高中化學(xué)教學(xué)中重視數(shù)量關(guān)系

黃有進

化學(xué)反應(yīng)方程式、離子反應(yīng)方程式以及氧化還原反應(yīng)中的電子守恒等這些組成化學(xué)最基本的知識都涉及一個簡單但是十分重要的概念，那就是化學(xué)中的數(shù)量.高中化學(xué)研究的化學(xué)反應(yīng)屬于微觀粒子之間的碰撞、互換以及重組等，涉及的數(shù)量有時與傳統(tǒng)中的一致，有時不一致.

數(shù)量這個概念貫穿了高中化學(xué)的始終，從元素的概念，原子的組成結(jié)構(gòu)，分子的組成結(jié)構(gòu)，到后來的化學(xué)反應(yīng)方程式、離子反應(yīng)方程式，甚至電子守恒問題，都不可能不提到其中的數(shù)量變化.事實上，任何的物質(zhì)，任何的知識，只要是提升到了科學(xué)的層面，就必然會涉及這個問題.如木炭在空氣中會燃燒，這只是個常識的問題，一旦上升到化學(xué)的高度，就必然要涉及碳與空氣中氧氣的反應(yīng)，一個碳原子結(jié)合一個氧原子或兩個氧原子形成一氧化碳或者二氧化碳，而一個氧分子又是兩個氧原子構(gòu)成的.再往里推，碳原子和氧原子其中的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)都是確定的，也正是這些確定的數(shù)量賦予了元素的性質(zhì).

下面結(jié)合自己的教學(xué)實踐，對高中化學(xué)中涉及的元素、原子、分子、物質(zhì)等化學(xué)概念中的數(shù)量關(guān)系以及微觀與現(xiàn)實中數(shù)量的不同和統(tǒng)一問題進行總結(jié)和闡述.

一、元素與數(shù)量

元素是一類有著相同質(zhì)子數(shù)的原子的總稱，是區(qū)別各種物質(zhì)最基本的概念之一.氫是氫元素，碳是碳元素，氧是氧元素，水是氫元素和氧元素組成的，元素的概念將這些物質(zhì)天然地分離開來.同種元素可能有不同種類的幾種原子，如目前發(fā)現(xiàn)的氫元素就有三種原子，也就是我們常說的氕、氘、氚，它們的原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)都是1，但是中子數(shù)分別為0、1和2，原子核外電子與質(zhì)子數(shù)相等都為1，所以化學(xué)性質(zhì)完全相同.三種原子的質(zhì)量相差很大，基本上是1∶2∶3的關(guān)系，在物理性質(zhì)上有著巨大的差別.氕、氘、氚三種原子就形成了同屬異形體，在化學(xué)界是一個普遍的現(xiàn)象.

各種各樣的元素的質(zhì)量在相互比較時，由于質(zhì)量都非常小，并且每種元素都有若干種類的原子，確實存在著巨大的麻煩.因此，對質(zhì)量這個量的一種統(tǒng)一就成為解決化學(xué)問題的一個關(guān)鍵.在化學(xué)發(fā)展的道路上，人們逐漸認(rèn)識到，化學(xué)元素以及原子之間的差別的本質(zhì)就是原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的差別，電子數(shù)又等于質(zhì)子數(shù)以維持原子的電平衡.而各原子中的質(zhì)子和中子是沒有區(qū)別的.實驗表明，中子和質(zhì)子的質(zhì)量幾乎相同，所以人們引入了相對原子質(zhì)量這個概念來表示原子的質(zhì)量，與現(xiàn)實中的質(zhì)量就有了一定的區(qū)別.

事實上，人們發(fā)明了更加簡便的方法，那就是阿伏伽德羅常數(shù)，這個常數(shù)為6.02×1023.這樣，對于宏觀與微觀之間的量就通過數(shù)聯(lián)系了起來，1mol的碳十二原子的質(zhì)量就是12g，1mol水分子的質(zhì)量就是18g.

二、化學(xué)反應(yīng)與數(shù)的關(guān)系

化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是原子之間的重新組合形成新的結(jié)構(gòu)或者新的分子，也就是形成了新的物質(zhì).化學(xué)反應(yīng)也是離不開數(shù)量的，不同比例的反應(yīng)物會生成不同種類的反應(yīng)產(chǎn)物.

例如，一個碳原子在充分燃燒時可以與兩個氧原子形成CO₂，是一種無毒的氣體，但是如果是不完全的燃燒，一個碳原子就只能與一個氧原子結(jié)合形成CO氣體，是一種對人類有劇毒的物質(zhì).一個氮原子與一個氧原子結(jié)合可以形成NO氣體，這是一種無色的氣體，但是當(dāng)其在空氣中繼續(xù)氧化，再結(jié)合一個氧原子，就會生成棕紅色的NO₂氣體.如果在反應(yīng)時控制反應(yīng)物的量不準(zhǔn)確，造成反應(yīng)失敗的可能性也是有的.

三、元素化學(xué)性質(zhì)與數(shù)量的關(guān)系

從元素周期表中，我們可以得出一個簡單而樸素的道理：量變引起質(zhì)變.數(shù)量的逐漸增加，到達一個臨界時，就會形成性質(zhì)上的變化.以第二個周期為例，第一個元素是Li，最外層只有一個電子，所以容易失去以形成最外層兩個電子的穩(wěn)定狀態(tài)，所以Li有一定的金屬性.然后，當(dāng)電子增加一個，原子核對核外電子的控制增強了一點，原子的半徑略微減小，失去電子的能力也有所減小，所以金屬性減弱.隨著最外層電子數(shù)目的增多，達到碳元素，最外層有4個電子，既可以失去電子帶正電也可以得到電子帶負(fù)電，金屬性和非金屬性都有表現(xiàn)，尤其是容易與四個其他原子或基團形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，成為了有機物的骨架元素.到達氧元素時，最外層電子為6個，容易從別的原子處獲得電子來形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以有一定的氧化性，也容易拿出兩個電子與其他元素公用形成共價化合物，金屬性就完全沒有了.再往后就是氟元素，最外層只差一個電子就穩(wěn)定了，表現(xiàn)出很強的氧化性.當(dāng)電子再增加1個，最外層達到了最大值8個，形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此氖元素幾乎沒有什么化學(xué)活性.

總之，數(shù)與量是任何知識上升到科學(xué)高度不可避免的一個概念.在高中化學(xué)的知識體系中，關(guān)于數(shù)量的概念主要是在潛移默化中對學(xué)生的科學(xué)思想進行影響.事實上，化學(xué)學(xué)到最后，就是各種元素、各種物質(zhì)甚至各種基團的各種參數(shù)的組合和分析.在高中化學(xué)學(xué)習(xí)的過程中，重視對數(shù)量的作用進行分析和揣摩，對于學(xué)好高中化學(xué)有積極意義.