追尋人類詢問自然的足跡

徐守兵

摘要：化合價是研究分子結構的核心概念 [1]。初中階段，可從人們對惰性氣體化學穩(wěn)定性的探究出發(fā)，在理解的基礎上建立化合價的概念，高中階段，可在應用化合價解決氧化還原反應等相關問題的過程中進一步加深對化合價的理解。學生在學習化合價的過程中，理解了化合物中一種元素一定數目的原子和其它元素一定數目的原子結合的原因，體會著原子在構成化合物的過程表現出的神奇的組合作用，從而充分發(fā)揮化合價對學生掌握物質結構、氧化還原反應等知識的核心作用。

關鍵詞：化合價；原子結構示意圖；組合；惰性氣體

文章編號：1008-0546（2018）11-0007-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.002

一、化合價概念的演變歷程

化學家目前已知的物質已達1億種以上，但自然界中存在的元素卻只有90種，即便是算上人工制造的元素也只有112種左右。物質由如此少的元素構成的事實為化學家破解物質之謎提供了可能，然而，如此之少的元素可以構成各類繁多的物質，這又說明元素之間相互組合的方式是千變萬化的。人類對元素組合成化合物規(guī)律的認識經歷了較漫長的時間，期間提出了認識化合物組成規(guī)律的核心概念：化合價。

回望化學發(fā)展的歷程，化合價概念的歷史演變和人們對物質結構的認知相伴而行。

1799年，法國化學家普羅斯結合實驗事實就提出了定組成定律：每種化合物都有固定的組成，不管這種化合物是天然的還是人造的。

1803年，英國化學家道爾頓提出了倍比定律：如果甲、乙兩種元素能互相化合而生成幾種不同的化合物，則在這些化合物中，與一定質量的甲元素相化合的乙元素的質量互成簡單的整數比。

1852年，英國化學家愛德華·富蘭克蘭提出金屬與其他元素的每一個原子在化合時具有一種特殊的性質，叫“化合能力”，即傾向于和一定數目的其他原子結合。此處的“化合能力”后來被稱為化合價。

1857年，德國化學家凱庫勒提出碳是四價，CH3是一價，CH2是二價，CH是三價，并確定N、P、As是三價的，O、S是二價的，H、Cl、Br、I、K等是一價的。由此提出了原子數的概念，即后來所說的化合價。

1904年，是科學史上倍受關注的一年，這一年，諾貝爾物理學獎和化學獎都頒發(fā)給了惰性氣體的發(fā)現研究，惰性氣體發(fā)現的意義，不僅是實現了周期表的完美結構，更重要的是惰性氣體的化學穩(wěn)定性使科學家找到了原子之所以相互結合的原因，是通過相互作用獲得了與惰性氣體一樣的價電子排布，從而變得更加穩(wěn)定。1914—1919年，路易斯等科學家創(chuàng)立和發(fā)展了原子價的電子理論，要點如下：（1）原子價可以分為共價和電價2種，共價是由2個原子共用一對電子構成的，電價是由正負離子間的庫侖引力構成的。（2）原子在化合時失去、獲得或共享電子，以使它的電子結構與周期表中最接近的惰性氣體原子的電子結構相同 [1]。

后來，隨著物質結構理論的發(fā)展，人們對原子之間相互作用的本質的認識不斷深化，化合價不斷發(fā)展，并分裂出幾個新概念，其中最重要的是氧化數。近來，不斷有人建議將中學教材中化合價用氧化數取代 [2]，筆者所在學校認為，中學化學教學的意義就是要讓學生在學習化學過程中，不僅習得知識，更重要的是能夠在化學學習中感受到人對自然的認識過程，以及人在與自然的交流過程中所進行的那些合乎認知規(guī)律的創(chuàng)造過程 [4]。鑒于化合價這一化學核心概念對認識物質結構、化學反應等具有的重要的意義，教學時在尊重人類對自然認識過程的基礎上，將人類對元素組合成化合物規(guī)律進行適當的篩選，讓學生理解并充分參與化合價概念形成的過程，不僅可以很好把握化合價這一物質結構的核心概念，而且能充分發(fā)揮它對學生掌握物質結構、氧化還原反應等知識的核心作用?？梢姡蟽r與氧化數各有利弊。

二、對化合價教學內容的思考

2011年版《義務教育化學課程標準》規(guī)定，“化合價”的內容標準是能說出幾種常見元素的化合價，活動探究建議為根據化合價寫出常見化合物的化學式 [2]。人教版教材中化學式和化合價屬同一課題，位于課題第二部分的化合價部分先介紹化合物有固定的組成，并舉例說明形成化合物的元素有固定的原子個數比，介紹通過化合價可以認識化合物中不同元素的原子個數比間的規(guī)律，接下來重點以表格形式列舉了一些常見元素和根的化合價，并介紹了確定物質中元素化合價的一些注意點。

