質轉化流程圖。前者側重于表征轉化關系，后者側重于表征轉化過程。圖1是典型的物質轉化關系圖。

至于工藝流程圖、實驗流程圖，它們不具有物質轉化圖的上述特點，突出的是工藝或操作處理過程甚至設備、儀器，而不是物質的轉化關系。反應原理圖往往是以主要化學反應的化學方程式為核心添加其他內容形成的。下面圖2、圖3、圖4都不屬于物質轉化圖。

2 物質轉化圖的功能與意義

2.1 直觀、扼要地表征和概括物質的化學變化關系

物質轉化圖能表征物質的轉化關系，特別是復雜的化學變化關系。

例如，中學化學涉及的化學反應規律內容主要有單質、氧化物、酸、堿、鹽等各類物質相互變化的規律。圖1正是直觀地概括各類物質的化學變化關系的典型例子之一。

化學方程式是用化學式和特定符號表述化學反應事實的式子，但不是所有的化學反應都可以用化學方程式來表述的。如對于物質發生多步轉化的復雜化學反應的表述，用化學方程式不是過于繁瑣就是根本無能為力。此時改用物質轉化圖往往令人有一目了然、重點突出、簡潔明快之感。

例如，圖5清晰、扼要地表明了海水提鎂的主要步驟：

2.2 綜合表征物質轉化條件、控制與操作等過程知識

在中學化學教學中，物質轉化圖能夠表征物質的轉化過程及其步驟、條件甚至儀器設備和操作等重要“細節”，引導學生從反應步驟、反應條件等角度具體地認識并理解物質反應的規律和特點，也有助于使學生置身于真實的學習環境中。

例如，圖6綜合表征了實驗室摸擬侯氏制堿法的條件、控制與操作等知識。

2.3 增加對實際的了解，增強化學知識應用能力

新課程非常重視化學跟社會實際的聯系，而物質轉化流程圖比較適合用來描述社會生產實際中的化學過程，自然有助于幫助學生了解實際生產中的物質轉化關系，增強他們應用化學知識的能力。

例如，圖7可以使學生增加對海水資源進行綜合利用，從海水中提取NaCl、Na2CO3、Mg等物質的了解。

2.4 有助于學生構建知識網絡，把孤立、零散的物質知識聯系起來

物質轉化圖能夠把本來孤立和零散的物質聯系起來，構建知識網絡，形成一個有意義的整體，也有助于學生在此基礎上進一步形成物質相互聯系、相互轉化的觀念，進而更深刻地認識客觀的物質世界，體會到化學的深層次魅力，提升化學學習的樂趣。

比如初三化學“碳”是物質知識中很重要的一個板塊。在教學中，可以引導學生構建圖8所示的知識網絡，使有關物質的變化關系一目了然，提高學習的效率。

該圖可以清楚地呈現如何實現石灰石到石灰水的轉化，還可以引發對碳酸鈣、碳酸氫鈣跟碳酸（二氧化碳和水）的相互轉化關系的學習、探究。

2.5 有助于學生形成整體思考、過程思考和上位思考的習慣

總之，物質轉化圖在中學化學教學中出現和應用是必要的。由于中學化學具有基礎性，特別是初中化學具有啟蒙性質，不宜太復雜，物質轉化圖應該比工藝流程圖應用得更多。

就本質而言，物質轉化圖只是一種工具、一種載體，它的應用決定于課程標準規定的內容，其復雜程度受到內容的制約，一般不會出現過度、濫用的問題。但對于初中化學教學來說，仍然需要注意把握好應用的度。

3 物質轉化圖的教學

在應用物質轉化圖的教學中，需要注意抓好物質轉化圖的分析、物質轉化圖的生成和物質轉化圖的應用3個環節。

3.1 物質轉化圖的分析

物質轉化圖的分析需要解決3個基本問題：物質轉化圖所涉及的物質轉化系統是什么？該系統的起始物質、終結物質是什么？經歷了哪些中間步驟？對每一個步驟來說，則需要弄清楚反應物、生成物是什么？怎樣實現這個化學變化？需要哪些特殊的反應條件、儀器設備和操作？3個問題逐級提升，能使學生由淺入深地了解物質轉化的原理，厘清物質之間的聯系，了解關聯的實驗操作。

3.2 物質轉化圖的生成

物質轉化圖最好用逐步生成的方法呈現給學生，盡量避免一次性成圖。物質轉化圖越復雜，就越要注意這個問題。在呈現時，最好遵循由主到次、由簡單到復雜、由原理到操作的次序。

了解具體的化學變化和實驗操作，會用化學方程式表示整個反應過程，是物質轉化分析的基礎。如果學生的這些知識基礎不太扎實，在進行物質轉化圖分析之前應該作必要的“補課”。

3.3 物質轉化圖的應用

下面通過兩個教學實例來說明物質轉化圖的應用。

3.3.1 物質制備的流程轉化分析——以石灰石制備較為純凈的碳酸鈣為例

碳酸鈣含有鈣，可以作為補充人體內鈣質的食品營養強化劑，還可以用作發酵促進劑、抗結塊劑、增白劑、配制食品的疏松劑以及牙膏中的摩擦劑等。但是，在用作食品添加劑時，必須按照國家標準嚴格控制雜質含量、用量和粒度（不可太粗）。

