与虞忠衡教授商榷/张明昭

与虞忠衡教授商榷/张明昭

2010-06-15 16:11:07 阅读80 评论6 字号:

 

 以下是中科院化学研究所退休老教授虞忠衡的博文,从该文中可以看出一位老教授对中学化学教育的xx,赤子之心可鉴。该文也对中学化学教育提出了颇有见地的看法,但文章有些疏漏之处,特予转载并提出探讨。下文中蓝色字为虞教授原文,紫色字为本人所添加:

 从高考化学xx看奇怪的中学化学教育

在桂耀荣的博文《关于氮的氧化物的计算》中,有一道关于Cu与氮氧化物的反应的xx:

1、2009年普通高等学校招生全国统一考试(宁夏卷)理综化学第7题:将 22.4 L某气态氮氧化合物与足量的灼热铜粉xx反应后,气体体积11.2 L(体积均在相同条件下测定),则该氮氧化合物的化学式为

A.NO2            B.N2O2            C.N2O                  D.N2O2

答案:A


解析:设气态氮氧化合物的分子式为NxOy,根据阿伏伽德罗定律和质量守恒定律,得出反应式:2NxOy+2yCu=2yCuO+xN2,结合题给的已知:反应前后气体体积比为2:1,可以得到x=1,A正确。

答案:A
要点:同温同压下,气体的体积之比等于气体的物质的量之比,等于气体的分子数之比。

 

2.接着,我又从他的博客中发现一个化学教育网。从教育网中,我又发现一道关于酯化反应的考题(下图)(),但是网上没有说明是那一年的考题。

 

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这两道考题引起了我的思考,觉得中学的化学教育是有问题的。

先谈谈{dy}道的考题。

我是搞有机化学研究的,无机化学是大学学的,已经很久远了。但是我的直觉觉得Cu与NO2反应的考题是可以质疑。 为此,我通过Google查阅这个反应。我用了多种关键词和这些词的多种组合方式,最终我只查到两条(查到后就不再继续了)。一条说,Cu与NO2的反应是需要催化剂的,否则是不能反应(也许这个结论适合于常温,)。另一条是发表在Bulletin of the Chemical Society of Japan的一篇论文()。在这篇论文中,作者是这样说的:在673K的高温下,铜与NO2的反应速度比NO快,产物是Cu2O和CuO,但是极大部分是Cu2O。作者同时指出,Cu与氧气反应的产物才是CuO。特别要指出的是,反应的气体产物中没有N2(下图是原文的屏幕拷贝,因为原文的PDF文件不让进入文本编辑),97% 是NO2,百分之几是NO和N2O。反应是在NO2大大过量下进行的。不存在反应前后的体积比是2:1。可见,这个氧化反应的xx是臆想出来的,是没有实验根据的。

 【张明昭】虞教授仅仅根据直觉和Google查阅的两条信息就否决了气态氮氧化合物与足量的灼热铜粉反应生成N2的实验事实,未免太过轻率。我想提供三点意见:

1、2009年普通高等学校招生全国统一考试(宁夏卷)是由全国命题命题中心命题的,该命题中心多由大学教授组成,所命题目应该是有其根据的。虞教授仅仅根据搜来的“适合于常温”与“在673K的高温下”的反应,要否决“灼热”时的反应论据不足。而且,虞教授引用的材料中“反应是在NO2大大过量下进行的。”,与高考xx中“足量的灼热铜粉”南辕北辙,风马牛不相及。

【说明】加着重号的是我后来再添加上去的。

2、其实,该命题的理论根据源于一个定量分析方法——杜马斯燃烧定氮法,该法系1831年由法国化学家Jean Baptiste Dumasxx,经过改进以后现在仍然在使用中。在美国、加拿大和德国的某些领域,Dumas法甚至作为{wy}的定氮标准。当然,早期的Dumas法是用灼热的铜使氮的氧化物还原为N2的,现代已改用钨。

3、由于铜与NxOy的反应并非课标内容,此题有超纲之嫌,个人认为:高考可以命题,但应该补充有关反应产物的信息,如:“NxOy转化为N2等,否则,从科学性而言,欠严谨,且对中学教学导向将产生负面影响。另外,题目若改用钨,则更显时代气息。

