《中学化学教学参考》 发表于 2011 年第 10 期
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在实验中展现化学的魅力（之一）
— 宏观中的微观和微观中的宏观
江 敏
（南京市金陵中学 210005）
在化学教学中，化学实验给学生提供了最直接的观察对象，它是学生形成对物质
性质和化学变化的认识的重要依据。在化学实验鲜明现象的背后总伴随着微观粒子的
结构或形态的改变。从实验中的宏观现象到想象中的微观结构、或由思辨中微观结构
的推理到现实中的宏观性质的证明，都给了学生体验宏观与微观相互交流的机会。在
此教学过程中展现的是思维的力量、培养的是学生想象力、提升的是学生思维品质，
同时也展示出化学学习过程的独特魅力。
关键词 实验 认知 宏观性质 微观结构 想象 联系
今天，当人类能够用先进的实验技术“看见”并“操纵”原子或分子的时候，不
得不感叹早在两百多年前，道尔顿就依据定量化学实验的数据分析，结合其对生活经
验的感受，创造性地为说明原子的存在提出了最初的假说 — 原子论。回溯数百年间
从原子的假说到原子被“亲眼目睹”，在那极富想象力、充满着艰辛、洋溢着激情的
探究历程中，所展现的人类从宏观性质联系微观结构的非凡想象力和缜密推理的思维
过程，这浓缩在数百年的探究历程中由探寻者的群体所展现的、具有共性的认识过程
和思维方法，就应该是教师在教学活动中、也是学生个体在成长所必需刻意培养的基
本科学素养。
在教学过程中建立宏观和微观之间的交互，将有利于培养学生的学习能力、激发
学生的学习兴趣。不同的是，从宏观现象到微观结构或形态的联系，将有利于对学生
感性的想象力的发展；而从微观结构到宏观性质的推理，则将有助于学生逻辑推理能
力的提升。
本文仅选择了几个与酚酞相关的实验为案例，说明在化学教学中可以通过联系的
方法，使学生在想象与思辨中体验在宏观性质与微观结构之间进行对话的奇妙过程。
1 从宏观现象到微观过程的想象
化学学习中的重要观点就是结构决定性质，它深刻地表达了宏观与微观之间的紧
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密联系。因此教师在教学中应该有意识地通过宏观现象的观察，引领学生在想象中真
切地体验微观的反应过程或微观结构的实在性，在此学生习得的知识不再仅仅是以文
字为载体的规则，而是感受着这是物质世界客观行为的自然表现。
《化学·必修 1》在介绍碳酸钠和碳酸
氢钠的性质过程中，设计了一组很有特色的
对比实验。
①取等质量的 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
各
1g，溶于 5mL 水中，滴加酚酞试液，观察
并记录实验现象。前者会使酚酞变红色，而
后者这能使酚酞变为浅红色。
和以往教材的编写方式不一样的是，教材中出现这组实验，并不是以此解释上述
两溶液会使酚酞变色的原因（在此暂时搁置了学生可能引发的认知冲突），而只是陈
述这样的事实，这正体现出新教材编写中尊重客观事实的理念。正是这组现象的对比，
还将在此节课后续的思维与讨论中，为培养学生形成联系宏观现象和微观结构之间的
想象力提供重要的实验基础。
②将等质量（1g）的 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
的固体，同时加入等物质的量浓度、等
体积（10mL、2mol/L）盐酸溶液中，观察生成气体速率快慢和产生气体体积多少。
既然 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
固体都能和盐酸反应产生
气体，但是为什么会出现反应速率的差异呢？学生在原
有的化学学习中对上述问题缺少相应的认知基础。
教师可以依据学生的生活经验对上述问题作出简
单地解释：即 Na
2
CO
3
与盐酸反应产生 CO
2
的过程将
图 2 等质量的 Na
2
CO
2
和 NaHCO
3
分别与等浓度、等体积盐酸反应的情景
(a)教材中描述的实验现象 (b)同学们在实验中观察到的现象
