基于性構(gòu)相依核心化學(xué)思想的元素化學(xué)的教學(xué)與思考
——以“硫的含氧化合物”的教學(xué)內(nèi)容為例

(1.上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001；2.上饒幼兒師范高等?？茖W(xué)校，江西 上饒 334001)

基于性構(gòu)相依核心化學(xué)思想的元素化學(xué)的教學(xué)與思考
——以“硫的含氧化合物”的教學(xué)內(nèi)容為例

張文廣1， 彭春玉2

(1.上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001；2.上饒幼兒師范高等?？茖W(xué)校，江西 上饒 334001)

以硫的含氧化合物的教學(xué)內(nèi)容為例，闡述了元素化學(xué)教學(xué)中，以性構(gòu)相依的核心化學(xué)思想統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)過程的課堂教學(xué)實踐活動：通過詳細(xì)分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和成鍵特征，深刻揭示物質(zhì)性質(zhì)表現(xiàn)的內(nèi)在原因；通過全面闡釋物質(zhì)性質(zhì)與用途、性質(zhì)與制備方法、性質(zhì)與存在方式之間嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，順利實現(xiàn)元素化學(xué)完整知識體系的傳授和多維教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

性構(gòu)相依；學(xué)科思想；硫的含氧化合物；教學(xué)設(shè)計

作為大學(xué)化學(xué)專業(yè)核心基礎(chǔ)課程之一的無機化學(xué)，其內(nèi)容體系包括化學(xué)基礎(chǔ)理論和元素化學(xué)兩大部分?；A(chǔ)理論是關(guān)于化學(xué)(含各主干學(xué)科無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等)共同或通用的學(xué)科理論，是“大化學(xué)”概念下的普遍原理，其重要性不言而喻；元素化學(xué)內(nèi)容龐雜、材料瑣碎，化學(xué)反應(yīng)方程式及描述性的反應(yīng)現(xiàn)象紛繁，教材風(fēng)格單調(diào)，知識呈現(xiàn)呆板，這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使課堂教學(xué)受到了很大的挑戰(zhàn)，也正因為如此，近年來國內(nèi)外的一些無機化學(xué)教材內(nèi)容和主講教師有淡化、弱化、壓縮元素化學(xué)教學(xué)的傾向。

元素化學(xué)應(yīng)該是無機化學(xué)內(nèi)容體系的主脈，這至少可以從兩個方面來理解：從無機化學(xué)經(jīng)典定義的內(nèi)涵看，作為化學(xué)的重要主干學(xué)科，無機化學(xué)是以元素周期律和化學(xué)原理為基礎(chǔ)，分族、分區(qū)地研究元素及其單質(zhì)、化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制備的學(xué)科；從無機化學(xué)的發(fā)展趨勢看，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，無機化學(xué)與其他學(xué)科日益緊密的交叉、滲透產(chǎn)生了很多新興學(xué)科，如材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)等等，無機化學(xué)的這種交叉、滲透，主要的體現(xiàn)和反映就在元素化學(xué)領(lǐng)域。正因為元素化學(xué)是無機化學(xué)內(nèi)容體系的主脈，筆者認(rèn)為，在無機化學(xué)課程中，元素化學(xué)的教學(xué)只能強化，不應(yīng)弱化，更不能虛化和邊緣化。

如何高效地進(jìn)行元素化學(xué)的教學(xué)？筆者的體會是：以性構(gòu)相依的核心化學(xué)思想統(tǒng)領(lǐng)課堂教學(xué)，可以取得良好的教學(xué)效果。通過詳細(xì)分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和成鍵特征，從而深刻揭示物質(zhì)性質(zhì)表現(xiàn)的內(nèi)在原因；通過嚴(yán)密闡釋物質(zhì)性質(zhì)與用途、性質(zhì)與制備方法、性質(zhì)與存在方式之間的邏輯關(guān)系，從而順利實現(xiàn)元素化學(xué)完整知識體系的傳授和多維教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。更重要的是，以性構(gòu)相依的核心化學(xué)思想來統(tǒng)領(lǐng)元素化學(xué)的課堂教學(xué)，通過教師的循循善誘和啟發(fā)講解，能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，使學(xué)生好于探究、樂于學(xué)習(xí)，為達(dá)成教學(xué)目的提供源源不斷的精神動力。

