學(xué)好元素?zé)o機(jī)化學(xué)必須抓住的幾條主線(xiàn)

◆楊光

作者：楊光，中國(guó)人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)榫瘎?wù)監(jiān)控、警務(wù)通信、化學(xué)（102600）。

1 前言

化學(xué)是一門(mén)中心學(xué)科，已經(jīng)滲透到社會(huì)發(fā)展的各大領(lǐng)域，如能源、材料、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、信息、生命、交通以及公安系統(tǒng)等，在人們的日常生活占據(jù)越來(lái)越重要的地位[1]?；诨瘜W(xué)學(xué)科的重要性，很多高校在全校范圍內(nèi)開(kāi)設(shè)了與化學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)課、公共選修課等提高學(xué)生對(duì)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解，提高學(xué)生的化學(xué)基本素質(zhì)，增強(qiáng)化學(xué)安全意識(shí)。

無(wú)機(jī)化學(xué)是四大基礎(chǔ)化學(xué)的重要分支，它是研究無(wú)機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。其中元素?zé)o機(jī)化學(xué)是無(wú)機(jī)化學(xué)的重要組成部分，其內(nèi)容涉及元素周期表中所有元素單質(zhì)（放射性元素除外）及其化合物的存在、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、制備以及用途，是化學(xué)從事者以及愛(ài)好者必須學(xué)習(xí)和掌握的重要內(nèi)容之一。然而這部分內(nèi)容龐雜，頭緒繁多，掌握起來(lái)難度較大。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)元素?zé)o機(jī)化學(xué)的教學(xué)方法進(jìn)行了很多的探索和改革，對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)愛(ài)好者起到很好的指導(dǎo)作用，而涉及元素?zé)o機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)方法的研究卻較少[2-3]。作為一名長(zhǎng)期從事無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)和研究的愛(ài)好者，筆者在學(xué)習(xí)和研究元素?zé)o機(jī)化學(xué)的過(guò)程中，總結(jié)了幾條貫穿于元素?zé)o機(jī)化學(xué)整個(gè)課程的主線(xiàn)。掌握和運(yùn)用好這幾條主線(xiàn)，會(huì)大大促進(jìn)初學(xué)者對(duì)元素?zé)o機(jī)化學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和掌握，特和大家分享。

2 學(xué)好元素?zé)o機(jī)化學(xué)必須抓住的幾條主線(xiàn)

掌握并熟練運(yùn)用元素周期律 元素周期表是俄國(guó)科學(xué)家門(mén)捷列夫?qū)茖W(xué)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，是近代化學(xué)發(fā)展史上一座光輝奪目的里程碑。元素周期表蘊(yùn)涵著豐富和深刻的內(nèi)涵，對(duì)整個(gè)化學(xué)和自然科學(xué)的發(fā)展都具有非常普遍的指導(dǎo)意義[4]。

元素周期律是元素周期表的一個(gè)直觀(guān)表現(xiàn)，它的基本內(nèi)容是：隨核內(nèi)質(zhì)子數(shù)遞增，核外電子呈現(xiàn)周期性排布，元素性質(zhì)呈現(xiàn)周期性遞變。元素的基本性質(zhì)主要包括原子半徑、（第一）電離能、（第一）電子親和能和電負(fù)性四部分內(nèi)容，它們?cè)谥芷诒碇械倪f變規(guī)律如表1 所示[5]。掌握好這四個(gè)基本性質(zhì)在元素周期表中的遞變規(guī)律，有助于更好地學(xué)習(xí)、理解和掌握同族、同周期單質(zhì)或化合物性質(zhì)的遞變規(guī)律。

表1 元素基本性質(zhì)在周期表中總體規(guī)律

其中，原子半徑的周期性是四個(gè)基本性質(zhì)變化規(guī)律中最基本和最重要的。結(jié)合核電荷數(shù)、原子的電子層結(jié)構(gòu)等因素，原子半徑的周期性決定著其他三個(gè)基本性質(zhì)在周期表中的變化規(guī)律。從表1 不難看出，（第一）電離能、（第一）電子親和能、電負(fù)性在周期表中的變化規(guī)律與原子半徑恰恰相反。

掌握了上述四個(gè)基本性質(zhì)的周期性，可以很輕松地理解、掌握元素周期表中很有規(guī)律的一些內(nèi)容，并同時(shí)學(xué)會(huì)舉一反三，起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。例如，含氧酸酸性強(qiáng)弱取決于酸分子中質(zhì)子轉(zhuǎn)移傾向的強(qiáng)弱：