图 1 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
溶液碱性的比较
Na
2
CO
3
溶 液滴加
酚酞试液后显红色
NaHCO
3
溶液滴加
酚酞试液后显浅红色
H
2
CO
3
HCO
3
-
CO
3
2-
H
+
H
2
O + CO
2
↑（产生气体的现象）
图 3 Na
2
CO
2
和 NaHCO
3
分别与
盐酸反应时的步骤差异
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涉及两个步骤，而 NaHCO
3
的反应只一步就可实现。
虽然图 3 可使这种解释形象化，但是此时的学生只是被动地接受了一个现成的结论。
能否在学习中使学生能够真切感受 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
与盐酸反应的这种特有的行
为？
在实际教学中教师巧妙地利用滴加酚酞以后的 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
溶液，和学生
展开了如下实验和交流的过程：向滴有酚酞的 NaHCO
3
溶液中滴加盐酸，溶液中立即
产生了大量的气泡。而向滴有酚酞的 Na
2
CO
3
溶液中滴加盐酸时，同学们惊奇地发现
溶液中并没有产生明显的气泡。继续滴加盐酸，溶液中的红色逐渐变浅，当溶液中酚
酞的颜色变为浅红色时，随着盐酸溶液的加入，立即产生有大量气泡出现。
分析 NaHCO
3
与盐酸反应的现象，不难理解产生的气体是因为 HCO
3
-
与 H
+
反应之
所致：HCO
3
-
+ H
+
== H
2
O + CO
2
↑。而向 Na
2
CO
3
溶液中滴加盐酸，最初的现象是消
耗了盐酸却没有气体出现，作为高中起始年级的学生面对这样的结果还是感到很是惊
讶：CO
3
2-
+ H
+
→ ?
宏观的现象之间的联系，使同学们真的“看见”了溶液中的 CO
3
2-
与 H
+
反应的阶
段性：酚酞的浅红色是 HCO
3
-
存在的标志，碳酸盐（或碳酸氢盐）与盐酸反应产生 CO
2
是物质性质决定的客观必然。当盐酸逐滴加入碳酸钠溶液时，最初加入的 H
+
只是与
CO
3
2-
反应，首先生成了 HCO
3
-
；只有当溶液的颜色变为浅红色时（即当 CO
3
2-
大部分
转化为 HCO
3
-
），才会有大量的气泡（即 CO
2
气体）产生。
在这里课本里对照实验 Na
2
CO
3
和 NaHCO
3
溶液与酚酞作用所呈现的现象，使酚
酞成为一种将宏观现象与微观离子结构相联系的指示剂。利用这种指示剂在实验中所
（a） （b-1） （b-2） （b-3）
图 4 NaHCO
3
和 Na
2
CO
3
溶液分别盐酸反应时的现象比较
(a) 向 NaHCO
3
溶液中滴加盐酸，溶液的浅红色褪去，且立即产生大量的 CO
2
气泡。
(b-1)向 Na
2
CO
3
溶液中滴加盐酸，溶液的红色没有明显变化，也没有明显的气泡产生；
(b-2)继续滴加盐酸，当溶液中的红色明显变浅时，气泡的量也逐渐增多；
(b-3)当溶液的颜色变为浅红色时，滴加盐酸，会使最后的红色褪去，且有大量气泡出现。
滴加
盐酸
滴加
盐酸
滴加
盐酸
滴加
盐酸
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表现出的现象，同学们直观地感受到 CO
3
2-
与 H
+
反应的过程性：
CO
3
2-
+ H
+
== HCO
3
-
（溶液中酚酞的颜色由红色变为浅红色）、
HCO
3
-
+ H
+
== H
2
O + CO
2
↑（溶液中产生大量的气体）。
同学们对实验的过程的深入理解，是在对实验微观反应过程的想象与理性思考中
形成的：
（1）盐酸滴入 Na
2
CO
3
溶液 初入 Na
2
CO
3
中的盐酸，将面临 H
+
的扩散、H
+
和
CO
3
2-
之间的相互吸引。
（2）反应的最初阶段 CO
3
2-
与 H
+
相结合，就产生了 HCO
3
-
。
（3）反应的前后顺序 一旦 CO
3
2-
和 H
+
反应以后，溶液中即同时存在 CO
3
2-
和
HCO