下面以“硫的含氧化合物”的教學(xué)內(nèi)容為課堂教學(xué)設(shè)計的實例，展示元素化學(xué)的教學(xué)實踐。

1 關(guān)于硫的含氧化合物的一些基本實驗事實

硫元素能形成一系列的氧化物，其中最常見和最重要的是SO2和SO3。硫又能形成種類繁多的含氧酸，其中較重要的是亞硫酸(H2SO3)、硫酸(H2SO4)、焦硫酸(H2S2O7)、硫代硫酸(H2S2O3)、過二硫酸(H2S2O8)、連四硫酸(H2S4O6)及其形成的鹽[1-2]。

實驗表明：SO2的分子構(gòu)型為V型(折線型、角型)，鍵角119.5°，S、O原子間具有雙鍵的性質(zhì)(鍵長143 pm，比單鍵鍵長155 pm小[1-2])，見圖1a。

圖1 SO2的分子結(jié)構(gòu)

氣態(tài)的SO3主要以單分子的形式存在，其分子構(gòu)型為平面三角型，鍵角120°，S、O原子間也有雙鍵的性質(zhì)；純凈的SO3在常溫下是易揮發(fā)的固體，固態(tài)時的SO3主要以兩種形式存在：一種是由SO4四面體構(gòu)成的無限長鏈?zhǔn)扌头肿?SO3)n，其中所有的S原子和三分之一的O原子在鏈上成鍵，三分之二的O原子與S原子在鏈外成鍵，鏈內(nèi)和鏈外的S、O鍵長不等；另一種是類似椅式環(huán)己烷構(gòu)型的三聚體分子(SO3)3，其中三個O原子和所有的三個S原子在環(huán)內(nèi)成鍵，六個O原子與S原子在環(huán)外成鍵，環(huán)內(nèi)和環(huán)外的S、O鍵長也不等。

在硫形成的各種含氧酸中，H2SO4最重要。它是化學(xué)工業(yè)和化學(xué)實驗室中很常見的化工原料和化學(xué)試劑，其分子構(gòu)型為四面體，分子內(nèi)主要有兩類不同鍵長的S、O鍵，見圖2a。

a 實驗參數(shù) b 理論分析

低價態(tài)的硫含氧酸都不穩(wěn)定，很易分解，形成鹽后穩(wěn)定性增強，但都具有還原性，易被氧化，其中的硫代硫酸根離子還有較強的配位能力，很容易形成配合物；高價態(tài)的硫含氧酸及其鹽都表現(xiàn)出較強的氧化性，有的甚至比高錳酸鉀的氧化性還強(如過二硫酸鹽)。

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)反映物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。如何用化學(xué)鍵理論或分子結(jié)構(gòu)知識來闡釋上述實驗事實？課堂上可引導(dǎo)學(xué)生對這些問題作出深入的分析。

2 共價鍵理論對硫的含氧化合物分子結(jié)構(gòu)的分析

可用現(xiàn)代價鍵理論(Valence Bond Method，VB法)，并結(jié)合軌道雜化(Orbital Hybridization)的思想及分子軌道理論(Molecular Orbital Theory，MO法)的處理方法對硫的含氧化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡釋。這里以SO2和H2SO4為例，討論如下。

2.1 對SO2分子結(jié)構(gòu)的分析

SO2分子中原子間的鍵合關(guān)系是：1個S原子為中心(由于S的電負(fù)性小于O，原子核對價電子的束縛力S小于O，故S原子“允許”更多的原子來共享其價電子，所以S是中心原子)，2個O為配體原子。S的價層電子結(jié)構(gòu)是3s23p4，S共有6個價電子。根據(jù)原子間共價鍵的成鍵規(guī)則，中心原子S與2個配位原子O要分別形成1個鍵，分子內(nèi)總共有2個鍵。由于每個配位原子O的價電子層各有2個未成對的電子，這需要中心原子S的4個價電子與其成鍵，所以S的價層還有1對未成鍵的孤電子對。

