◇ 江西 吕良艳

王军翔老师在“以‘思维发展’为核心构建中学化学教学的‘理’与‘实’”一文中强调：“思维发展”是化学教学的核心.学生的思维发展包括学科内思维和学科间思维两个部分，运用学科内思维解决问题，学生更容易理解，由于“学科本位”导致的学科知识间的隔阂、高中阶段化学知识特点等原因，学生不善于运用其他学科知识解决化学问题.例如，学生在解决与物理中电学知识相关的化学问题时，往往只会从化学学科的角度去分析问题、解决问题.实际上，运用物理学中的电学知识分析某些化学问题，可使逻辑更严密，思维更清晰.“证据推理与模型认知”是高中化学课程标准修订组提出的化学核心素养之一.“证据推理与模型认知”素养包括能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律.化学学习过程应以化学知识作为构建假设的基础，依据物质及其变化的相关信息建构模型，运用模型对化学现象进行解构，达到认知物质世界的基本目标.

在教学过程中，判断离子半径的大小、原电池为什么能加快化学反应速率、分子构型的判断、电化学中离子移动的方向等是中学化学中的疑难问题，学生很容易出错.本文尝试通过建构物理模型，从宏观和微观相结合的视角对以上问题进行分析探讨，使抽象的问题具体化、复杂的问题简单化，加深学生对知识的理解，同时培养学生“证据推理与模型认知”和“宏观辨识与微观探析”素养.

1 离子半径的比较类模型

对电子层数相同的简单离子半径进行比较时，教师通常采取定性的方式进行解释：电子层数相同，微粒所带电荷数越多，原子核对最外层电子引力越大，离子半径越小.这样会让学生混淆离子半径和原子半径，如认为r（Na+）＞r（O2-）.

图1为离子半径比较的模型.q1 代表原子核所带的正电荷，q2代表离子最外层的电子.原子核和最外层电子之间距离为r，原子核对最外层电子的静电作用为F，由库仑定律可知对于相同电子层的微粒而言，F 与q1成正比，F 越大，对最外层电子的吸引力越大，微粒半径就越小.Na+原子核内有11个正电荷，O2-原子核内有8 个正电荷，由于F（Na+）＞F（O2-），最外层电子被吸得更紧，故r（Na+）＜r（O2-）.同理可快速判断出：r（N3-）＞r（O2-）＞r（F-）＞r（Na+）＞r（Mg2+）.

图1 微粒半径比较的物理模型

2 原电池加快化学反应速率模型

为什么原电池可以加快化学反应速率呢？将Zn棒插入稀硫酸溶液符合金属的“溶解—析出”平衡：由于极性水分子和离子的相互吸引，Zn将电子留在锌棒上，锌以［Zn（H2O）6］2+形 式 进 入 溶 液 中，当［Zn（H2O）6］2+慢慢扩散后，受到同种电荷排斥的影响，溶液中H3O+慢慢进入锌棒得到电子变成H2.1889年，德国化学家能斯特（H.W.Nernst）提出了双电层理论，用以说明金属及其盐溶液之间电势差的形成和原电池产生电流的机理.在Zn-Cu-硫酸组成的原电池中，Zn在锌棒上失去电子变成Zn2+，Zn2+与极性水分子结合进入溶液中，电子留在锌棒上，其物理模型如图2.Zn棒上的电势ψ＜0，Cu棒上的电势ψ=0，电子由低电势流向高电势，由Zn棒经外电路流向Cu棒.受Zn2+排斥和正极电子吸引的影响，H3O+移到Cu 棒上得电子产成H2逸出.形成原电池后，H3O+在正极与电子结合的阻力远小于直接在锌棒上的电子的阻力，所以原电池可以起到加快化学反应速率的作用.

图2 Zn—Cu原电池原理物理模型

3 分子构型判断模型

学生在学习判断分子的形状时，通常是采用死记硬背的方式识别分子的形状，如CH4为正四面体形、NH3为三角锥形、H2O 为角形或V 形.在共价微粒中，中心原子周围电子对所占的空间尽可能采用使其本身受到的静电排斥最小的构型，即尽可能地使中心原子周围的各电子对的距离达到最大，这样电子对的排斥力会更小，微粒更稳定.

例如，当氧族元素作为配位原子时，可以理解为形成的是配位键，不提供电子.如中心原子有4对电子，4对电子到中心原子的距离相等，排斥力最小的理想构型为正四面体形，建构模型如图3.当其中有1对孤电子对时，其理想构型演变为三角锥形；如果有2 对孤电子对时，其理想构型演变为V 形；如果有3对孤电子对时，其理想构型演变为直线形.如CH4中4 个C—H 键完全相同，即甲烷为正四面体形分子，共用电子对排斥力最小，H—C—H 的夹角都为109°28′.由于NH3中N 原子有1对孤电子对，孤电子对和成键电子对之间的排斥力大于成键电子对和成键电子对之间的排斥力，受孤电子对影响，因此NH3的空间构型为三角锥形，测得 H—N—H 的夹角减小到107°18′.H2O 分子 含有2 对孤电子 对，因此H2O 的空间构型为V 形，测得H—O—H 的夹角为104°30′.电子对之间的排斥力大小顺序为：孤电子对和孤电子对＞孤电子对和成键电子对＞成键电子对和成键电子对，导致H—C—H 的夹角＞H—N—H 的夹角＞H—O—H 的夹角.

图3 4对电子排斥的理想模型

4 电化学离子移动模型

电化学装置主要有电解池和原电池两种装置，电化学溶液中阳离子、阴离子的移动问题是学生理解的难点，学生容易混淆原电池中的离子移动和电解池中的离子移动.

4.1 电解池离子移动模型

接电源正极的为阳极，接电源负极的为阴极.电解过程中，电子由电源负极流向阴极，阴极上带有大量的负电荷，电子由阳极流向正极，阳极带有大量的正电荷（如图4）.阳极带正电，阴极带负电，把阳极和阴极看成电容器的两个电极板，两极板之间形成了一个电容器，存在电势差，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动.如电解CuCl2溶液，溶液中的Cu2+、H+、Cl-、OH-处于电容器的中间，受到电势差的影响，Cu2+、H+向阴极移动，Cl-、OH-向阳极移动.

图4 电解池离子移动的物理模型

4.2 原电池离子移动模型

在原电池装置中，负极失电子后产生的阳离子会进入负极附近溶液，负极产生的电子会经外电路流向正极，正极带有较多的负电荷（如图5）.将正极和负极看成电容器的两个电极板，两极板之间形成了一个电容器，存在电势差，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动.如Zn-Cu-硫酸组成的原电池中，产生的Zn2+在负极附近，和正极形成一个电容器，溶液中的离子受电势影响，Zn2+和H+向正极移动，和OH-向负极移动.

图5 原电池离子移动的物理模型

物理知识与化学知识的相互渗透与融合，能有效拓展学生观察事物的视角和思考问题的空间，提升学生的思维品质和科学素养.依据物质变化的内在规律作出模型假设和模型建构的能力能帮助学生建立解决化学问题的基本框架，由此实现“从化学视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点”的化学学科价值.运用物理思维解决化学问题是一种具有创造性的思维模式.通过建构恰当的物理模型，建立化学重难点和物理模型之间的关联，引导和鼓励学生把所学物理知识用于解决化学问题，有利于促进学生自身的科学知识体系全面发展，使其更好地适应现代社会发展的需求.