现在,再谈谈乙酸乙酯的制备。

{dy},乙酸乙酯的制备是需要回流的。在今天的实验室,回流是在电磁搅拌下进行的,加沸石的时代早已经结束了。可是我们的中学教育还在强调用沸石来防止爆沸。第二,无论制备量多少,用两个试管(竟然没有冷凝管)来做一个需要回流的化学反应,这在实验室是不允许的,是危险的,产量也会因挥发而减少。第三,在实验室,乙酸与冰乙酸是有区别的,乙醇和无水乙醇也有区别的,他们的差别是含水量。冰乙酸是指无水乙酸。酯化反应怕的就是原料含水多,和反应生成水的积聚。但是考题却很重视反应终止后试管B里的现象,却没有强调原料的含水量(我倒是觉得,考题应该问考生,为何原料要用无水乙酸和无水乙醇。这样问比考题中问B试管里发生的现象要重要得多)。第四,B管中加Na2CO3,这不是一个必须的操作条件。对于酯来说,Na2CO3的存在,有的时候反而是有害的。正确的操作是,在产品处理时,加水,再用Na2CO3中和乙酸,然后用乙醚等溶剂萃取乙酸乙酯, ........。

 【张明昭】虞教授认为:“考题应该问考生,为何原料要用无水乙酸和无水乙醇。这样问比考题中问B试管里发生的现象要重要得多”确实很有见地,xx赞同。不过,“乙酸乙酯的制备是需要回流的。在今天的实验室,回流是在电磁搅拌下进行的,加沸石的时代早已经结束了。可是我们的中学教育还在强调用沸石来防止爆沸。”这是中学教材的问题,并非中学老师的问题。虞教授把它提出来了,很好,这说明中学教材——即使是新课程教材,还有许多弊病,希望能在实践中不断改进!

中学教学的问题,常常被归结为教师问题,让一无职、二无权的普通教师承受不该承受之重。却不知小小中学教师的诸多无奈——作为教育的一线工作者,你给了他自由挑选教材的权利了吗?没有!你给了他自由挑选教学模式的权利了吗?也没有。他们的权利就是默默地工作、默默地承受来自四面八方的批评。这就是中国教育的“特色”——有功总是领导的,有过总是前方打仗的。殊不知中国教育之昏暗,源于教育体系之昏暗,教育体系不改革,什么新课程、什么教学改革全是扯淡。

   这是我随机获得的两道考题。但是,这两道考题都是有严重问题的。不知道在大量的高考xx中,有问题的xx有多少。

本文贴出后,得到了虞教授的积极的回应。虞教授是个德高望重的长者,但仍然很认真地与一个中学普通教师讨论交流,在此表示衷心感谢。“吾爱吾师,但更爱真理”,讨论在继续中,敬请xx。下文中蓝色字为虞教授的回复,紫色字为本人的回复——

【虞教授】谢谢您的讨论。 我查阅了 Dumas方法, 我的理解可能与你不同。 在 Dumas方法中,Cu丝仅仅起一个加热的热源的作用(电炉丝的作用)。也就是说,在Dumas方法中,氮氧化的分解是一种高温下的热裂解反应,而不是氧化还原反应。但是,热裂解生成的氧还是会氧化Cu的。 所以,在装置中还配有产生CO2的部分,以防止Cu的氧化。除非,你能提供反应机理来支持你的观点。
      另外,请你注意,在我引用的论文中,作者明确地提到,在摄氏500度以上时,NO2的热裂解是很明显的。
,是我找到的关于Dumas法和他的装置的文献。
       其实,你的留言也可以证明我的观点,如你所说,现在在Dumas方法中,已经用钨丝代替铜丝了。
    【张明昭】博主曲解了Dumas方法中铜的作用,在Dumas法中使用的是铜粉,而不是所谓“起电炉丝的作用”的Cu丝,博主想当然了!在Dumas法中,“氮的氧化物在通过红热的铜粉后被还原”,装置中产生CO2的目的是除去装置中原有空气中的氮气、以及驱赶生成的N2的载气作用,以使定量测定更加准确,而不是博主所说的“在装置中还配有产生CO2的部分,以防止Cu的氧化。”