根據(jù)原子軌道雜化類型的判斷規(guī)則[3]，原子間鍵合時雜化軌道是用來填充鍵電子對和孤電子對的，由于中心原子S成鍵后的鍵電子對和孤電子對總數(shù)為3，故它所需要的雜化軌道數(shù)也為3；又由于軌道雜化前后其總數(shù)是不變的，故中心原子S需要提供3個價層軌道來進(jìn)行雜化，所以它的軌道雜化類型必定是sp2。按照判斷分子結(jié)構(gòu)的邏輯規(guī)則，中心原子S在SO2分子中的成鍵情況，見圖3。

圖3 SO2分子中心原子的軌道雜化和成鍵方式

在圖3中，S的3個雜化軌道相互間按平面三角形取向，孤對電子占據(jù)著1個雜化軌道；2個填有未成對電子的雜化軌道，分別與2個配體原子O中填有未成對電子的1個2p軌道以“頭碰頭” 重疊的方式形成鍵(稱為sp2-p鍵)，所以分子的幾何構(gòu)型或空間取向為“V”型。此外，中心原子S的價電子層還有1個3p軌道，它未參與雜化，而且含有1對電子，由于它與2個配體原子O上含有未成對電子的另一個2p軌道，共同垂直于分子所在的平面，3個p軌道相互平行，所以能夠以“肩并肩”的方式重迭形成3中心、4電子的大鍵，表示為見圖1b(實線表示鍵，虛線表示大鍵)。

在SO2分子中，S原子雜化軌道中沒成鍵的孤電子對，它只受到1個所屬原子即硫原子核的吸引，所以能量較高，故而它與成鍵電子對之間的斥力，比成鍵電子對與成鍵電子對之間的斥力更大，所以原子間的夾角即分子的鍵角不是理想的120°而是119.5°。

2.2 對H2SO4分子結(jié)構(gòu)的分析

H2SO4分子中原子間的鍵合關(guān)系為：1個S原子為中心，2個O原子(非羥基氧)和2個OH原子團(羥基)為配體。類似于上面的分析，中心原子S的軌道雜化方式是sp3，雜化軌道中不存在孤對電子。其成鍵情況見圖4。

圖4 H2SO4分子中心原子S的軌道雜化和成鍵方式

在圖4中，中心原子S的4個填有未成對電子的sp3雜化軌道，分別與4個鍵聯(lián)O原子中填有未成對電子的1個2p軌道以“頭碰頭” 重疊的方式形成4個鍵(稱為sp3-p鍵)，從而確定了分子的四面體構(gòu)型。中心原子S的價層還有五個未雜化的3d軌道，其中兩個軌道各填有一個未成對電子，這兩個軌道與兩個非羥基配體O原子上填有未成對電子的2p軌道，相互平行，可以“肩并肩”的方式重疊形成鍵(稱為p-d鍵)，見圖2b。

根據(jù)上述分析可知，H2SO4分子中S與OH結(jié)合的鍵是單鍵(鍵長為155或152 pm)，S與O(非羥基氧)結(jié)合的鍵是雙鍵(鍵長為142或143 pm)，其中同類型鍵中鍵長略有差異，可能是由于原子所處的位置對稱性狀態(tài)不完全相同，因而原子間的作用力不完全相同所致；從圖2a還可以看出，H2SO4分子內(nèi)各鍵角雖然都與正四面體的109.5o接近，但畢竟還是略有差異。

3 硫含氧化合物的結(jié)構(gòu)對其性質(zhì)用途及存在制備等決定性影響的闡釋

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)又決定物質(zhì)的用途、制備和存在方式，這種“性構(gòu)相依”的辯證關(guān)系是化學(xué)的重要學(xué)科思想。根據(jù)這一思想和上述對硫含氧化合物分子結(jié)構(gòu)的分析，可以很好地闡釋它們的各種性質(zhì)和存在、制備、用途等化學(xué)事實，舉例如下：

