中學(xué)化學(xué)教師對(duì)化合價(jià)概念理解的訪談研究

楊季冬 王后雄??

摘要： 化合價(jià)是化學(xué)學(xué)科中的一個(gè)重要概念，通過對(duì)15名中學(xué)教師的訪談發(fā)現(xiàn)： （1）中學(xué)教師對(duì)于化合價(jià)的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的要求上；（2）教師易混淆化合價(jià)與氧化值的概念，但是對(duì)此混淆情況教師自身很難察覺。針對(duì)結(jié)果建議： （1）師范生培養(yǎng)階段應(yīng)加強(qiáng)核心概念、重要概念的深入學(xué)習(xí)；（2）教師職后發(fā)展階段要有問題意識(shí)，注重多渠道提高化學(xué)學(xué)科理解能力；（3）教師在理解基礎(chǔ)上階段性把握相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)教師； 化合價(jià)； 氧化值； 化學(xué)概念教學(xué)

文章編號(hào)： 10056629（2018）8002005 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

開展基于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)，對(duì)化學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，要求教師進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解[1]。增進(jìn)對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解既包括對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解。化合價(jià)是化學(xué)學(xué)科中的一個(gè)重要概念，進(jìn)行化學(xué)學(xué)習(xí)、從事化學(xué)相關(guān)工作都離不開化合價(jià)。本文通過訪談?wù){(diào)查教師對(duì)于化合價(jià)概念的理解，以此提出關(guān)于增進(jìn)教師對(duì)化學(xué)學(xué)科理解的建議。

1 相關(guān)概念

1.1 化合價(jià)

化合價(jià)是解決分子性質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，探討化合價(jià)有著悠久的歷史。第一個(gè)明確提出相關(guān)概念的是英國(guó)化學(xué)家弗蘭克蘭。后來(lái)，凱庫(kù)勒、庫(kù)帕（Kolbe）、邁爾（Meyer）等人都為化合價(jià)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，隨著人們對(duì)化學(xué)鍵本質(zhì)理解的深入，關(guān)于化合價(jià)的理解也因此加深。路易斯在他所著的《化合價(jià)與原子分子結(jié)構(gòu)》中提到在有機(jī)化學(xué)中，原子的化合價(jià)被定義為該原子與其他原子所形成的鍵的數(shù)目，這也可以應(yīng)用于無(wú)機(jī)化合物[2]。西奇威克（Sidgwick）在其出版的《化合價(jià)的電子理論》（The Electronic Theory of Valency）中寫到：“化合價(jià)是一個(gè)用來(lái)描述原子相互作用形成分子的能力的一個(gè)術(shù)語(yǔ)?！辈⒖偨Y(jié)說(shuō)： 總的來(lái)看，關(guān)于化合價(jià)最好的定義是某原子的化合價(jià)是其參與成鍵形成分子時(shí)所使用的電子數(shù)[3]。鮑林在他所著的《化學(xué)》中對(duì)原子價(jià)（共價(jià)）的定義為： 一種元素的原子價(jià)（共價(jià)）是指它的1個(gè)原子和其他原子形成的共價(jià)鍵數(shù)[4]。

根據(jù)上述內(nèi)容，在本文中化合價(jià)理解為一個(gè)用來(lái)描述原子相互作用形成分子的能力的術(shù)語(yǔ)，具體的取值方式為： （1）離子化合物中各離子的電價(jià)，在數(shù)值上等于該離子所帶的電荷數(shù)，得電子取負(fù)，失電子取正；（2）共價(jià)鍵相對(duì)應(yīng)的化合價(jià)為共價(jià)，其數(shù)值為該原子形成化合物時(shí)，與其他原子所形成的鍵的數(shù)目。

1.2 氧化值

根據(jù)上述對(duì)化合價(jià)的定義，要想確定分子中某元素的化合價(jià)，則先需要知道該分子的結(jié)構(gòu)。在分析氧化還原反應(yīng)時(shí)，有些復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)不易確定，這樣也就難以確定原子成鍵形成分子時(shí)所使用的電子數(shù)，即難以確定化合價(jià)。于是，格拉斯通（S. Glasston）在1948年提出用氧化值代替氧化還原反應(yīng)配平時(shí)的價(jià)數(shù)。1970年，國(guó)際化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）定義了氧化值的概念： 氧化值是某元素1個(gè)原子的電荷數(shù)，這種電荷數(shù)由假設(shè)把每個(gè)鍵中的電子指定給電負(fù)性更大的原子而求得[5]。

