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摘 要 通过化学虚拟实验软件“鳄鱼夹”对探究性实验“碱金属与水的反应”进行虚拟仿真，通过宏观现象、数据与曲线和微观示意图的呈现，对“碱金属与水的反应”的相似性与递变性进行讨论，一方面帮助学生建构起反应体系的微观世界和对反应体系进行认识，另一方面保证学生不会因为化学实验中潜在的危险而受到伤害，从而更好地实现中学教学中探究性实验的教学。
关键词 化学仿真实验；中学化学；碱金属与水的反应
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）16-0038-03
1 前言
在高中探究性实验“碱金属与水的反应”的教学过程中，由于碱金属化学性质活泼，因此进行实验时反应速度快，现象不宜观察且具有一定的危险性[1]；而且由于碱金属Li和K非常活泼，因此在实际教学过程中无法用其进行实验教学。在实际教学过程中，借助化学仿真软件“鳄鱼夹”展开探究式教学活动，不仅能够有效地避免实验安全事故的发生，防止学生被反应生成的强碱腐蚀或灼伤，而且能够有效地借助软件中的宏观现象、微观示意图和数据图表的展示，帮助学生对该反应的相似性与递变性进行认知与学习。
2 实验演示思路
根据《普通高中化学课程标准（实验）》，本部分的教学要求学生能结合有关数据和实验事实认识元素周期律，了解原子结构与元素性质的关系[2]。因此，在教学过程中采用探究式教学模式，运用“鳄鱼夹”化学仿真软件进行化学虚拟实验“Li、Na、K与H2O反应”的演示，然后借助软件中虚拟实验现象、数据、图表和曲线的展示，引导学生理解与掌握三个反应的相似性与递变性。
实验演示一：碱金属与水反应的相似性 该实验的演示采用分别演示Li与水反应、Na与水反应、K与水反应的方式进行。
现以Li与水反应为例，将实验演示过程列举如下。
首先，按下软件中的按钮，控制反应处于未发生的状态，向250 mL烧杯中加入100 mL水和单质Li，用pH计测量反应前的液体pH值，反应前的相关信息如图1所示。通过微观示意图，能够观察到烧杯中存在的微观粒子只有水分子，而且透过信息栏可以得知反应前的液体温度为25 ℃，
并且组分只有水，空气的成分当中只有N2、O2、Ar和CO2。通过pH计的测量可以得知，反应前的液体pH=7，液体呈现中性。
其次，按下开始仿真按钮，开始虚拟实验演示，反应过程中的变化如图2和图3所示。
如图2所示，单质Li在反应开始一段时间后，开始产生气泡并浮在水面上，由此表明单质Li的密度小于水并且反应产生气体。对比图2和图1中的信息栏得知，反应过程中产生Li 和OH-，只是由于浓度过小，因而没有出现在微观示意图中，但说明该反应过程中有离子参加反应，根据“离子反应”的定义，能够得知该反应属于离子反应；对比“气体”一栏得知，反应中产生的气体成分为H2；对比“液体和固体”一栏得知，反应前液体和固体的温度为25.00 ℃，反应一段时间后液体的温度为28.322 ℃，固体的温度为29.056 ℃，由此说明该反应过程中会放出热量，表明该反应属于放热反应。
如图3所示，单质Li在进一步与水反应的过程中发生爆炸，由此说明Li与水的反应是非常剧烈的，间接表明金属单质Li具有强还原性；对比图1、图2和图3的原子示意图以及信息栏得知，随着反应的进行，两种离子浓度在逐渐增大，两种离子经历了从无到有的反应历程；进一步对比图2和图3的“液体”和“固体”一栏得知，温度随着反应的进行进一步升高，而且由于发生爆炸，使得部分单质Li与氧气发生副反应而产生Li2O固体；对比图2和图3的“气体”一栏得知，图2中H2的体积为46.575 cm3，图3中则为31.769 cm3，由于H2属于可燃性气体，能够推测反应发生爆炸的根源可能与H2有关。
反应结束后，按下软件中的按钮，使反应处于停止状态，向反应后的烧杯中滴加酚酞试液，产生的实验现象如图4所示，溶液呈现红色，说明反应后的溶液呈现碱性；对比图1和图4液体的酸碱性得知，该反应的发生使液体的酸碱性由中性转变为碱性。