【说明】加着重号的是我后来再添加上去的。

【虞教授】继续与你讨论:
        1.如果Dumas方法中的铜丝不是起加热的作用,你如何解释你自己的话,"现在已经用钨代替铜"。至于,我提到的CO2发生器作用,我的意思是,在CO2驱赶生成的N2的同时,也保护了铜不被氧化。
        2. 我阅读了PerkinElmer 2410 系列测氮仪器的原理简单介绍。在这个仪器中,用的是铜试剂(可能就是文献说的含催化剂的铜),不是单纯的金属铜(见:
)。关于铜催化还原NO2的文献报道很多,这个给你一个:。注意,现在的测氮仪器,化合物也是在燃烧室燃烧的,氧化剂是纯氧,温度也在900度以上的,如果铜的作用确是你说的是还原NO2,现在的仪器就不会采用铜试剂了。
        3. 在Dumas 方法中,你要注意,原文用的是dcompose, 不是reduce. 原文是:“ d a reduced copper gauze spiral, heated in order to decompose any nitrogen oxides”。 当然,文献强调铜丝是由还原铜制造的. 我不否认,这点也许有利于你的观点。 我当然不会否认在热分解的同时,铜还起还原作用(我的博文也没有否认)。但是,由于热分解,铜的具体的还原(将NO2还原成N2)作用很难证实。这就是我博文中提到的,为何铜的还原作用的研究只能在500度以下进行。这就科学研究和科学讨论的严格性。
        4. 关于NO2热分解成N2的文献很多,可以见上面给你的文献。另外,你也可以从下面文献中读到:

        5. 在Dumas方法中,在燃烧室中,氧化剂采用的是氧化铜。这说明铜更容易被还原。 在PerkinElmer 2410 中,铜试剂是用H2还原再生的。
        我们现在的分歧在于: 在Dumas方法中的, 从NO2到N2, 到底是热分解法,还是铜还原法。 至少,我给你的文献可以说明,NO2是可以通过加热分解的。 当然,我不否认网络文献是不全的,尤其是一些古老的文献还不能在网上查全(但是老文献要服从新文献,有新文献就可以不看老文献。我博文中的文献是上世纪80年代的)。我现在退休在家,没去图书馆查德国的化学文献。如果你有文献,我们可以再继续讨论。希望你我的讨论是建立在具体文献的基础上的.

        【张明昭】谢谢虞教授不厌其烦地与一个普通中学教师讨论问题,我xx没有反对您所说的那些反应可能存在,因为反应既在,谁也反对不了。我所要讨论的是:高考题中的那个反应(氮的氧化物与铜的反应)是否存在?虞教授“用了多种关键词和这些词的多种组合方式,最终我只查到两条(查到后就不再继续了)。”然后,凭这有限的两条信息,得出氮的氧化物与铜反应的“这个氧化反应的xx是臆想出来的”这一结论,我个人认为没有说服力。所以,我才跟帖指出该题的根据是Dumas法。我不想讨论在Dumas法说明书及相关资料中认定的反应原理是否正确——这是学者的事情,非一个普通中学教师能力所及。我只能把搜到的内容转帖,仅供参考。(括号中是本人意见)
        杜马斯法的基本原理是样品在900℃~1200℃高温下燃烧,燃烧过程中产生混合气体,其中的干扰成分被一系列适当的吸收剂所吸收,混合气体中的氮氧化物被全部还原成分子氮,随后氮的含量被热导检测器检测。主要检测过程为燃烧 →还原→净化→检测。
        燃烧:杜马斯燃烧定氮法是基于在高温下(大约900℃),通过控制进氧量、氧化消解样品的原理而进行氮测定的。(张明昭按:“通过控制进氧量”,说明氧化剂是O2,并不是虞教授所说的氧化铜)
        还原:燃烧生成的氮氧化物在铜或钨上还原为分子氮,同时过量的氧也被结合了。(张明昭:铜或钨不仅仅使氮还原,还使“过量的氧”也还原了,并不存在虞教授所说的用CO2防止氧化的可能?根据虞教授提供的材料:在PerkinElmer 2410 中,铜试剂是用H2还原再生的。
        净化:一系列适当的吸收剂将干扰成分从被检测气流中除去。
       检测:用热导检测器来检测气流中的氮。N2体积含量引发一种电子测量信号,再经过物质的独立校正,被测样品中的氮含量就自动计算出来。
        (我不是学者,只是一个普普通通的中学化学教师,水平有限,所以选择相信有关的文件材料说法,至于为什么近代把铜改为钨,有个资料说旧的Dumas法有两个缺点:1、过程慢,耗时长;2、只能检测、测定几个毫克的样品,使其在实际应用中受到了极大的限制。而改进之的杜马斯法已经开发出高质量的快速定氮仪,可以检测克级样品,每个测试只需3-5分钟,并可以通过自动进样器连续进样,不需要人看管,不产生有毒有害物质,操作简便。)

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