僅從定義來(lái)看，確定氧化值依然不是很方便，因此人們據(jù)此提出了更為具體實(shí)用的規(guī)則。慣例是[6]：

（1） 先確定陽(yáng)離子，然后是陰離子；

（2） 單質(zhì)中元素的氧化值是0；

（3） 單原子離子的氧化值等于離子的電荷；

（4） 化合物中氫的氧化值通常是+1；

（5） 化合物中氧的氧化值通常是-2；

（6） IA族元素的氧化值為+1；

（7） IIA族元素的氧化值為+2；

（8） VIIA族元素的氧化值為-1，除非這種元素與一種具有更高電負(fù)性的元素相結(jié)合；

（9） 中性化合物中所有原子的氧化值之和為0；

（10） 在一個(gè)原子團(tuán)中各元素的氧化值的和等于離子的電荷。

1.3 化合價(jià)與氧化值的區(qū)別

1.3.1 意義不同

雖然化合價(jià)的確定規(guī)則有所變遷，但其意義的內(nèi)核沒有改變，即化合價(jià)是一個(gè)用來(lái)描述原子相互作用形成分子的能力的術(shù)語(yǔ)，不同的定義只是從不同的角度來(lái)闡釋它。從西奇威克的定義可以看出，化合價(jià)是研究分子的一個(gè)重要的量，因?yàn)樗芊从吵鲈釉诔涉I過程中所使用的電子數(shù)。由此也可看出，化合價(jià)與物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)有關(guān)，要確定原子的化合價(jià)不能僅根據(jù)化合物的分子式，而是需要確定化合物合理的分子結(jié)構(gòu)。而氧化值則是根據(jù)一定的規(guī)則計(jì)算出來(lái)的，它避開了具體物質(zhì)結(jié)構(gòu)，也不必考慮化學(xué)鍵的類型，反映的是化合物中元素整體的形式上的電荷數(shù)，為解決很多氧化還原問題提供了便利。

1.3.2 取值不同

在一些情況下，原子的化合價(jià)取值可能恰好等于它的氧化值（指的均為絕對(duì)值，以下同），但實(shí)際上在很多情況下，這種“等值”不成立?；蟽r(jià)與氧化值在以下情況下不一致： （1）相同的原子成鍵；（2）配體原子（非中心原子）具有相反的電荷；（3）分子（基團(tuán)）本身帶有電荷，而配位原子視為陽(yáng)離子；（4）由二者取值范圍引起的差異，化合價(jià)表示原子成鍵時(shí)所使用的電子數(shù)，因此只能為非零整數(shù)，而氧化值關(guān)注的形式電荷，可以為整數(shù)或分?jǐn)?shù)。具體情況及舉例可見表1。

表1 化合價(jià)與氧化值不一致的原因及舉例

原 因舉 例

（1） 相同的原子成鍵N2中N的化合價(jià)為3價(jià)，氧化值為0；Me4C中C的化合價(jià)為4價(jià)，氧化值為0

（2） 配體原子（非中心原子）具有相反的電荷CH2Cl2中C的化合價(jià)為4價(jià)，氧化值為0

（3） 分子（基團(tuán)）中有配位鍵[NH4]+中N的化合價(jià)為5價(jià)，氧化值為-3

（4） 由二者取值范圍引起的差異Fe3O4中Fe的化合價(jià)為+2、+3價(jià)，氧化值為+8/3

1.3.3 應(yīng)用不同

化合價(jià)的產(chǎn)生源于人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵本質(zhì)認(rèn)識(shí)加深，化合價(jià)的概念也隨之發(fā)展，因此化合價(jià)對(duì)于分析分子結(jié)構(gòu)、分子性質(zhì)等問題較為有效。而氧化值的概念則是由化合價(jià)發(fā)展而來(lái)的，它的提出主要是為氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題的解決提供便利。

例如，NH3中N的化合價(jià)為3價(jià)，這表明N在成鍵過程中使用了3個(gè)電子。而N的價(jià)層電子數(shù)是5，說(shuō)明有兩個(gè)未成鍵的孤對(duì)電子，所以NH3還能額外成鍵，在配位化學(xué)中它是一個(gè)很好配體。

若某原子的化合價(jià)大于其價(jià)層電子數(shù)，要么其分子式錯(cuò)誤，要么就是不能用“兩中心兩電子”的共價(jià)鍵表示。比如B2H6，若將其電子式表示為如圖1所示，則B的化合價(jià)為4價(jià)，大于B的價(jià)層電子數(shù)3，因此這種結(jié)構(gòu)有誤，實(shí)際上其中包含兩個(gè)“三中心兩電子”的氫橋鍵。

