从金属提取、活动性顺序到电化学，帮助学生对金属相关的主题融会贯通 | eic
文摘
教育
2024-05-29 15:54
英国
Education in Chemistry (eic) 杂志是英国皇家化学会的化学教育杂志，致力于为化学教师分享有用的教育教学新闻、文章以及资源。
本文中 Niall 老师分享了自己在金属提取、活动性顺序和电化学等多个与金属紧密相关的主题在不同学习阶段的教学经验，以帮助学生增进理解和自信，并避免常见的错误概念。
作者 Niall Begley 是贝尔法斯特 Our Lady and St Patrick’s College 的化学教师。他对教育充满热情，乐在课堂内外使用技术作为教育资源，是油管频道 Mr B Chemistry 的主理人。从闪亮的珠宝到坚固的建筑材料，从电线到更先进的手机和新能源车电池，地球中提取的金属在日常生活中起着关键作用。14-16岁学生需要理解金属提取过程，掌握并能解释氧化和还原等各种反应类型。但在将这些知识应用到新情境时，他们常常会遇到错误概念。
在中学教育的初期，学生学习金属活动性顺序。他们认识到更活泼的金属可以从化合物中置换出不活泼的金属。在14-16岁阶段，理解金属的反应性与其形成金属离子的可能性之间的关系成了学习的重点。我发现强调氢和碳在活动性顺序中的位置对于理解金属提取的化学方法非常重要。虽然学生在实践课的学习中会涉及到铁和铝等金属（点此了解置换实验👈），但他们仍然经常误解金属的来源。他们可能认为所有金属都像日常生活中看到的那样存在于自然界。在元素周期表中的93种金属中，只有少数非化合物状态存在于地壳中。在教学初期引入矿石和矿物的概念，有助于学生理解需要从化合物中提取活泼金属。学生需要理解碳和氢在反应性系列中的位置，因为这将帮助他们理解提取金属方法。金属活动性顺序最前面的活泼金属通过电解提取，而碳以下的金属通过还原反应提取。氢以下的金属，例如金，以金属单质形式存在。尽管铜在许多考试中反应性系列中排名非常靠后，但其主要来源是黄铜矿（CuFeS2），我们仍需要从矿石中提取铜。主要的考试大纲都要求掌握金属的工业提取过程，学生需要知道铜的提取是通过和碳一起加热碳实现的。这一主题在课上讲授可能会有些枯燥，不妨尝试能激发学生兴趣的翻转课堂教学法（如课前布置视频任务）👈（点击链接看看翻转课堂的研究），BBC Teach 等平台提供了富有见解的视频，不仅展示了高炉的工作原理，还更广泛地解释了铁矿石的提取过程。排在活动性顺序最前面的金属非常活泼，自然界中从不以单质形式存在，只以化合物形式存在于金属矿石中。在电解过程中，直流电通过金属溶液或熔融化合物。可以让学生观察阴极上生成的熔融金属，并测试在阳极生成的产物，可以增强学生的参与度并加深对电解的理解。14-16岁的学生在解释电解和书写正确的半反应时候信心越强，他们在16岁后学习电化学和预测反应可行性时就越轻松。在课堂上加入电解演示视频或实验，并辅以视频强化学生理解。
尝试在火柴头中提取铁的实验，学生可以轻松使用现成的设备和化学品进行快速金属提取实践。
尽量增加使用小白板进行平衡化学方程式、半反应方程、观察结果和定义的检索练习。
在打基础额的阶段，我们可以用氧和氢来解释氧化和还原。我喜欢展示配平化学方程式，例如三氧化二铁与一氧化碳的反应，让学生根据氧/氢的得失判断氧化物和还原物。
进入16岁阶段以后，学生要用氧化态和数值来解释这些反应。简单离子的氧化态比较容易，相当于离子电荷。例如，在三氧化二铁中，铁的氧化态为+3，氧为–2。通过思考如果将原子分开电子会去哪里，我们可以确定更复杂化合物的氧化态。更多电负性元素（靠近周期表右上方）对电子的拉力更强，因此最终会形成负的氧化态。尽管14-16岁的学生不需要了解氧化还原反应等量同时进行，但知道将来会学什么对他们也有帮助。让学生练习识别电解中的电极和氧化还原过程非常有帮助。告诉学生诸如升失氧，降得还（英文中类似的PANIC – positive anode negative is cathode, OILRIG（OILRIG – oxidation is loss (of electrons), reduction is gain）等口诀。考试的题目中可能会使用阳极/阴极，也可能使用正极/负极。当比较两种类型的电化学电池（原电池和电解电池）时，区分电极会变得更困难。 在16岁以后，学生对电化学有了更深入的理解。他们能用不同的半电池组成各种原电池，并使用电化学序预测电池电位（电压）。到了这个阶段，他们将对化学理解变得更完整和深入。从11-14岁刚刚开始学习金属，例如镁和硫酸铜的简单置换反应，一步步到16岁后能解释反应的剧烈程度的原理，希望他们能将整个化学学习过程融会贯通。