3
-
，但是由于 CO
3
2-
所携带的负电荷数较之 HCO
3
-
为高，所以 CO
3
2-
结合 H
+
的能力
比 HCO
3
-
强，因而随之而来的依旧主要是以 CO
3
2-
+ H
+
== HCO
3
-
为主，这是 Na
2
CO
3
溶液与盐酸反应时呈现阶段性的本质原因。此时表现出的宏观现象就是由 CO
3
2-
引发
的酚酞的红色，逐渐变为与 HCO
3
-
相关的浅红色。而就反应的有序性而言，可得出的
结论是：在 H
+
与含 CO
3
2-
和 HCO
3
-
混合物反应时，反应先后顺序为 CO
3
2-
优先于 HCO
3
-
。
至此，学生通过实验过程中现象的相互
关联，真实地“看”到 CO
3
2-
与 H
+
之间反应
的有序步骤，并建立了向碳酸钠溶液中滴加
盐酸（H
+
）的理想反应模型。
然而，对实验现象的细致观察，同学们
会发现：在盐酸与红色 Na
2
CO
3
溶液接触的界面附近，虽然溶液尚未全部变为浅红色，
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
HCO
3
-
CO
3
2-
CO
3
2-
H
+
H
+
的
加
入
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
CO
3
2-
(3) CO
3
2-
吸引 H
+
的能力强于 HCO
3
-
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
HCO
3
-
CO
3
2-
CO
3
2-
H
+
H
+
的
加
入
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
CO
3
2-
(2) CO
3
2-
与 H
+
结合形成 HCO
3
-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
H
+
的
加
入
H
+
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
(1) H
+
初入 Na
2
CO
3
溶液
图 5 对 Na
2
CO
3
溶液中滴加盐酸时的微观反应过程的想象与理性分析
（图中忽略了不参加反应的 Na
+
和 Cl
-
存在）
n(H
+
)/mol
n(CO
2
)/mol
1
0 1 2
图 6 CO
3
2-
与 H
+
之间分步反应的定量关系
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就会有少量的小气泡出现。即实验并不完全按照反应的阶段性进行。
对上述实验细节的关注，使得学生有机会体验到实验的真实性和理想模型之间的
差距：如果说盐酸滴加到 Na
2
CO
3
溶液中，H
+
和 CO
3
2-
在溶液中的反应是遵循一般反
应的秩序。但是为什么还会出现 CO
3
2-
和 H
+
间反应直接生成 CO
2
？实验的观察，会使
学生产生上述的判断（疑问）。
为此，教师要求学生能否从生活经验出发，想象着这些不遵循规则的微粒间反应
的微观过程？
同学们根据实验现象并借鉴生活经验，想象着这些可爱的“小精灵”在溶液中可
能发生的反应。首先当 CO
3
2-
遇到局部浓度过高的 H
+
，就会在短时间内“捕获”两个
H
+
，迅速生成 H
2
CO
3
。生成的 H
2
CO
3
分子会以两种不同的方式，继续它们后续的变化
历程：
①生成的 H
2
CO
3
，局部存在的诸多 H
2
CO
3
在分解生成 CO
2
分子的同时迅速聚集
一起形成小气泡（CO
3
2-
+ 2H
+
== H
2
CO
3
、H
2
CO
3
== H
2
O + CO
2
）。此时一个小气泡（约
含~10
16
个分子）就会从溶液中冉冉升起。这是同学们观察到的显性现象。
②当小气泡挣扎着从溶液的内部向液面上升时，遇到了没反应的 CO
3
2-
，还有可
能发生 CO
2
与 CO
3
2-
之间的对话。CO
2
（可随时与周围环境中的 H
2
O 重新生成 H
2
CO