又如，根據(jù)氧化值的取值規(guī)則，C元素的氧化值可由-4到+4，比如CH4中C的氧化值為-4，而CCl4中C的氧化值為+4，而氧化值是否能說(shuō)明它們分子性質(zhì)的差異呢？例如我們一般不會(huì)把CH4作為還原劑，也不會(huì)把CCl4作為氧化劑，因?yàn)樵斐蛇@種差異是H的氧化值取了+1， Cl的氧化值取了-1。再比如Me4C和CH2Cl2都含有氧化值為0的碳，但兩者的化學(xué)性質(zhì)沒有多少共同點(diǎn)。這些例子都表明氧化值并不能使我們深入了解分子性質(zhì)。

再如，S2O2-3+2H+SO2+S+H2O，此化學(xué)方程式的計(jì)量數(shù)是客觀事實(shí)，在解決配平問題時(shí)根據(jù)氧化值的規(guī)則，將反應(yīng)物中S的氧化值視為+2可使這個(gè)問題簡(jiǎn)化。若用化合價(jià)解決該問題，由于硫代硫酸根中兩個(gè)S的結(jié)構(gòu)不同，化合價(jià)也不同，雖然也能解決問題，但過程相對(duì)復(fù)雜，邏輯也會(huì)變得復(fù)雜。可見，氧化值正是繞過了結(jié)構(gòu)問題，關(guān)注整體的電荷，因此讓相關(guān)問題變得簡(jiǎn)潔。

2 研究設(shè)計(jì)

本研究采用訪談法探究教師對(duì)化合價(jià)和氧化值的混淆情況，具體情況如下。

2.1 研究對(duì)象

本研究選擇了15名化學(xué)教師作為訪談對(duì)象，其中初中教師7人，高中教師8人，男教師5人，女教師10人。

2.2 訪談設(shè)計(jì)

訪談內(nèi)容主要是根據(jù)前文分析的化合價(jià)與氧化值的區(qū)別來(lái)設(shè)計(jì)的，其目的是探查教師對(duì)兩者是否混淆以及如何混淆。訪談的問題主要包括：

（1） 你能說(shuō)出化合價(jià)的定義嗎？

（2） 請(qǐng)標(biāo)出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的化合價(jià)。你取值的依據(jù)是什么？

（3） 你能說(shuō)出化合價(jià)在化學(xué)領(lǐng)域中的作用嗎？

（4） 你還記得氧化值（數(shù)）的概念嗎？請(qǐng)說(shuō)明。

（5） 請(qǐng)標(biāo)出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的氧化值。

2.3 數(shù)據(jù)收集

本研究中數(shù)據(jù)的收集主要是在訪談過程中進(jìn)行及時(shí)的紙筆記錄，另外，也運(yùn)用了錄音筆來(lái)記錄語(yǔ)音信息。數(shù)據(jù)整理好后與參與者進(jìn)行了確認(rèn)。之后，主要依靠歸納對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 研究結(jié)果

3.1 化合價(jià)的定義問題

在被問及化合價(jià)定義時(shí)，教師的回答可以分為三種情況（見表2）。第一種情況是不知道定義是什么。第二種情況是把化合價(jià)理解為元素間相互化合時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的一種性質(zhì)，比如有教師說(shuō)：“我記得好像是描述元素間相互化合的性質(zhì)?！钡谌N情況是教師在第二種情況的基礎(chǔ)上還給出了化合價(jià)取值的方式，比如有一名教師提到：“化合價(jià)是以一個(gè)H原子為單位，其他原子結(jié)合H原子個(gè)數(shù)是化合價(jià)?！?/p>

實(shí)際上，上述三種答案是遞進(jìn)的。大多數(shù)教師能從化合價(jià)基本功能的角度給出化合價(jià)定義，這也可以看作是將初中教科書上的說(shuō)法進(jìn)行了延伸。而如何取值這部分內(nèi)容在教科書上是以舉例的方式給出的，因此只有少數(shù)的教師能夠較為科學(xué)地描述取值依據(jù)。

3.2 化合價(jià)的取值問題

讓教師對(duì)具體化合物中的元素化合價(jià)進(jìn)行標(biāo)注有助于我們了解他們對(duì)化合價(jià)的具體理解情況。教師給出的結(jié)果如表3所示。六個(gè)化合物中，NaCl、 CCl4、 CH4、 N2這四個(gè)物質(zhì)他們給出的答案是一致的。CH2Cl2教師給出的答案則不太確定，而Fe3O4則出現(xiàn)兩種答案。根據(jù)化合價(jià)的定義NaCl中Na為+1， Cl為-1， Fe3O4中Fe化合價(jià)為+2和+3， CCl4、 CH2Cl2、 CH4中C化合價(jià)為4， N2中N化合價(jià)為3，由此看出教師大多數(shù)的回答存在問題。而這些問題均可以用教師“混淆了化合價(jià)與氧化值的取值方式”來(lái)解釋。比如所有的教師都認(rèn)為N2中N的化合價(jià)為0，根