综上所述，Li与水反应的实验现象是Li浮在水面上并且不断熔化，而且反应过程中产生大量气泡并发生爆炸，向反应后的溶液滴加酚酞试液之后，溶液变为红色；通过信息栏与微观示意图的对比能够得知，产生的气体为H2，并且该反应过程中会放出热量，属于放热反应；而且由于该反应过程中有离子参加，故该反应也属于离子反应，反应过程中产生Li 和OH-；随着OH-浓度的增加，使得液体的酸碱性由中性逐渐转变为碱性。
总之，单质Li因为其强还原性而与水反应非常剧烈，反应过程中产生强碱LiOH和H2。对于单质Na与水反应、单质K与水反应，也可采用上述的虚拟实验演示与分析过程进行模拟仿真。
实验演示二：碱金属与水反应的递变性 首先，按下软件中的按钮，控制反应处于未发生的状态，分别向三个250 mL烧杯中加入100 mL水和金属单质Li、金属单质Na和金属单质K，反应体系状态如图5所示，图中绘制的是3个反应体系温度随时间的变化曲线，其中红色线条代表Li与水反应的温度曲线，蓝色线条代表Na与水反应的温度曲线，绿色线条代表K与水反应的温度曲线。
然后按下开始仿真按钮，开始虚拟对比实验演示，反应过程中的变化如图6、图7、图8和图9所示。
如图6所示，K与水的烧杯中最先出现爆炸现象，温度曲线最先呈现出急剧上升的趋势，标志着该反应的化学反应速率最快；而Li与水和Na与水的烧杯中仍然处于产生大量气泡的阶段，Na与水反应的温度曲线仅仅是缓慢上升，Li与水反应的温度曲线并未发生明显变化。由此可以说明K的金属性强于Li和Na。
如图7所示，继K与水的烧杯中发生爆炸现象之后，Na与水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线也呈现出急剧上升的趋势；但此时K与水的反应因单质K的完全反应而停止，其温度曲线处于平衡不变的状态；Li与水的烧杯中仍然处于产生大量气泡的阶段，其温度曲线处于缓慢上升的阶段。由此可以说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。
如图8所示，继K、Na与水的烧杯中发生爆炸现象之后，Li与水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线呈现出急剧上升的趋势；而此时K、Na与水的反应因单质K、Na的完全反应而停止，它们的温度曲线表现出平衡不变的状态。由此能够进一步说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。
如图9所示，在反应停止后，由温度曲线观察得知3种金属与水的反应均已达到平衡状态。仔细观察3条曲线不难发现，三者达到平衡的时间不同，K与水反应的温度曲线最先达到平衡，Na与水反应的次之，Li与水反应的温度曲线最后才达到平衡状态。由此生动直观地说明3种金属与水的反应呈现出递变性，也进一步证明了“3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li”的实验结论。
综上所述，Li、Na、K三种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li，其与水反应的剧烈程度与化学反应速率随着3种金属的金属性的增强而增大，呈现出递变性。
3 对教学的启示
通过化学仿真软件对以上实验的演示，学生能够直观地对Li、Na和K分别与水反应的实验现象，各自反应体系当中微观粒子的变化、温度的变化、各成分量的变化等进行感性认识，随后在教师的分析与总结中实现感性认识向理性认识的飞跃。
化学虚拟仿真实验的使用，一方面能够有效地帮助学生建构起反应体系的微观世界和对反应体系进行感性认识，达到化学学科要求学生能够想象与建构微观世界的要求；另一方面也有效地避免了实验安全事故的发生，防止学生因操作不当而被强碱腐蚀或者灼伤。因而将虚拟实验系统引入中学课程教学，已经成为中学实验教学的一个发展趋势，从而更好地实现中学教学中探究性实验的教学[3]。
参考文献
[1]唐久磊，张学军，魏江明.自主探究性虚拟化学实验设计：以碱金属化学性质探究为例[J].化学教育，2014，35（17）：41-44.