石灰石是比較容易找到的廉價原料，怎樣才能把它轉變成比較純凈的碳酸鈣粉末，從而使之用于生產中并為生活服務呢？在課堂教學中，首先請學生回憶曾經學過的含碳物質的轉化圖，然后請學生思考化學反應過程，寫出有關反應的化學方程式。

學生經過討論，列出如下的反應過程：

在此基礎上，請學生思考如何用方框和箭頭表示方法一的轉化流程圖。學生設計的轉化流程圖如圖9、圖10、圖11。

接著引導學生從綠色化學的角度討論上述物質轉化圖的不同之處以及可取之處，思考二氧化碳和水的循環使用，充分利用物質資源，以此完善流程分析。經過這樣的分析，學生就會弄清楚流程分析所涉及的原理，知道物質轉變過程可以用箭頭表示，以及在這個流程分析中涉及的相關實驗操作。

3.3.2 混合物分離和提純的轉化流程分析

物質轉化的流程分析，更多地表現出來的是將混合物中的不同物質分離出來或者將雜質轉化為主要成分，以此提高其純度。分離和提純作為重要的方法，不僅在化學研究中具有重要意義，在化工生產中也同樣具有十分重要的作用。

物質分離和提純在選擇試劑和實驗操作應滿足幾個要求：提純后的物質成分不變；不能損耗或減少被提純物質的質量；實驗過程和操作方法簡單易行；用化學方法除去溶液中的雜質時，為使被分離的物質或離子盡可能除凈，若需要加入過量的分離試劑，在多步分離過程中，后加的試劑應能夠把前面所加的無關物質或離子除去。

在初中階段，對于無機物常用下列方法分離和提純：

（1）過濾-結晶法。例如氯化鈉固體的提純，就可以采取溶解、過濾、蒸發結晶的方法實現。

（2）生成沉淀法。例如NaCl溶液里混有少量的MgCl2雜質，可加入過量的NaOH溶液，使Mg2+離子轉化為Mg（OH）2沉淀（但引入新的雜質 OH-），過濾除去Mg（OH）2然后加入適量鹽酸，調節pH為中性。

關于物質的分離，可以借鑒“金屬的化學性質”實驗中對留下的含有硝酸銀、硝酸銅的廢液處理：實驗小組先在廢液中加入過量的鐵粉，充分反應后過濾得到銀、銅和鐵的混合物。他們設計了如圖12所示方案從銀、銅、鐵的混合物中分離回收銀和銅，并得到硫酸亞鐵晶體（提示：銀在受熱的情況下不發生變化）。

引導學生思考圖12所示流程中哪些試劑的加入必須要過量以及必要的實驗操作，歸納本流程中涉及的知識點（反應原理），書寫有關的化學方程式。要在課堂上讓學生能夠理解這個背景下涉及的流程分析的明線和暗線、起點和落腳點。明線為廢液的處理和回收；暗線為金屬的活動性順序、金屬的性質、酸堿鹽的性質；起點為科學探究的方法；落腳點為基本的實驗操作技能、化學用語、對實驗方案的分析評價。

關于物質的提純，向學生展示除去氯化鉀樣品中含有的雜質氯化鈣和氯化鎂的流程圖（見圖13）并組織討論。

除去氯化鈣和氯化鎂其實是除去什么離子？加入過量的KOH溶液的目的是什么？X溶液是什么？除去什么離子？根據圖13所示流程，回憶過濾和蒸發操作分別有哪些注意點？以上這些問題，都是我們在分析流程圖時，需要引起重視的問題，也是我們進行流程圖分析的本意所在。學生討論結果：用過量的氫氧化鉀溶液除去氯化鎂；用過量的碳酸鉀溶液進一步除掉氯化鈣；最后加入過量的鹽酸除去過量的氫氧化鉀溶液和過量的碳酸鉀溶液。

4 幾點思考

在物質轉化流程分析的過程中，應注重對知識的理解與運用，通過抽象、簡化、假設對知識綜合運用與實踐重組能力的培養，提升學生思維品質以及處理問題意識。通過創設制取、分離、除雜等不同的問題情境，讓學生感受化學特有的研究和呈現方式——物質轉化圖，并體驗物質轉化圖的建構過程，為學生最終形成物質轉化觀奠定基礎。圍繞物質轉化流程，通過問題鏈的研討，層層深入逐步加深對物質轉化流程方法及操作技能的認識。

參考文獻：

[1]趙宗芳，吳俊明.新課程化學教科書呈現方式芻議[J].課程·教材·教法，2005，（7）：71～74.

[2]趙宗芳.高中化學教科書配圖測評體系的初步研究[D].上海：上海師范大學碩士學位論文，2006.

[3]吳俊明，吳敏.芻議化學變化觀的形成、內容和結構[J].化學教學，2014，（12）：13～19，23.

[4]王保強.化學工藝流程圖題的命題特點和應對策略[J].化學教學，2013，（8）：64～66.