質(zhì)子的轉(zhuǎn)移傾向越大，含氧酸的酸性越強(qiáng)，反之越弱。那么，質(zhì)子轉(zhuǎn)移的程度又取決于什么因素呢？質(zhì)子轉(zhuǎn)移的難易主要取決于與氧相連的R（即含氧酸中心原子）吸引羥基氧原子的電子的能力。具體來(lái)講，主要取決于R 的三方面因素：半徑、電負(fù)性和氧化數(shù)。很明顯，R 的半徑越小、電負(fù)性越大、氧化數(shù)越高，R 吸引氧原子上電子的能力就越強(qiáng)，含氧酸的酸性就越強(qiáng)。因此，只要掌握了原子半徑、電負(fù)性在周期表中的變化規(guī)律，非金屬含氧酸酸性在周期表中的變化規(guī)律就很容易理解和掌握了。

要深刻理解和熟練運(yùn)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的科學(xué)思想“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”是化學(xué)學(xué)科的重要科學(xué)思想。深刻理解和掌握這個(gè)思想在元素?zé)o機(jī)化學(xué)中的運(yùn)用，對(duì)促進(jìn)此部分內(nèi)容學(xué)習(xí)具有非常重要的意義。結(jié)構(gòu)可以理解為兩層含義。

第一層含義：“結(jié)構(gòu)”代表的原子結(jié)構(gòu)，即核外電子的排布。如s 區(qū)金屬，它的價(jià)層電子組態(tài)為ns1-2，因此，s區(qū)元素很容易失去一個(gè)或兩個(gè)電子，達(dá)到8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也就是s 區(qū)金屬表現(xiàn)出非常強(qiáng)的金屬性，在形成化合物時(shí)，主要以離子鍵為主。而ds 區(qū)元素的價(jià)層電子組態(tài)為（n-1）d10ns1-2，雖然它們的最外層電子數(shù)與s 區(qū)金屬相同，但是次外層卻是18 電子構(gòu)型；由于18 電子構(gòu)型對(duì)核的屏蔽效應(yīng)較小，使得原子核對(duì)最外層電子的吸引力增強(qiáng)，因此，ds 區(qū)金屬較s 區(qū)金屬的金屬性要弱得多。同時(shí)，具有18 電子構(gòu)型的金屬離子具有很強(qiáng)的極化力和變形性，因此，ds區(qū)金屬很容易形成共價(jià)化合物。

再如稀有氣體由于具有8 電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此它們很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成具有化學(xué)鍵的物質(zhì)。直到1962年，英國(guó)科學(xué)家巴特列敏銳地觀(guān)察到PtF6和Xe 的第一電離能大小接近，一個(gè)史無(wú)前例的嘗試打破了稀有氣體完全惰性的神話(huà)。此后，很多氙的化合物被合成出來(lái)。對(duì)于這一新生事物，初學(xué)者乍掌握起來(lái)覺(jué)得很難，無(wú)法從眾多的反應(yīng)方程式中把握住氙化合物的總體反應(yīng)特征。利用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的科學(xué)思想，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這類(lèi)化合物表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性。為什么呢？當(dāng)穩(wěn)定的8 電子構(gòu)型被打破，它們力求恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此，氙的化合物均表現(xiàn)出非常強(qiáng)的氧化性，且還原產(chǎn)物多數(shù)為單質(zhì)。

第二層含義：“結(jié)構(gòu)”為分子中原子在空間的排布，即分子結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還必須考慮分子其他特殊結(jié)構(gòu)，如孤對(duì)電子、大∏鍵等對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響。以NH3為例來(lái)說(shuō)明“結(jié)構(gòu)”是如何決定性質(zhì)的，如表2 所示。

表2 NH3 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系

理解了上述兩層結(jié)構(gòu)的含義，結(jié)合鍵長(zhǎng)、鍵角、鍵的極性、分子間作用力、電負(fù)性、原子半徑等因素，很多問(wèn)題均可迎刃而解（表3）[7-8]。

表3 常見(jiàn)問(wèn)題舉例

正確運(yùn)用元素電勢(shì)圖 發(fā)生氧化還原反應(yīng)是元素單質(zhì)與化合物化學(xué)性質(zhì)的重要表現(xiàn)之一。最高氧化態(tài)化合物可具有氧化性，最低氧化態(tài)化合物可具有還原性，中間價(jià)態(tài)化合物既可具有氧化性，也可具有還原性。除此之外，還需要掌握以下兩點(diǎn)內(nèi)容。