[2]普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2001：12.
[3]杨涛.虚拟实验在中学化学实验教学中的应用[J].中国教育技术装备，2015（13）：166-167.
关键词 化学仿真实验；中学化学；碱金属与水的反应
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）16-0038-03
1 前言
在高中探究性实验“碱金属与水的反应”的教学过程中，由于碱金属化学性质活泼，因此进行实验时反应速度快，现象不宜观察且具有一定的危险性[1]；而且由于碱金属Li和K非常活泼，因此在实际教学过程中无法用其进行实验教学。在实际教学过程中，借助化学仿真软件“鳄鱼夹”展开探究式教学活动，不仅能够有效地避免实验安全事故的发生，防止学生被反应生成的强碱腐蚀或灼伤，而且能够有效地借助软件中的宏观现象、微观示意图和数据图表的展示，帮助学生对该反应的相似性与递变性进行认知与学习。
2 实验演示思路
根据《普通高中化学课程标准（实验）》，本部分的教学要求学生能结合有关数据和实验事实认识元素周期律，了解原子结构与元素性质的关系[2]。因此，在教学过程中采用探究式教学模式，运用“鳄鱼夹”化学仿真软件进行化学虚拟实验“Li、Na、K与H2O反应”的演示，然后借助软件中虚拟实验现象、数据、图表和曲线的展示，引导学生理解与掌握三个反应的相似性与递变性。
实验演示一：碱金属与水反应的相似性 该实验的演示采用分别演示Li与水反应、Na与水反应、K与水反应的方式进行。
现以Li与水反应为例，将实验演示过程列举如下。
首先，按下软件中的按钮，控制反应处于未发生的状态，向250 mL烧杯中加入100 mL水和单质Li，用pH计测量反应前的液体pH值，反应前的相关信息如图1所示。通过微观示意图，能够观察到烧杯中存在的微观粒子只有水分子，而且透过信息栏可以得知反应前的液体温度为25 ℃，
并且组分只有水，空气的成分当中只有N2、O2、Ar和CO2。通过pH计的测量可以得知，反应前的液体pH=7，液体呈现中性。
其次，按下开始仿真按钮，开始虚拟实验演示，反应过程中的变化如图2和图3所示。
如图2所示，单质Li在反应开始一段时间后，开始产生气泡并浮在水面上，由此表明单质Li的密度小于水并且反应产生气体。对比图2和图1中的信息栏得知，反应过程中产生Li 和OH-，只是由于浓度过小，因而没有出现在微观示意图中，但说明该反应过程中有离子参加反应，根据“离子反应”的定义，能够得知该反应属于离子反应；对比“气体”一栏得知，反应中产生的气体成分为H2；对比“液体和固体”一栏得知，反应前液体和固体的温度为25.00 ℃，反应一段时间后液体的温度为28.322 ℃，固体的温度为29.056 ℃，由此说明该反应过程中会放出热量，表明该反应属于放热反应。
如图3所示，单质Li在进一步与水反应的过程中发生爆炸，由此说明Li与水的反应是非常剧烈的，间接表明金属单质Li具有强还原性；对比图1、图2和图3的原子示意图以及信息栏得知，随着反应的进行，两种离子浓度在逐渐增大，两种离子经历了从无到有的反应历程；进一步对比图2和图3的“液体”和“固体”一栏得知，温度随着反应的进行进一步升高，而且由于发生爆炸，使得部分单质Li与氧气发生副反应而产生Li2O固体；对比图2和图3的“气体”一栏得知，图2中H2的体积为46.575 cm3，图3中则为31.769 cm3，由于H2属于可燃性气体，能够推测反应发生爆炸的根源可能与H2有关。
反应结束后，按下软件中的按钮，使反应处于停止状态，向反应后的烧杯中滴加酚酞试液，产生的实验现象如图4所示，溶液呈现红色，说明反应后的溶液呈现碱性；对比图1和图4液体的酸碱性得知，该反应的发生使液体的酸碱性由中性转变为碱性。
综上所述，Li与水反应的实验现象是Li浮在水面上并且不断熔化，而且反应过程中产生大量气泡并发生爆炸，向反应后的溶液滴加酚酞试液之后，溶液变为红色；通过信息栏与微观示意图的对比能够得知，产生的气体为H2，并且该反应过程中会放出热量，属于放热反应；而且由于该反应过程中有离子参加，故该反应也属于离子反应，反应过程中产生Li 和OH-；随着OH-浓度的增加，使得液体的酸碱性由中性逐渐转变为碱性。