據(jù)化合價(jià)的定義應(yīng)該為3，而根據(jù)氧化值的取值方式才為0；再比如有教師認(rèn)為Fe3O4中Fe的化合價(jià)為+8/3，這是典型的按照氧化值取值方式的結(jié)果。

由于在詢問定義的階段許多教師并沒說(shuō)明化合價(jià)該如何取值，因此結(jié)合這些具體的例子我們補(bǔ)充詢問了教師取值的依據(jù)。其中有10名教師的依據(jù)是“背化合價(jià)表”，比如有教師說(shuō)：“我是根據(jù)背的價(jià)態(tài)表，我認(rèn)為這些值是人為的。”由此可以看出這種取值依據(jù)實(shí)際上是氧化值的取值慣例，而他們并不會(huì)主動(dòng)從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮。

3.3 化合價(jià)的應(yīng)用問題

關(guān)于化合價(jià)應(yīng)用的問題，根據(jù)15位教師的回答可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)： （1）書寫化學(xué)式；（2）解決氧化還原反應(yīng)的相關(guān)問題，比如判斷電子轉(zhuǎn)移情況、誰(shuí)是氧化劑、誰(shuí)是還原劑等；（3）解釋物質(zhì)的性質(zhì)。具體情況及人數(shù)見表4。其中“書寫化學(xué)式”所有的教師均提到此點(diǎn)，這是對(duì)化合價(jià)應(yīng)用的基本要求；而回答“解決氧化還原反應(yīng)問題”的有11名教師，實(shí)際上這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是氧化值的應(yīng)用。有3名教師提到化合價(jià)可以“解釋預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)”，比如有教師舉例說(shuō)：“比如Cl2處于中間價(jià)態(tài)，因此可以發(fā)生歧化反應(yīng)，再比如可以解釋一些歸中反應(yīng)。”

結(jié)合前文對(duì)化合價(jià)應(yīng)用的分析可以看出，教師對(duì)化合價(jià)的應(yīng)用了解的并不豐富，大多數(shù)教師能夠想到的應(yīng)用只是中學(xué)里的要求，這是教師對(duì)化合價(jià)理解不深的必然結(jié)果。

3.4 氧化值的訪談情況

關(guān)于“氧化值”的訪談結(jié)果如表5所示。其中12名教師直接表示并不知道氧化值（數(shù)），1名教師表示：“聽過氧化值，但中學(xué)不用，所以說(shuō)不了概念?！倍?名教師則認(rèn)為氧化值和化合價(jià)是一樣的，沒什么區(qū)別?；谶@種情況，接受訪談的教師實(shí)際上均未直接回答訪談設(shè)計(jì)中的問題（5），因?yàn)閷?duì)于幾乎不知道氧化值是什么的教師，則無(wú)法回答，對(duì)于認(rèn)為氧化值就是化合價(jià)的教師，則在回答化合價(jià)時(shí)已經(jīng)回答。對(duì)此查閱了一些大學(xué)教材，比如由北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)共同編著的《無(wú)機(jī)化學(xué)》中指出：“我們?cè)诟咧谢瘜W(xué)里學(xué)到過，氧化還原反應(yīng)的基本特征是反應(yīng)前后元素的‘化合價(jià)發(fā)生變動(dòng)。這種‘化合價(jià)是帶正負(fù)號(hào)的，可稱為‘正負(fù)化合價(jià)。1970年，國(guó)際化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）建議將這種‘正負(fù)化合價(jià)改稱為‘氧化值。[7]”可見，中學(xué)的“化合價(jià)”并不是真正意義上的化合價(jià)，而是“正負(fù)化合價(jià)”，而之后被稱為氧化值。對(duì)于這些概念的產(chǎn)生及來(lái)源不明晰的教師而言，會(huì)從這段文字中產(chǎn)生一種氧化值和化合價(jià)本質(zhì)相同的錯(cuò)覺，只是說(shuō)法不同而已。這可能是造成許多教師本科階段學(xué)習(xí)了氧化值，但之后對(duì)氧化值沒印象的原因。