3
）
与 CO
3
2-
均分了 H
2
CO
3
中获得的两个 H
+
，生成 HCO
3
-
（CO
3
2-
+ H
2
O + CO
2
== 2HCO
3
-
）。
这是同学们不易观察到的隐性现象。（也可初步由实验中出现小气泡时，旋即轻轻振
荡试管，小气泡会逐渐变小甚至消失的现象而证实。）
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
H
2
CO
3
CO
3
2-
CO
3
2-
H
+
H
+
的
加
入
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
H
+
CO
3
2-
CO
3
2-
CO
3
2-
HCO
3
-
CO
3
2-
H
+
HCO
3
-
HCO
3
-
CO
2
①
②
图 6 CO
3
2-
在 H
+
局部浓度较高区域会产生少量的 H
2
CO
3
。一部分会聚集形成 CO
2
小气泡
而从溶液中溢出；一部分遇到溶液中其余的 CO
3
2-
，它们又会相互反应生成 HCO
3
-
。
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当同学们在以后的学习中了解到 H
2
CO
3
（即 H
2
O 和 CO
2
）确实可以和 CO
3
2-
因均
分两个 H
+
而反应时，同学们就经历了一次从经验世界到理性观念的探寻过程，这在一
定程度上与知识形成的认知过程是相契合的。
在此，实验现象的观察、宏观与微观的联系、对微观反应过程的想象，使学习活
动变得趣味盎然，同时也给学生留下了深刻的印象。
在随后学习的 Na
2
SiO
3
与酸的过程中，酚酞再一次扮演了联系宏观与微观桥梁的
角色。实验是这样进行的：向 Na
2
SiO
3
溶液中滴加酚酞试液，溶液呈现红色。
（1）向此溶液中滴加盐酸，当溶液的颜色褪为无色时，同时溶液中就出现了半
透明的硅酸凝胶。
（2）向滴有酚酞的 Na
2
SiO
3
溶液中通入 CO
2
气体（使用的是 CO
2
钢瓶中的气体，
用化学方法制备的 CO
2
，应注意消除随气体分子逸出的酸分子，以避免对实验结果进
行观察的干扰），当溶液中出现凝胶时，溶液的颜色仍然呈现红色。
将两组实验现象联系起来加以分析：实验（1）中 Na
2
SiO
3
和盐酸反应生成 NaCl
和 H
2
SiO
3
凝胶，2HCl + Na
2
SiO
3
== H
2
SiO
3
(胶体)+ NaCl。因 NaCl 溶液不能使酚酞变
色，酚酞褪色后才出现 H
2
SiO
3
凝胶，说明 H
2
SiO
3
胶体也是不能影响酚酞的颜色改变
的。实验（2）中 Na
2
SiO
3
和 CO
2
气体的反应产生的 H
2
SiO
3
凝胶是同学们在实验中观
察到的最直接、最显著现象，然而同时存在的鲜明红色，联系前面课程中所形成的深
刻印象，同学们立即意识到 Na
2
SiO
3
溶液与 CO
2
气体反应后的另一产物是 Na
2
CO
3
：
即 H
2
O + CO
2
+ Na
2
SiO
3
== H
2
SiO
3
(胶体)+ Na
2
CO
3
。
也许直接从文字上对 CO
2
与 Na
2
SiO
3
溶液反应后产物进行推测，会认为除 H
2
SiO
3
胶体以外，CO
2
随其用量的不同可以转化为 CO
3
2-
或 HCO
3
-
。实际的实验观察，当
Na
2
SiO
3
生成了 H
2
SiO
3
凝胶以后，就影响了气体的扩散和 CO
3
2-
的迁移，继续通入 CO
2
使 CO
3
2-
转化为 HCO
3
-
的可能性是比较小的。
由此可见，正是因为酚酞的帮助，使同学们真正感受到宏观性质与微观结构之间
的联系，再次“看见”了 Na
2
SiO
3
溶液与 CO
2
气体的反应产物，除 H
2
SiO
3
以外主要是
Na
2
CO
3
，而不是 NaHCO
3
。
2 从微观结构到宏观现象的实证
以上的实验过程都是基于对物质宏观性质的认识，形成对微观粒子存在的推理。
同样对微观结构的理性推测，也可以从宏观性质中寻找到相关的证据。