(1)SO2分子中的正負(fù)電荷重心并未重合，所以它是極性分子。由于取向力、色散力、誘導(dǎo)力等分子間力都較大，故SO2氣體極易被液化，而且液態(tài)SO2是很多物質(zhì)的良好溶劑。由于SO2分子中S的氧化數(shù)為+4，處在中間態(tài)，故SO2既有氧化性，又有還原性；作還原劑時可被氧氣催化氧化成三氧化硫，故SO2主要用來制備硫酸；作氧化劑時可殺滅細(xì)菌和漂白紙張，故SO2可用作防腐劑和漂白劑。

(2)硫形成的各種低價態(tài)含氧酸，如H2SO3(S的氧化數(shù)為+4)、H2S2O3(S的平均氧化數(shù)為+2)、H2S4O6(S的平均氧化數(shù)為+2.5)，由于S的氧化數(shù)較低，導(dǎo)致S原子作用于成鍵電子的有效核電荷較低，故S原子核對S、O鍵中共用電子對的吸引力即S、O鍵較弱，所以低價態(tài)的硫含氧酸都不穩(wěn)定，極易分解，它們只能以鹽的形式存在。

(3)H2SO4分子中的S已達(dá)到了最高價態(tài)+6，有較強的得電子傾向，故H2SO4有較強的氧化性，熱的濃硫酸是非常強的氧化劑，可氧化許多金屬和非金屬單質(zhì)：

Cu + 2H2SO4(濃) = CuSO4+2SO2+2H2O

C + 2H2SO4(濃) = CO2+ 2SO2+ 2 H2O

(5)Na2S2O3中S的平均氧化數(shù)為+2，有較強的失電子傾向，故Na2S2O3有較強的還原性，遇弱的氧化劑I2可被氧化成連四硫酸鹽Na2S4O6(S的平均氧化數(shù)為+2.5)；遇強的氧化劑Cl2可被氧化成硫酸鹽Na2SO4(S的氧化數(shù)為+6)：

2Na2S2O3+ I2= Na2S4O6+2NaI

Na2S2O3+ 4Cl2+5H2O =2H2SO4+ 2NaCl+6HCl

Na2S2O3的水合物晶體Na2S2O3·5H2O俗稱海波或大蘇打，是一種重要的化學(xué)試劑，常用作化工生產(chǎn)中的還原劑、綿織物漂白后的脫氯劑(利用其對氯氣或次氯酸鈉的還原性)、照相行業(yè)中的定影劑(配位劑)，還用于電鍍、鞣革行業(yè)中的污水處理(利用其對重金屬離子的配位性)。

(6)亞硫酸鈉Na2SO3溶液很容易被氧氣氧化成Na2SO4；而S和O是同族元素，有相似的原子結(jié)構(gòu)和成鍵特征，所以受類比思維的啟發(fā)，很容易理解Na2SO3在一定條件下也很易被硫單質(zhì)硫化成與Na2SO4結(jié)構(gòu)相似的Na2S2O3：

由于水溶液中SO2與H2S和NaOH作用可分別生成S和Na2SO3，SO2與Na2S和Na2CO3作用也可分別生成S和Na2SO3，所以按照演繹思維的推理，也很容易理解Na2S2O3的另兩種制備方法[1-2]：

