蔣芬芬

(廣西壯族自治區(qū)柳州市民族高中 545006)

1 前言

“元素化合物”知識是化學(xué)必修課程的重要組成部分，在化學(xué)必修一課本的最后兩章內(nèi)容集中學(xué)習(xí)，包括金屬及其化合物和非金屬及其化合物，知識量非常大，學(xué)生學(xué)起來很困難，知識點多而雜，規(guī)律性不強(qiáng)，大部分地學(xué)生都對這部分有畏難情緒.

筆者認(rèn)為在進(jìn)行元素化合物該部分知識的教學(xué)時，“元素化合物知識”僅僅是一個載體，更加重要地是讓學(xué)生通過“元素化合物”知識地學(xué)習(xí)掌握化學(xué)核心觀念的元素觀、分類觀和轉(zhuǎn)化觀.還要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)“元素化合物”知識的過程中深刻體會實驗觀以及價態(tài)觀，并通過該部分知識與環(huán)境保護(hù)方面的息息相關(guān)，建立社會責(zé)任感，體會化學(xué)的價值觀.化學(xué)變化觀概括著人們對化學(xué)變化的特征、本質(zhì)、規(guī)律、價值、研究方法以及有關(guān)認(rèn)識的發(fā)生、發(fā)展等重要問題的認(rèn)識和看法.化學(xué)的變化觀包含物質(zhì)類別之間的變化、能量的變化以及不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，下面以“元素化合物”知識為載體來探討一下其中涉及的價態(tài)觀，如何在“元素化合物”知識部分更好地利用價態(tài)觀.

2 引例分析

把氧化還原反應(yīng)理論融合到“元素化合物”知識中是高中化學(xué)新課程必修一的一個突出特點.初中化學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了四種基本反應(yīng)類型，已經(jīng)認(rèn)識到了元素化合物之間的一些規(guī)律性.在高中化學(xué)課程中元素化合物部分的知識里有很多氧化還原反應(yīng)方程式，學(xué)生很難理解反應(yīng)的特征，無法尋找出反應(yīng)的規(guī)律.在學(xué)習(xí)Na、Al、Fe、Cu、Cl、S、N元素及其化合物時，會遇到很多困惑，面對里面多而雜的化學(xué)方程式，學(xué)生很難找出反應(yīng)的特征和規(guī)律，所以很難記憶這些復(fù)雜的化學(xué)方程式，在書寫化學(xué)方程式的時候就會很困難.如果在高考題中碰到教材里引申出來的相關(guān)聯(lián)反應(yīng)，學(xué)生更是無從下手.在化學(xué)反應(yīng)中，元素的化合價是否發(fā)生變化，很好地體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的多樣性和復(fù)雜性，又揭示了物質(zhì)變化的另一個重要特征.氧化還原反應(yīng)是通過分析元素化合價的變化來尋找這類反應(yīng)的規(guī)律，進(jìn)一步上升到反應(yīng)的本質(zhì)是電子的得失，讓學(xué)生從簡單化合價入手可以更好地幫助學(xué)生找到學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)的方法.通過氧化還原反應(yīng)理論來指導(dǎo)“元素化合物”知識的學(xué)習(xí)，能培養(yǎng)學(xué)生運用“價態(tài)觀”來學(xué)習(xí)化學(xué)的一種思維習(xí)慣.對于一些較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生運用元素“價態(tài)觀”，對問題的解決就容易多了.

二維物質(zhì)關(guān)系圖是以元素為核心的、以價態(tài)和物質(zhì)類別為坐標(biāo)的二維物質(zhì)關(guān)系圖，應(yīng)用于不同元素時，坐標(biāo)會出現(xiàn)變化.以Fe、N、S這三種元素為例，來探討其中所包含的價態(tài)觀.

Fe元素的價態(tài)為0、+2和+3價，與鐵相關(guān)的常見物質(zhì)有單質(zhì)、氧化物、鹽和堿.根據(jù)這些內(nèi)容構(gòu)建Fe的二維關(guān)系圖，如圖1所示.