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在学习氢键的知识以后，曾经组织同学们讨论氨水中可能存在的氢键形式。从数
学的角度加以分析，在 NH
3
和 H
2
O分子可以随机的形成 NH
3
-NH
3
、H
2
O-H
2
O、NH
3
-H
2
O、
H
2
O-NH
3
等 4 种形式的氢键（因为 NH
3
和 H
2
O 之间形成氢键的方式是不对称的，所
以会有两种不同形式的氢键）。具体的氢键形式可表示如下：
从化学的角度加以分析，进一步追问，在这四种不同的氢键形式中，你认为何种
氢键形式可能是最稳定的结构？
在讨论中，同学们认为 O 元素的电负性比 N 元素的电负性强，所以 H
2
O 中 H 原
子所带的正电性比 NH
3
分子中 H 原子所带的正电性要高，同时 NH
3
分子中 N 原子上
的孤对电子的供电子能力比 H
2
O 分子中 O 原子的孤对电子的供电子能力强。因此在
上述四种氢键形式中，结构(c)应该是最稳定的结构形式。此时，同学们恍然领悟到此
结构即为 NH
3
·H
2
O。
何以为证？
氨水具有碱性。
进一步想象：在通过氢键形成的 NH
3
·H
2
O 结构中，H 原子可以通过氢键在 NH
3
分子和 H
2
O 之间迁移，进而可以电离产生相应的阴、阳离子。
如果 NH
3
·H
2
O 的结构如(c)所示，当几近“裸露”的 H 原子（H
+
）从水分子中
迁移向 NH
3
后，即生成 NH
4
+
和 OH
-
，这就发生了 NH
3
·H
2
O 的部分电离。这已经被
氨水的性质所证实。
NH
3
·H
2
O NH
4
+
+ OH
-
H O
H
H N
H
H
H O
H
H N
H
H
H O
-
H
H N
H
H
+
图 8 结构(c)中 H 原子的迁移以及电离，且电离方式与氨水的碱性相符 宏观性质所证实
迁移
电离
图 7 氨水中分子间形成的四种氢键形式
H N
H
H
H N
H
H
H O
H
H O
H
H O
H
H N
H
H N
H
H O
H
H
H
(a) (b) (c) (d)
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如果 NH
3
·H
2
O 的结构如(d)所示，当 NH
3
中的 H 原子（H
+
）迁移向 H
2
O 时，将
产生 H
3
O
+
和 NH
2
-
，这样氨水就将呈酸性，这与氨水的宏观性质是不相符合的。
同学们很享受这样的学习过程，严谨的逻辑推理和生动的实验现象结合在一起，
就使他们能够想象、推测并证实 NH
3
·H
2
O 的分子结构！。在此同学们再次真切地感
受到想象中的数学模型与真实的物理模型之间的差异。
然而，思维仍在继续！用类比的方法，不难理解在 HF 的水溶液中，也可能存在
四种不同形式的氢键。但是理性的逻辑思维可以推断 H
2
O 和 HF 分子之间的氢键最可
能的结构应是：
同样，该结构也被 HF 溶液的酸性所证实！
元素周期律中所表现出的第二周期氢化物 NH
3
、H
2
O和 HF性质的递变性以及 NH
3
和 HF 溶液的酸碱性，竟然和氢键之间存在如此奇妙的关系，这让同学们真正体验到
自然界的那种有序而有趣的魅力。
总之，在自然科学的学习过程中，重要的不仅仅是让学生习得用文字表达的概念，
而是让学生有机会在对自然科学的学习中，借助自身的生活经验，直接感受知识的形
成过程，体验从宏观现象到微观结构中感性想象的激动以及从微观结构到宏观性质中
理性思考的沉静。这样的学习经历将有助于同学们在今后的学习生活中，具备独立思
考的能力、准确的判断力和积极的行动力。
NH
3
·H
2
O H
3
O
+
+ NH
2
-
H N
H
H O
H
HH N
H
H O
H
H H N
H
H O
H
H
+
图 9 结构(d)中 H 原子的迁移以及电离，其电离方式与氨水的碱性是不相符的
迁移
电离
F
-
H O
H
H
F H O
H
H
F H O
H
H
迁移
电离
HF + H
2
O H
3
O
+
+ F
-
图 10 HF 与 H
2
O 分子之间的氢键以及 HF 的电离