计算化学在基础教育的创新应用-《化学教学》(2021年4期).docx

龙源版权所有 计算化学在基础教育的创新应用作者：苌青　刘健来源：《化学教学》2021年第04期 摘要：采用实验探究和计算模拟相结合的教学模式，将“一种金属与多种盐溶液反应”或“多种金属与一种盐溶液反应”的体系模型化，浅显直观地展示了该过程中各种反应是同时进行的，只是由于活动性差异、离子扩散和原电池效应的共同作用产生了“优先性”的效果。模型真实地再现了微粒间相互作用的动态过程及体系的动态平衡，直接观察到充分反应后固体和溶质的微粒种类，生动形象地呈现了析出固体枝状结构的形成过程。 关键词：金属活动性;置换反应;计算模拟;初中化学 文章编号：1005-6629（2021）04-0093-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B 在金属活动性顺序的应用中，金属与金属盐溶液的置换反应是初中化学的重点及难点。对于简单的一种金属与一种金属盐溶液的反应体系，通过宏观的实验现象如“将锌片置于硫酸铜溶液中观察到有红色固体析出”，可得出活动性Zn>Cu。近年上海市初中考试中，关于“金属与盐溶液置换反应”会涉及到较复杂的两种题型：一种金属与多种盐溶液反应，或者多种金属与一种盐溶液反应，见表1。 这两类题型涉及的实际反应过程过于复杂，通常解决此类问题的方法为基于文字描述的简单逻辑推理，如“金属与盐溶液反应时，最活泼的金属优先与最不活泼的金属盐溶液进行反应，且该反应一定发生，生成物一定存在”。通过实际的教学过程发现，学生虽然掌握了这些解题方法和技巧，但对此类化学反应本质的理解还是模糊的。这些简化的分析方法也跟学生在实验室中观察到的宏观现象不完全一致。这是因为，虽然描述为“活动性A>B>C，所以A优先于B和C+发生反应，或A优先和C+而非B+反应”。但真实的情况是，所有反应是同时进行的，只是由于活动性差异（反应速率的快慢）、金属的量不同或电子的移动（原电池效应）的共同作用产生了“优先性”的效果。为了促进学生对化学反应本质的深入理解，更直观地获得关于化学反应宏观规律的认识，我们利用计算化学将“金属与盐溶液”的反应过程模型化，并同实验室中的宏观现象作比较，真实地再现了微粒间相互作用的动态过程。 计算化学是最近迅猛发展的前沿技术学科，已成为除实验和理论之外的第三大支柱。计算化学模拟不同于现在应用比较广泛的将计算机作为展示结构的工具，是指在计算机上搭建真实世界中的分子模型并进行特定的计算和演化，类似于在计算机上构造一个简化的真实世界。通过计算模拟将体系模型化，从微观和动态层面展现固体和溶液中微粒的排列方式和运动行为。我们将计算化学的模拟技术引入到初中化学课堂进行拓展性教学，设置教学环节从实验探究到计算模拟。这种教学模式以宏观反应现象指向微观粒子运动，又通过微观粒子运动加深对宏观反应规律的理解，不过多涉及分子结构但又从微观层面体现化学反应的本质是原子的重新组合，充分认识化学现象与模型之间的联系，深刻理解化学反应的本质。同时通过动态反应过程的呈现，使学生感受到化学体系一直处在动态平衡中，建立变化与平衡的思想。 2020年新冠疫情期间，全国各地中学校均延缓了学生返校，“停课不停学”以线上的方式开展教学。然而学生在家中无法进行往常只有在学校的实验室中才能完成的实验操作，难以对书本中一些抽象的化学概念和思维加以形象化的理解。本文提到的计算化学模拟技术，相当于在计算机上进行的化学实验，以其方便、安全、易操作的特性可以作为线上教学的补充。 1研究內容 我们将编写的一个计算模拟程序用于“金属与盐溶液”的拓展教学部分。程序中构建了一个溶液空间并放置一定数目的不同种类的金属固体和金属离子。根据微观的物理化学特性和计算模拟的原理，设定不同微粒的运动和转化方式，使各个离子可以做随机的热运动，并在离子接触到金属固体之后根据活动性顺序发生置换反应。程序可以设定金···试读结束