圖1

Fe容易被氧化劑O2氧化成FeO、Fe2O3、Fe3O4.氧化物又可與非氧化性酸(如：HCl、稀H2SO4等)反應(yīng)生成亞鐵鹽和鐵鹽.兩種不同價態(tài)的鹽之間又可以相互轉(zhuǎn)化.利用價態(tài)觀，以Fe元素為核心的物質(zhì)轉(zhuǎn)化主要有兩種形式：(1)同種價態(tài)不同物質(zhì)類別之間的轉(zhuǎn)化，例如Fe(OH)3和FeCl3的轉(zhuǎn)化、Fe(OH)2和FeCl2的轉(zhuǎn)化，同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化可通過復(fù)分解反應(yīng)達(dá)成，例如酸堿中和反應(yīng)、酸堿與鹽的反應(yīng)；(2)同種元素不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，例如FeCl3與FeCl2的轉(zhuǎn)化.轉(zhuǎn)化則需要通過氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn).亞鐵鹽轉(zhuǎn)化為鐵鹽，則需要加入氧化劑，如氯水、過氧化氫、酸性高錳酸鉀溶液以及硝酸等；而鐵鹽轉(zhuǎn)化為亞鐵鹽，則需要加入還原劑，例如單質(zhì)Fe、Cu、I-、S2-、Vc等.他們的氫氧化物之間也可以互相轉(zhuǎn)化，因為氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，容易被空氣中的O2氧化成氫氧化鐵.

Fe3+、Fe2+的檢驗方法.可以通過兩種方法來進(jìn)行檢驗，第一種是加入NaOH溶液：

第二種方法是加入KSCN溶液，F(xiàn)e3+與SCN-結(jié)合生成血紅色的絡(luò)合物；Fe2+滴加KSCN溶液后無明顯現(xiàn)象，再加入氧化劑氯水、過氧化氫等均可，出現(xiàn)血紅色，則表明原溶液中有Fe2+.根據(jù)物質(zhì)的價態(tài)、所屬類別，通過元素價態(tài)觀直觀地引導(dǎo)學(xué)生體會和預(yù)測已學(xué)過和未學(xué)過物質(zhì)的性質(zhì)，讓學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的一種方法.當(dāng)學(xué)生把關(guān)注轉(zhuǎn)化關(guān)系內(nèi)化為一種觀念，把從價態(tài)和物質(zhì)類別變化的角度認(rèn)識物質(zhì)和反應(yīng)，內(nèi)化為一種思想方法的時候，學(xué)生就找到了高中階段學(xué)習(xí)元素化合物的根本方法.

非金屬元素N也同樣可以利用價態(tài)觀來幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)理解它們之間的關(guān)系.N的價態(tài)主要有-3、0、+2、+3、+4、+5，包含的物質(zhì)類別有氫化物(NH3)、單質(zhì)(N2)、氧化物(NO、NO2)、酸(HNO3)、鹽[Cu(NO3)2]等.據(jù)此構(gòu)建N元素的二維關(guān)系圖，如圖2所示.

圖2

從N元素的二維關(guān)系圖可以看出，氮元素的價態(tài)比較多，涉及的物質(zhì)種類也較多.如果靠簡單記憶可能需要花很多的時間，未必能取得很好的效果.但是如果利用這個二維關(guān)系圖加上化學(xué)核心觀念中的價態(tài)觀，對于學(xué)習(xí)氮的相關(guān)物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化就要容易得多了.

(2)從-3的NH3與+2價氧化物之間的轉(zhuǎn)化，即為氨的催化氧化：

(3)單質(zhì)與氧化物之間的轉(zhuǎn)化：

(4)氧化物與酸之間的轉(zhuǎn)化：

(5)酸與鹽之間的轉(zhuǎn)化：

以價態(tài)為線索，各價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系清楚了，學(xué)習(xí)N元素就容易多了.運用化學(xué)核心觀念之價態(tài)觀，能幫助學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)體系，讓“元素化合物”知識的學(xué)習(xí)變得更加容易.引導(dǎo)學(xué)生將知識網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行延伸，實現(xiàn)由“學(xué)”向“用”，由“是什么”向“為什么”的轉(zhuǎn)變. 讓學(xué)生從中體會元素價態(tài)觀，掌握思考和答題的方法.