第一，通過(guò)電極電勢(shì)的大小，會(huì)判斷氧化性物質(zhì)、還原性物質(zhì)氧化還原能力的強(qiáng)弱。電極電勢(shì)越大，氧化性物質(zhì)的氧化能力越大，還原性物質(zhì)的還原能力越小，反之亦然。

第二，氧化還原反應(yīng)的方向是最強(qiáng)的氧化劑與最強(qiáng)的還原劑發(fā)生反應(yīng)，生成兩對(duì)電極中另外兩個(gè)物種。

什么是元素電勢(shì)圖呢？如果一種元素具有多種氧化態(tài)，將這些氧化態(tài)按照由高到低的順序排列，兩物種間以“—”相連，并且在線(xiàn)上方標(biāo)出相鄰兩物種組成電對(duì)的電極電勢(shì)值，這種圖被稱(chēng)為元素電勢(shì)圖。利用元素電勢(shì)圖可以判斷元素的氧化還原特性，判斷歧化反應(yīng)的發(fā)生。

1）判斷歧化反應(yīng)的發(fā)生：以酸性介質(zhì)中Cu 元素電勢(shì)圖為例來(lái)說(shuō)明。

由φθ(Cu+/Cu)=0.521 V 和φθ(Cu2+/Cu+)=0.153 V 可知，最強(qiáng)的氧化劑和還原劑均為Cu+，所以會(huì)有以下反應(yīng)：

表4 鐵的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型

即在酸性條件下，Cu+會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)。即對(duì)某一物種，如果則該物種會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，生成兩端的物種。這樣就很容易記憶并理解Cu2O 與H2SO4的化學(xué)反應(yīng)方程式了。

2）利用元素電勢(shì)圖，判斷元素的氧化還原特性。以酸性介質(zhì)中Fe 元素的元素電勢(shì)圖為例來(lái)說(shuō)明（表4 所示為鐵的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型）。

當(dāng)然了，電極電勢(shì)和元素電勢(shì)圖僅能反映出某元素物種進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的特性。其他類(lèi)型的化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)具體情況具體對(duì)待。

清楚把握各章節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu) 元素?zé)o機(jī)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)零散，系統(tǒng)性差。因此，把握好每章的知識(shí)結(jié)果對(duì)于從總體上把握本學(xué)科知識(shí)具有非常重要的意義。

縱觀(guān)本課程各章節(jié)，會(huì)發(fā)現(xiàn)每章節(jié)的大致知識(shí)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。每章基本上均以本族的通性開(kāi)始，介紹該族化合物在自然界中的存在、元素的一些性質(zhì)和元素電勢(shì)圖。在分析該族元素原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，得出該族化合物的成鍵特征，每個(gè)成鍵特征會(huì)對(duì)應(yīng)某一類(lèi)具體物質(zhì)（單質(zhì)和化合物）。隨后，本章會(huì)針對(duì)這些單質(zhì)或化合物的存在、制備、性質(zhì)（物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)）和用途等幾方面逐漸展開(kāi)介紹。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，一個(gè)好的學(xué)習(xí)方法猶如大海燈塔，它能指引學(xué)生在知識(shí)的海洋中遨游。學(xué)好元素?zé)o機(jī)化學(xué)，應(yīng)該在總體把握每章知識(shí)框架的基礎(chǔ)上，熟練掌握并運(yùn)用好元素周期律、元素電勢(shì)圖這兩個(gè)基本工具，深刻理解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一重要科學(xué)思想，這必將促進(jìn)對(duì)元素?zé)o機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)和掌握，有助于進(jìn)一步攀登知識(shí)高峰。

[1]陳平初,李武客,詹正坤.社會(huì)化學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]王振民.怎樣學(xué)好無(wú)機(jī)化學(xué)的元素部分[J].化學(xué)教育,1987(6):39-40.

[3]劉海燕,孫紅梅.淺談學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)化學(xué)的方法[J].綏化師專(zhuān)學(xué)報(bào),2003,23(3):133-134.

[4]王彥廣.化學(xué)與人類(lèi)文明[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2001.

[5]宋天佑,程鵬,王杏喬.無(wú)機(jī)化學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.