4 結(jié)論

上述結(jié)果表明： （1）中學(xué)教師對(duì)于化合價(jià)的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生的要求上。也就是說(shuō)，教師在化合價(jià)概念的理解方面并不比經(jīng)過相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)的學(xué)生深刻。其主要表現(xiàn)為： 大多數(shù)教師只能定性地描述化合價(jià)的定義，在化合價(jià)的取值方面教師主要是使用背“化合價(jià)”口訣的方法來(lái)取值，而應(yīng)用方面表現(xiàn)為教師最多能想到的是書寫化學(xué)式以及解決氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題。（2）教師極易混淆化合價(jià)與氧化值，主要體現(xiàn)在取值方面，教師對(duì)化合價(jià)的取值實(shí)際運(yùn)用的是氧化值的取值規(guī)則，因此運(yùn)用“化合價(jià)”解決問題實(shí)際上是運(yùn)用“氧化值”解決問題，而多數(shù)教師并不熟悉氧化值，少部分教師認(rèn)為氧化值和化合價(jià)是一回事?？梢?，教師對(duì)混淆情況不易察覺。

5 對(duì)增進(jìn)教師化學(xué)學(xué)科理解的建議

中學(xué)教師不熟悉氧化值，所使用的化合價(jià)概念其實(shí)更接近于氧化值概念，主要原因在于： 不同階段對(duì)同一概念的要求，出現(xiàn)很大偏差，客觀上造成理解困難。大學(xué)階段對(duì)于氧化值的介紹較為簡(jiǎn)單，對(duì)化合價(jià)的介紹則幾乎沒有，因此沒有為加深理解創(chuàng)造足夠條件。針對(duì)這一情況，提供如下建議以供參考。

（1） 師范生培養(yǎng)階段應(yīng)加強(qiáng)核心概念、重要概念的深入學(xué)習(xí)。一名學(xué)生在初中時(shí)就會(huì)接觸到“化合價(jià)”的術(shù)語(yǔ)，考慮到學(xué)生的接受能力，不會(huì)涉及其概念問題，但之后的高中階段、本科階段、研究生階段實(shí)際上也都沒有談及化合價(jià)的概念問題，而本科階段所提出的氧化值的概念又與中學(xué)的“化合價(jià)”類似，因此師范生畢業(yè)后走上工作崗位對(duì)這些相關(guān)概念就會(huì)有混淆。在師范生的培養(yǎng)階段可以有意識(shí)地加入核心概念、重要概念發(fā)展過程的教學(xué)內(nèi)容，師范生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容既能夠?qū)Ω拍畹膬?nèi)涵、變遷有詳細(xì)的了解，也能在概念的發(fā)展過程中領(lǐng)悟到化學(xué)學(xué)科的思維方式方法，從而在職前增進(jìn)教師對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解。

（2） 教師職后發(fā)展階段要有問題意識(shí)，注重多渠道提高化學(xué)學(xué)科理解能力。教師入職以后直接參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)少于在校期間，但在工作中實(shí)際上也會(huì)有許多的資源來(lái)促使教師提高對(duì)化學(xué)的學(xué)科理解，而這需要教師具有問題意識(shí)，注重反思。教科書上描述模糊其實(shí)是一個(gè)很好的抓手，作為教師應(yīng)當(dāng)注重反思，然后查閱相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，除了獲取相關(guān)知識(shí)外，也應(yīng)該結(jié)合學(xué)生情況充分思考教科書描述是否合理；可以充分發(fā)揮備課組的優(yōu)勢(shì)，集體有針對(duì)性地對(duì)學(xué)科知識(shí)理解進(jìn)行探討；通過“名師工作室”、“學(xué)科教研基地”等形式開展教研活動(dòng)，以提升化學(xué)教師學(xué)科理解能力。

（3） 教師應(yīng)在理解基礎(chǔ)上階段性把握相關(guān)問題?；蟽r(jià)的研究歷史悠久，許多化學(xué)大師都對(duì)化合價(jià)的問題進(jìn)行過探討，要全面理解化合價(jià)并非易事。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中“化合價(jià)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是： 能說(shuō)出幾種常見元素的化合價(jià)；能用化學(xué)式表示某些常見物質(zhì)的組成[8]。由此可見，中學(xué)階段把化合價(jià)視為工具性概念，以應(yīng)用為主，而淡化對(duì)其概念的掌握。而教科書也是配合課標(biāo)進(jìn)行的描述，符合課標(biāo)的要求，使用這些概念及運(yùn)算方式基本上能解決中學(xué)階段的各種問題。因此，教師應(yīng)當(dāng)充分地了解相關(guān)概念，但在教學(xué)中則需要階段性地把握該問題，讓所授內(nèi)容在學(xué)生的認(rèn)知范圍以內(nèi)，以幫助學(xué)生順利處理相關(guān)問題。

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