非金屬元素S的價態(tài)主要有-2、0、+4、+6，包含的物質(zhì)類別有氫化物(H2S)、單質(zhì)(S)、氧化物(SO2和SO3)、酸(H2SO3和H2SO4)、鹽(CuS、CuSO4)等.據(jù)此構(gòu)建S元素的二維關(guān)系圖，如圖3所示.

圖3

從S元素的二維關(guān)系圖可以看出，硫元素的價態(tài)比較多，涉及的物質(zhì)種類也較多.如果能夠?qū)ξ镔|(zhì)進(jìn)行分類，結(jié)合物質(zhì)類別與價態(tài)之間的關(guān)系，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，這將大大提升學(xué)習(xí)效率的作用.

(1)-2價的硫.S元素的最低價-2價是氫化物H2S，它是一種弱酸，具有一般酸的通性.它能通過酸堿中和反應(yīng)轉(zhuǎn)化為同價態(tài)的鹽類物質(zhì)，另一方面它有較強(qiáng)的還原性，可以被氧化劑氧化成0價的S單質(zhì)，例如：

(2)0價的硫.S的游離態(tài)是一種淡黃色的固體，性質(zhì)較為穩(wěn)定.如果在日常生活中打碎了水銀溫度計常用它來處理.它與氧氣反應(yīng)生成SO2.

(3)+4價的硫.SO2是無色氣體，有強(qiáng)烈刺激性氣味，是大氣主要污染物之一.由于煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃燒時會生成二氧化硫.當(dāng)二氧化硫溶于水中，會形成亞硫酸(酸雨的主要成分)，亞硫酸不穩(wěn)定又會分解成二氧化硫和水.若在催化劑條件下，SO2進(jìn)一步氧化，生成SO3，便會生成硫酸(H2SO4).酸堿中和反應(yīng)會生成相應(yīng)的亞硫酸鹽.亞硫酸鹽和硫化鹽發(fā)生歸中反應(yīng)，生成S單質(zhì).

(4)+4價的硫.S元素的最高價是+6價，對應(yīng)的氧化物是SO3，酸是H2SO4，鹽是硫酸鹽.稀硫酸具有一般酸的通性，濃硫酸則具有一些不同的性質(zhì)：吸水性(作干燥劑)、脫水性(能把有機(jī)物中的H、O按2∶1的比例脫出來)、酸性、強(qiáng)氧化性.

(5)結(jié)合所學(xué)的知識解決酸雨帶來的環(huán)境問題.通過實驗探究轉(zhuǎn)化關(guān)系，應(yīng)用轉(zhuǎn)化關(guān)系設(shè)計工業(yè)原理，應(yīng)用轉(zhuǎn)化關(guān)系分析酸雨的形 成與防治.層層遞進(jìn)，讓學(xué)生真正掌握一種元素的學(xué)習(xí)方法.

除了以上列舉的Fe、N和S元素以外，其他的元素也可以按照這樣的模式，建立二維關(guān)系圖，以價態(tài)為線索，運用價態(tài)規(guī)律既便于記憶又能更深刻理解.價態(tài)規(guī)律在“元素化合物”知識的學(xué)習(xí)中是非常行之有效的.通過對鐵、氮、硫及其化合物的性質(zhì)有一定的認(rèn)識之后，還能對它們的化合物的保存、制備、分 離、提純、應(yīng)用有一定的了解，甚至在生產(chǎn)生活中都能體現(xiàn)它們的化學(xué)學(xué)科價值.要構(gòu)建起化學(xué)基本觀念，必須在深入理解化學(xué)學(xué)科特征的基礎(chǔ)上所獲得的對化學(xué)的總觀性的認(rèn)識.它的形成不能靠知識的簡單積累，不可能通過大量記憶化學(xué)知識而自發(fā)形成，它需要學(xué)生在積極主動的探究活動中深刻理解和掌握有關(guān)的化學(xué)知識和核心觀念，在充分應(yīng)用所學(xué)知識分析問題與解決問題的過程中不斷概括、提煉而形成.元素化合物知識部分充分地體現(xiàn)了化學(xué)核心觀念之價態(tài)觀.