數(shù)字在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的妙用

鄭金清

摘 要：中學(xué)化學(xué)核心知識是物質(zhì)之間的變化，物質(zhì)間能否發(fā)生變化，變化時物質(zhì)間有無物質(zhì)及量多少的問題是困擾很多同學(xué)的問題。用數(shù)字來剖析離子共存、與物質(zhì)的量多少有關(guān)系的反應(yīng)、鋁單質(zhì)和含鋁化合物與酸堿的性質(zhì)反應(yīng)，使學(xué)生從數(shù)字角度認(rèn)識化學(xué)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字；化合價；離子共存；兩性

很多中學(xué)生進入高一化學(xué)的學(xué)習(xí)后倍感吃力，迷茫于眾多物質(zhì)間能否發(fā)生反應(yīng)、反應(yīng)有無物質(zhì)及量多少問題、鋁單質(zhì)及化合物是否都有兩性等等。我們教師也把精力、時間傾向于這些知識的傳授和相關(guān)習(xí)題的講評，但效果都不理想。學(xué)生課堂上能聽得懂，課后自己分析或考試獨立完成時卻都是一頭霧水。其實在繁多的化學(xué)物質(zhì)中存在一些容易被我們忽視的標(biāo)簽式的數(shù)字，它們是化合價、離子所帶電荷數(shù)和電性、酸的元數(shù)等。這些數(shù)字對學(xué)生學(xué)好化學(xué)有化繁為簡，便于理解和記憶的作用。我想通過幾個事實來詮釋這些數(shù)字的妙用。

元素是構(gòu)成物質(zhì)的基體，元素在構(gòu)成物質(zhì)時會體現(xiàn)出化合價。化合價能直觀地反映出物質(zhì)的性質(zhì)，一般有：（1）在氧化還原反應(yīng)中元素處于最低價有還原性，處于中間價既有氧化性又有還原性，處于最高價有氧化性化合價；（2）同主族元素若化合價相同，命名類似，如：KClO3中氯元素顯+5價稱為氯酸鉀，KIO3中碘元素顯+5價則稱為碘酸鉀。若有I4O9被稱為碘酸碘，就知道該物質(zhì)有碘酸根且是3個，故可寫作I（IO3）3另外，在氧化還原反應(yīng)中利用化合價的升降相等這個定量關(guān)系來進行方程式的配平。通過對化合價的這些特點掌握能大大拓寬學(xué)生的化學(xué)物質(zhì)世界，認(rèn)識更多的化學(xué)反應(yīng)并逐步形成學(xué)好化學(xué)必備的觀點之一——元素及元素轉(zhuǎn)化觀。

化學(xué)反應(yīng)大部分以水作溶劑，電解質(zhì)在水中發(fā)生電離，給出陰陽離子。同性相斥，異性相吸的自然規(guī)律在化學(xué)這門自然哲學(xué)一樣具有普適性。一般的同電性離子相遇不反應(yīng)，異性離子間若能結(jié)合成弱電解質(zhì)或難溶性物質(zhì)就能發(fā)生反應(yīng)。如：在酸性溶液中可能大量存在Na+、ClO-、SO2-4、I-離子組嗎？即這組離子在有H+條件下能否發(fā)生反應(yīng)？要考慮的是Na+分別與ClO-、SO2-4、I-三者的關(guān)系，而不是考慮它們?nèi)N同性離子能否反應(yīng)。因Na+與ClO-、SO2-4、I-結(jié)合得到的物質(zhì)均為可溶性鈉鹽，不造成離子數(shù)減少，不反應(yīng)，可以共存。但溶液中還有H+，H+能與ClO-結(jié)合成弱酸HClO造成離子數(shù)目減少。故這組離子不能大量共存。利用離子所帶電荷電性能判斷離子間能否共存，利用離子所帶電荷數(shù)還能判斷物質(zhì)之間反應(yīng)有無物質(zhì)及量多少問題，即會不會因某種反應(yīng)物多加少加而有不同的產(chǎn)物。如：H+與ClO-均帶一個電荷，不管雙方加入量多少產(chǎn)物都只有一種情況；而換成H+與CO32-，H+帶一個電荷，CO32-帶兩個電荷雙方相遇時，就存在物質(zhì)的量的不同，產(chǎn)物不同的問題。若酸少，發(fā)生H++CO32-=HCO-3的反應(yīng)，若酸多則發(fā)生2H++CO32-=H2O+CO2↑用在具體的物質(zhì)反應(yīng)中例如HCl一元強酸與CaCO3反應(yīng)制得二元弱酸H2CO3（常寫作），一元酸就要消耗兩倍于二元酸的量。學(xué)生學(xué)習(xí)離子反應(yīng)時，若能從離子帶電性和帶的電荷數(shù)入手，將能對繁多的化學(xué)反應(yīng)有更實質(zhì)性的認(rèn)識。

鋁元素在高中化學(xué)中有Al、Al2O3、Al（OH）3、Al3+（鋁鹽）、[Al（OH）4]-（四羥基合鋁酸鹽）五種存在形式，不少學(xué)生糾結(jié)于誰有兩性、誰與酸、堿有物質(zhì)的量多少問題。甚至干脆誤以為它們的性質(zhì)：都有兩性、與酸堿都有量的問題。我們來觀察上述鋁元素的五種形式，它們在水溶液中Al、Al2O3、Al（OH）3是不帶電的，它們遇酸——H+必然生成Al3+，且不存在酸的量多少問題（因為沒有Al+、Al2+存在）；它們遇堿——OH-必然生成[Al（OH）4]-且也不存在堿的量多少問題，因此Al、Al2O3、Al（OH）3有兩性而無量的多少問題。鋁鹽在水中電離出Al3+，Al3+帶3個正電荷，它必然不怕酸——H+正正相遇不反應(yīng)，它怕堿——H-陰陽離子正負(fù)電荷相遇發(fā)生反應(yīng)，有+3+（-1×3）=0，+3+（-1×4）=-1的關(guān)系，即：Al3++3OH-=Al（OH）3↓，Al3++4OH-=[Al（OH）4]-

四羥基合鋁酸鹽在水中電離出[Al（OH）4]-，[Al（OH）4]-帶1個負(fù)電荷，它必然不怕堿——OH-負(fù)負(fù)相遇不反應(yīng)，它怕酸——H+陰陽離子正負(fù)電荷相遇發(fā)生反應(yīng)，且有-1+（+1）=0，-1+（+1×4）=+3的關(guān)系，即：[Al（OH）4]-+H+=Al（OH）3↓+H2O，[Al（OH）4]-+4H+=Al3++4H2O因此Al3+（鋁鹽）、[Al（OH）4]-（四羥基合鋁酸鹽）沒有兩性問題，而與酸或堿有物質(zhì)的量多少問題。這樣就把鋁單質(zhì)及其化合物與酸堿的關(guān)系理清了，也可以進一步把這種與酸堿的關(guān)系用數(shù)軸一目了然地表示。如下圖：

化學(xué)反應(yīng)可以全部分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)，在氧化還原反應(yīng)中因為有電子的轉(zhuǎn)移所以一定有化合價的升降，存在數(shù)字及數(shù)字變化；在非氧化還原反應(yīng)中大部分在水溶液中進行，即離子反應(yīng)，有離子也存在數(shù)字及變化。在學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中注意這些標(biāo)簽式的數(shù)字，便了解這些數(shù)字的使用規(guī)則，相信學(xué)生能將化學(xué)解題游戲玩轉(zhuǎn)起來。