計從斌 余煥煥 林建芬

[摘 要]

通過“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)培養(yǎng)學生思維邏輯的嚴密性，從標準熱力學數(shù)據(jù)、鍵能、離解能等角度，闡述甲烷與氨氣的熱穩(wěn)定性反常現(xiàn)象的原因，豐富和發(fā)展氫化物穩(wěn)定性判斷的方法。

[關鍵詞]

高中化學;證據(jù)意識;穩(wěn)定性

一、研究背景

《普通高中化學課程標準（征求意見稿）》指出，化學核心素養(yǎng)由“宏觀辨識與微觀辨析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學精神與社會責任”這五個要素構成。其中，“證據(jù)推理”核心素養(yǎng)要求學生具有證據(jù)意識，初步學會收集各種證據(jù)，能基于證據(jù)對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;能解釋證據(jù)與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑;建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系;知道可以通過分析、推理等方法，認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系。

氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性大小比較是中學化學教學中常遇見的問題，也是培養(yǎng)學生基于證據(jù)意識研究物質結構與性質的能力的優(yōu)質教學素材。很顯然，這里所指的穩(wěn)定性是指熱穩(wěn)定性，而非化合物的反應活性。筆者在教材分析與備課研究中，從現(xiàn)行三種高中化學教材（人教版、蘇教版、魯科版）引入氫化物穩(wěn)定的敘述中就已充分體現(xiàn)出此概念的含義，相關文獻也有進一步的描述。根據(jù)元素周期律，同一周期或同一主族的非金屬元素，隨著元素原子序數(shù)的增加，元素的非金屬性逐漸增強，元素對應的氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性也逐漸增強。然而在第二周期中，氮元素非金屬強于碳元素，對應的氫化物穩(wěn)定性NH3應該強于CH4，但NH3和CH4的分解溫度分別為1073 K、1273 K，這就說明CH4的穩(wěn)定性強于NH3，此結果與元素周期律相悖。吳孫福等人從中心元素的電負性、實驗事實、C-H和N-H的鍵能等角度，闡述了CH4與NH3穩(wěn)定性強弱原因。

筆者通過查閱文獻與教材分析的雙重實證研究中，認為需要補注幾種證據(jù)從而進行多方位解釋，并得出通過三種方式引導學生基于證據(jù)意識對甲烷與氨氣穩(wěn)定性進行系統(tǒng)研究與學習，提高優(yōu)質學生的思考維度，同時也為教師備課提供參考。這三種實證研究渠道分別為：分子型氫化物標準熱力學數(shù)據(jù)、鍵能與離解能數(shù)據(jù)、元素的電負性與分子的極性。

二、分子型氫化物標準熱力學數(shù)據(jù)

簡單分子型氫化物完全熱分解產(chǎn)物通常是單質，根據(jù)ΔH?=ΔH?f生成物-ΔH?f反應物=-ΔH?f反應物，該化合物的生成熱即是熱分解反應熱的負值。由于ΔG? = ΔH?-TΔS?，單質的熵都很小，對反應影響較小，故可忽略ΔS項， 因此ΔG? = ΔH? = -ΔH?f反應物，故可用-ΔH?f反應物來判斷氫化物熱穩(wěn)定性問題，化合物的生成熱負值越大， 其熱穩(wěn)定性越高，表1列出了第二周期常見非金屬元素的氣態(tài)氫化物的標準熱力學數(shù)據(jù)。

表1 第二周期元素的氫化物標準熱力學數(shù)據(jù)

[氫化物 CH4 NH3 H2O HF △H? （KJ/mol） -74.9 -46.2 -242 -269 分解溫度 /K 1273 1073 1273 不分解 ]

表1數(shù)據(jù)顯示，同一周期非金屬元素隨原子序數(shù)的增大，其氫化物的反應熱的大小與分解溫度大小變化是一致的。因此用生成熱判斷分子型氫化物的熱穩(wěn)定性是可行的。

三、分子型氫化物鍵能與離解能

鍵能是從能量方面對共價鍵強弱進行量度的重要參數(shù)。同一分子中的不同鍵和不同分子中的同一種類型鍵的鍵強度都是不同的;一般而言，鍵能越大，鍵越強越穩(wěn)定。對于ABn 型分子來說，分子中各鍵的鍵能是相同的， 且鍵能具有加和性，故分子的總鍵能是各個鍵的鍵能之和：E = ΣEAB，即EAB= E/n。

對于雙原子分子（A2或AB型分子）來說鍵能和離解能在數(shù)值上相等，符號相反，但在ABn（n ≥ 2）型分子中情況就不一樣了。鍵能和離解能是兩個不同的概念，但它們有一定的關系，鍵能的數(shù)據(jù)一般從測定其離解能求得，如表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，從總鍵能和鍵能、離解能的數(shù)據(jù)均說明了CH4穩(wěn)定性要強于NH3，利用總鍵能、鍵能和離解能判斷分子型氫化物的熱穩(wěn)定性也是可行的，這與利用標準熱力學數(shù)據(jù)判斷方法得出的結論一致。

四、元素的電負性與分子的極性

關于分子型氫化物的穩(wěn)定性有文獻指出，非金屬與氫的電負性差值越大，組成的氫化物分子的極性就越大，其熱穩(wěn)定性也越大;反之，這個差值越小則越不穩(wěn)定。表3列出了第二周期常見非金屬氫化物的電負性與分子偶極矩的數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻提出的規(guī)律，CH4的穩(wěn)定性比NH3的要弱，但是從氫化物分解的溫度來看，這是相互矛盾的。吳孫福等人解釋CH4與NH3利用電負性與熱穩(wěn)定性的矛盾關系時，指出CH4是因為其分子結構高度對稱，分子偶極矩為零，從而導致分子比較穩(wěn)定，但表3的數(shù)據(jù)顯示了分子的偶極矩越大熱穩(wěn)性越強的趨勢。

因此，元素的電負性與分子的極性只能作為一般規(guī)律使用，不能解釋氫化物熱穩(wěn)定性的本質。

五、教學建議

化學教學不只是傳授化學知識、技能和方法;設計組織實驗、開展科學探究活動也不只是讓學生動手，學習諸如觀察、推斷和實驗等各種探究技能和方法。要引導學生通過探究學習活動，經(jīng)歷科學發(fā)現(xiàn)和探究的基本過程，在活動中認識和理解科學的本質。

高中教師在課堂上要選擇化學概念與原理作為內(nèi)容載體，通過設置若干核心問題驅動學生“證據(jù)導向式”論證活動，學生在科學探究和數(shù)據(jù)分析的論證過程中，培養(yǎng)證據(jù)意識、提升邏輯推理和論證能力。

總之，在中學基礎化學中，存在許多一般規(guī)律和特殊規(guī)律，教師在備課思考時應多角度不同層面去佐證，化學基本概念與原理中一般與特殊關系矛盾與統(tǒng)一關系，是否符合中學生認知范疇都是要考慮的。

[參 考 文 獻]

[1]宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書?化學2（必修）[M].北京：人民教育出版社，2014.

[2]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書?化學2（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2008.

[3]王磊.普通高中課程標準實驗教科書?化學2（必修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2008.

[4]張莉.是否可用化合物的生成熱判斷其熱穩(wěn)定性[J].安慶師范學院學報（自然科學版），1996（3）.

[5]趙元力，周享春.常見元素的氫化物及其特性[J].長江大學學報（自然科學版），2004（1）.

[6]吳孫富，張道林.CH4與NH3穩(wěn)定性的比較[J].化學教育，2008（5）.

（責任編輯：張華偉）