高中人教版教材化學1（必修）要求：①能根據反應前后元素化合價有無變化，判斷反應是否為氧化還原反應，并能結合具體反應分析理解元素化合價升、降是該元素原子失去（或偏離）、獲得（或偏向）電子的過程；②能配平簡單的氧化還原反應方程式?；瘜W2（必修）要求：能結合元素的主要化合價等有關數據和實驗事實認識元素周期律。選修3要求：能應用一些電離能數據分析原子逐級增大的電離能和化合價之間的內在聯系，從而進一步認識元素主要化合價的周期性變化。

可見，現行初中教材和高中教材對化合價的要求銜接得不是很好，甚至是脫節(jié)的。現行初中教材是將化合價定位于工具性概念，淡化定義，重在應用其書寫化學式。實際教學中，教師只是想辦法編出順口溜讓學生記住化合價為書寫化學式服務，并不要求學生理解化合價，學生也不知道化合價的概念，筆者在高二理科實驗班教學時曾問學生化合價概念，全班竟無一人知道，哪怕是描述性語言也不能。這種不注重概念形成性的教學，學生當然不能很好把握，自然也就缺少概念的可發(fā)展性。如氧化還原反應概念的建立，伴隨著學生對相關化學反應的認識由表及里，逐步遞進的過程，不斷深入的氧化還原概念能越來越清晰地揭示出氧化還原反應的實質，但由于初中學習不注重化合價概念的形成，學生很難將起源于經驗與直觀的氧化反應、還原反應，衍變?yōu)榛蟽r升降的表觀形式，從而擴大概念的外延；更難追溯化合價升降的本質是電子的得失，從而理解概念的內涵。在初中教學中，如果能夠追尋人類詢問自然的足跡，將“化合價”的教學立足在學生已有的原子結構的基礎上，從人們對惰性氣體化學穩(wěn)定性的認識出發(fā)，探討自然界中的活潑金屬原子、非金屬原子在追求化學穩(wěn)定性過程中的可能行為，初中學生完全可以在理解的基礎上建立化合價的概念，高中教學時在應用化合價解決氧化還原反應、化學鍵、元素周期律等相關問題的過程中進一步加深對化合價的理解，同時，在原電池、電解池、電離能等課題教學中要注意為化合價概念提供實驗事實。這樣，不僅有利于學生建立完整的化合價概念，期間經歷的實驗探究、證據推理、模型認知、宏微結合等教學過程也更有利于提升學生的化學核心素養(yǎng)。

三、元素化合價的主要教學片段設計

化合價概念的教學是從惰性氣體穩(wěn)定結構的學習開始的。學生們在聆聽了“小數點后面的重量——惰性氣體的發(fā)現”的故事后，對科學家通過嚴格測量來源不同的氮氣密度的細小差異性，發(fā)現了化學性質特別穩(wěn)定的惰性氣體家族成員非常贊嘆，同時自然提出一個問題，惰性氣體化學性質特別穩(wěn)定的原因是什么？教師可呈現零族元素的原子結構示意圖，讓學生觀察惰性氣體元素原子結構的共性，從而找到惰性氣體元素的原子最外層都有8個電子（氦只有2個）的重要規(guī)律。接著呈現堿金屬元素的原子結構示意圖，讓大家討論堿金屬元素的原子為了追求結構的穩(wěn)定性可能會采取怎樣的行動？學生不難想到堿金屬元素的原子只要失去最外層的1個電子就可以形成惰性氣體的穩(wěn)定結構。失去電子意味著電子可以移動，同學們的已有認知中有金屬元素的電子移動的經驗嗎？金屬導電性的常識性知識讓學生對金屬原子價電子可失去性的邏輯推演有了可信的實驗基礎。那么，非金屬元素如何追求結構的穩(wěn)定性呢？類似的鹵素原子結構示意圖的討論，容易讓學生想到非金屬元素可以通過得到一定數目的電子達到惰性氣體的穩(wěn)定結構，此時教師提出當鈉原子與氯原子相互碰撞會發(fā)生什么，學生們對鈉原子與氯原子通過碰撞轉移價電子形成離子的過程充滿了過程的想象，對氯化鈉的化學式有了真正的理解，接著依次展開的是鎂原子與氟原子，鉀原子與氧原子，鈣原子與硫原子三組原子碰撞中價電子轉移及化學式書寫的研究，之后，教師水到渠成地介紹在離子化合物中化合價概念的內涵，離子化合物中離子所帶的電荷數，稱做該元素的化合價，并通過討論得出離子化合物中化合價的相關知識：一般來說，金屬原子在變成離子時，總是失去最外層電子達到惰性氣體的電子排布結構，形成陽離子；非金屬原子在變成離子時，總是獲得電子，使最外層電子達到惰性氣體的電子排布結構，形成陰離子。在離子化合物中，陽離子所帶的正電荷的總數（正化合價）與陰離子所帶的負電荷的總數（負化合價）相等。即：離子化合物中，正、負化合價的代數和為零。接著，教師要學生從Na、K、Mg、Ca、F、Cl、O、S原子中任選一種金屬元素原子、一種非金屬元素原子，將其組合成相應的離子化合物，學生們在理解化合價概念形成的基礎上寫出了好多合乎要求的化學式，第一次看到了自然界中原子在形成化合物過程中的組合行為，理解了金屬元素原子和非金屬元素原子化合時，一種金屬元素一定數目的原子與另一種非金屬元素一定數目原子化合時的“價”。用元素化合價書寫化學式知識是規(guī)則性概念，規(guī)則性概念教學主要是接受性學習，但在上述教學設計中，學生們主動參與了規(guī)則制定的過程，自然更容易把握規(guī)則的科學性，實現了規(guī)則性概念的意義建構。