总之，单质Li因为其强还原性而与水反应非常剧烈，反应过程中产生强碱LiOH和H2。对于单质Na与水反应、单质K与水反应，也可采用上述的虚拟实验演示与分析过程进行模拟仿真。
实验演示二：碱金属与水反应的递变性 首先，按下软件中的按钮，控制反应处于未发生的状态，分别向三个250 mL烧杯中加入100 mL水和金属单质Li、金属单质Na和金属单质K，反应体系状态如图5所示，图中绘制的是3个反应体系温度随时间的变化曲线，其中红色线条代表Li与水反应的温度曲线，蓝色线条代表Na与水反应的温度曲线，绿色线条代表K与水反应的温度曲线。
然后按下开始仿真按钮，开始虚拟对比实验演示，反应过程中的变化如图6、图7、图8和图9所示。
如图6所示，K与水的烧杯中最先出现爆炸现象，温度曲线最先呈现出急剧上升的趋势，标志着该反应的化学反应速率最快；而Li与水和Na与水的烧杯中仍然处于产生大量气泡的阶段，Na与水反应的温度曲线仅仅是缓慢上升，Li与水反应的温度曲线并未发生明显变化。由此可以说明K的金属性强于Li和Na。
如图7所示，继K与水的烧杯中发生爆炸现象之后，Na与水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线也呈现出急剧上升的趋势；但此时K与水的反应因单质K的完全反应而停止，其温度曲线处于平衡不变的状态；Li与水的烧杯中仍然处于产生大量气泡的阶段，其温度曲线处于缓慢上升的阶段。由此可以说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。
如图8所示，继K、Na与水的烧杯中发生爆炸现象之后，Li与水的烧杯中也出现爆炸现象，其温度曲线呈现出急剧上升的趋势；而此时K、Na与水的反应因单质K、Na的完全反应而停止，它们的温度曲线表现出平衡不变的状态。由此能够进一步说明3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li。
如图9所示，在反应停止后，由温度曲线观察得知3种金属与水的反应均已达到平衡状态。仔细观察3条曲线不难发现，三者达到平衡的时间不同，K与水反应的温度曲线最先达到平衡，Na与水反应的次之，Li与水反应的温度曲线最后才达到平衡状态。由此生动直观地说明3种金属与水的反应呈现出递变性，也进一步证明了“3种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li”的实验结论。
综上所述，Li、Na、K三种金属的金属性由强到弱为K>Na>Li，其与水反应的剧烈程度与化学反应速率随着3种金属的金属性的增强而增大，呈现出递变性。
3 对教学的启示
通过化学仿真软件对以上实验的演示，学生能够直观地对Li、Na和K分别与水反应的实验现象，各自反应体系当中微观粒子的变化、温度的变化、各成分量的变化等进行感性认识，随后在教师的分析与总结中实现感性认识向理性认识的飞跃。
化学虚拟仿真实验的使用，一方面能够有效地帮助学生建构起反应体系的微观世界和对反应体系进行感性认识，达到化学学科要求学生能够想象与建构微观世界的要求；另一方面也有效地避免了实验安全事故的发生，防止学生因操作不当而被强碱腐蚀或者灼伤。因而将虚拟实验系统引入中学课程教学，已经成为中学实验教学的一个发展趋势，从而更好地实现中学教学中探究性实验的教学[3]。
参考文献
[1]唐久磊，张学军，魏江明.自主探究性虚拟化学实验设计：以碱金属化学性质探究为例[J].化学教育，2014，35（17）：41-44.
[2]普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2001：12.
[3]杨涛.虚拟实验在中学化学实验教学中的应用[J].中国教育技术装备，2015（13）：166-167.