4SO2+2H2S + 6NaOH =3Na2S2O3+5H2O

4SO2+2Na2S + Na2CO3=3Na2S2O3+ CO2

4 感悟與思考

元素化學(xué)是傳授化學(xué)鍵理論和物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識的重要載體，也是對學(xué)生進(jìn)行矛盾普遍聯(lián)系、對立統(tǒng)一等辯證唯物主義思想教育的重要素材。加強元素化學(xué)的教學(xué)，是無機化學(xué)課程內(nèi)容、知識體系的客觀要求，也是開拓?zé)o機化學(xué)新的發(fā)展方向的必然要求。在元素化學(xué)的教學(xué)中，以性構(gòu)相依的學(xué)科思想統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)過程，無比重視物質(zhì)結(jié)構(gòu)和分子成鍵特征的分析推理，是解決無機化學(xué)課程體系原理部分與元素部分相互脫節(jié)的重要途徑，也是理論指導(dǎo)實踐、學(xué)以致用的重要體現(xiàn)。

以性構(gòu)相依的學(xué)科思想統(tǒng)領(lǐng)元素化學(xué)的教學(xué)過程，關(guān)鍵是教師要有扎實的教學(xué)基本功和豐富的化學(xué)學(xué)術(shù)素養(yǎng)；要善于凝煉教學(xué)內(nèi)容，把握知識間嚴(yán)密的邏輯關(guān)系；要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，為學(xué)生精心設(shè)計出“心求通而未得，口欲言而不能”(宋代理學(xué)家朱熹語)的教學(xué)問題和教學(xué)情境；要特別注重啟發(fā)式的教學(xué)思想和教學(xué)方法，做到有講有練，講練結(jié)合，層層推進(jìn)，拾級而上；點撥講解要做到循循善誘，步步深入，讓學(xué)生感到“其言皆若出于吾之口，其意皆若出于吾之心”(朱熹語)而愿于、樂于孜孜求索。

性構(gòu)相依的辯證思想具有豐富的哲學(xué)內(nèi)涵，它是化學(xué)學(xué)科核心意義上的學(xué)科思想[5]。以性構(gòu)相依的核心化學(xué)思想來統(tǒng)領(lǐng)元素化學(xué)的課堂教學(xué)，既能使學(xué)生加深理解元素化學(xué)的知識，又可使學(xué)生鞏固掌握學(xué)過的分子結(jié)構(gòu)知識，并得到科學(xué)思想的熏陶和思維方法的訓(xùn)練；而且，它還能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，使學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、好于學(xué)習(xí)，使課堂教學(xué)氛圍得到最大的優(yōu)化，從而取得良好的教學(xué)效果。

[1] 北京師范大學(xué),華中師范大學(xué),南京師范大學(xué).無機化學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1993:460-470.

[2] 武漢大學(xué),吉林大學(xué).無機化學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1994:608-621.

[3] 張文廣,王祖浩.原子軌道雜化方式的判斷與分子結(jié)構(gòu)的合理推定[J].化學(xué)世界,2008(3):189-192.

[4] 張文廣,彭春玉.價鍵法融合分子軌道理論及軌道雜化概念對O3分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的闡釋[J].化學(xué)世界,2017(8):509-511.

[5] 張文廣.性構(gòu)相依思想的闡釋及其教學(xué)實踐探索[D].上海:華東師范大學(xué),2008.

Teaching and Thinking for Elements Chemistry Based on Subject Thought about Correlating Properties with Structure

ZHANG Wenguang1,PENG Chunyu2

(1.School of Chemistry and Environmental Sciences ,Shangrao Normal University,Shangrao Jiangxi 334001; 2. Shangrao Preschool Education College,Shangrao Jiangxi 334001)

Taking teaching of oxo-compounds of sulphur for example,this paper discussed how to teach elements chemistry based on subject thought about correlating properties with structure：revealing profoundly internal cause of matter properties by analysis of molecular structure and bonding feature in detail;realizing successfully propagation of integrated knowledge systems in elements chemistry and accomplish of polydemensions teaching aims by fully clarifying strict logic relations between properties and uses,and preparation,and occurrence.

correlating properties with structure；subject thought；oxo-compounds of sulphur；teaching design

2017-01-04

張文廣(1963-)男，江西上饒人，教授，博士，主要從事無機化學(xué)及專業(yè)英語的教學(xué)和研究工作。E-mail：zwg0793@163.com

G642.0

A

1004-2237(2017)06-0065-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.06.015