非金屬元素化合價知識的教學，是從“非金屬元素之間怎樣相互作用形成惰性氣體穩(wěn)定結構”的問題討論開始的。首先以H原子和Cl原子相互碰撞形成穩(wěn)定的HCl為例，學生們在經歷解決Cl原子想得到1個電子獲得穩(wěn)定結構，而H原子也想得到1個電子獲得穩(wěn)定結構的難題時，不禁贊嘆自然界的思想境界，合作共贏，形成1對共用電子對。在同樣用原子結構示意圖的方式表示出H原子和Cl原子之間通過形成1對共用電子對達到穩(wěn)定結構的過程后，接著展開的是F、O、N、C四種原子中任一原子與合適數目H原子的組合，學生們畫出四種原子結構示意圖，嘗試通過與H原子形成合適數目的共用電子對獲得穩(wěn)定結構，進而得到相應分子的分子式，在數形結合的分析中，學生們漸漸理解自然界中原子組合的定量規(guī)則，體驗著與自然達到一種默契的喜悅之情。再討論O、N、C三種原子中任一原子與合適數目F原子的組合，學生們有了先前H原子與Cl原子均可通過形成1對共用電子對獲得穩(wěn)定結構知識經驗，很快成功寫出了自己或許并不認識但卻堅信自然界中存在的分子式，享受著遷移學習的快樂。在自然的學習狀態(tài)中，學生們沿著教師教學的思路，開始嘗試非金屬原子之間其它的組合方式，C原子與O原子的組合，C原子需要形成四對共用電子對，O原子需要形成兩對共用電子對，加之CO2是學生們非常熟悉的物質，學生們開始意識到自然界原子在組合的過程中，原子之間共用電子對的數目不一定是1對，（CN）2分子式的推導展現出智慧的光芒，而CO、NO、NO2化學式無法解釋的困惑為高中課程繼續(xù)學習激發(fā)了動機。

此時，化合價的另一種表現形式已經呼之欲出了，分子中不同種元素之間形成共用電子對的數目，也叫化合價，其中吸引電子能力強的原子上會帶部分負電荷，顯負化合價，吸引電子能力弱的原子上會帶部分正電荷，顯正化合價，化合價的數值等于共用電子對的數目。同種非金屬原子之間的組合此時也已水到渠成，學生們結合原子結構意圖能從容判斷出H2、Cl2、O2、N2分子中原子間的共用電子對數，但由于同種原子吸引電子的能力相同，共用電子對沒有偏移，化合價沒有正負，規(guī)定為0。再對H2O2、N2H4、C2H6、C2H4、C2H2等化合物中雙中心非金屬元素化合價反常原因進行討論，學生在推算雙中心原子間共用電子對數目的過程中進一步加深了對化合價正負的理解。

高中氧化還原反應概念的建立是對元素化合價認識的進一步提升，教學時可以從回顧原子在組合成物質中產生化合價談起，進一步討論，物質在發(fā)生化學反應時，伴隨著反應物的原子通過重新組合形成生成物，元素的化合價是否發(fā)生變化。學生們通過對初中所學常見反應化合價的分析，發(fā)現可以根據化學反應中元素化合價是否發(fā)生變化將化學反應分成兩大類，一大類反應中元素化合價發(fā)生變化，包含初中所學的氧化反應、還原反應、置換反應等，另一類反應中元素化合價不發(fā)生變化，包含復分解反應等。由此發(fā)現了自然界中原子在一定條件下優(yōu)化組合的另一個秘密，元素化合價有變有不變，由此自然而然引入氧化還原反應概念，在接下來進一步探尋反應中化合價升降的規(guī)律時，學生們再次發(fā)現了其和原子在結合成物質中元素化合價的變化規(guī)律相似，氧化還原反應過程中元素化合價的升降守恒。后續(xù)教材中結合元素周期表認識元素化合價，實現了對元素化合價的系統性認識。原電池中電流的檢測及逐級增大的電離能實驗數據的分析為元素化合價最終給出了實驗依據。

愛因斯坦說過：“組合作用似乎是創(chuàng)造性思維的本質特征?！睂W生們在化合價的系統化學習過程中，了解著自然界以不多種類的原子通過組合創(chuàng)造豐富物質世界的原因，體驗著自然的魅力，對進一步了解自然充滿信心。