學好元素無機化學必須抓住的幾條主線

◆楊光

作者：楊光，中國人民公安大學警務信息工程學院，研究方向為警務監控、警務通信、化學（102600）。

1 前言

化學是一門中心學科，已經滲透到社會發展的各大領域，如能源、材料、醫藥、農業、環境、信息、生命、交通以及公安系統等，在人們的日常生活占據越來越重要的地位[1]?；诨瘜W學科的重要性，很多高校在全校范圍內開設了與化學相關的基礎課、公共選修課等提高學生對化學基礎知識的認識、理解，提高學生的化學基本素質，增強化學安全意識。

無機化學是四大基礎化學的重要分支，它是研究無機物的組成、結構、性質和變化規律的一門學科。其中元素無機化學是無機化學的重要組成部分，其內容涉及元素周期表中所有元素單質（放射性元素除外）及其化合物的存在、物理性質、化學性質、制備以及用途，是化學從事者以及愛好者必須學習和掌握的重要內容之一。然而這部分內容龐雜，頭緒繁多，掌握起來難度較大。

針對這個問題，國內很多學者對元素無機化學的教學方法進行了很多的探索和改革，對無機化學愛好者起到很好的指導作用，而涉及元素無機化學學習方法的研究卻較少[2-3]。作為一名長期從事無機化學學習和研究的愛好者，筆者在學習和研究元素無機化學的過程中，總結了幾條貫穿于元素無機化學整個課程的主線。掌握和運用好這幾條主線，會大大促進初學者對元素無機化學內容的學習和掌握，特和大家分享。

2 學好元素無機化學必須抓住的幾條主線

掌握并熟練運用元素周期律 元素周期表是俄國科學家門捷列夫對科學發展的重大貢獻，是近代化學發展史上一座光輝奪目的里程碑。元素周期表蘊涵著豐富和深刻的內涵，對整個化學和自然科學的發展都具有非常普遍的指導意義[4]。

元素周期律是元素周期表的一個直觀表現，它的基本內容是：隨核內質子數遞增，核外電子呈現周期性排布，元素性質呈現周期性遞變。元素的基本性質主要包括原子半徑、（第一）電離能、（第一）電子親和能和電負性四部分內容，它們在周期表中的遞變規律如表1 所示[5]。掌握好這四個基本性質在元素周期表中的遞變規律，有助于更好地學習、理解和掌握同族、同周期單質或化合物性質的遞變規律。

表1 元素基本性質在周期表中總體規律

其中，原子半徑的周期性是四個基本性質變化規律中最基本和最重要的。結合核電荷數、原子的電子層結構等因素，原子半徑的周期性決定著其他三個基本性質在周期表中的變化規律。從表1 不難看出，（第一）電離能、（第一）電子親和能、電負性在周期表中的變化規律與原子半徑恰恰相反。

掌握了上述四個基本性質的周期性，可以很輕松地理解、掌握元素周期表中很有規律的一些內容，并同時學會舉一反三，起到事半功倍的學習效果。例如，含氧酸酸性強弱取決于酸分子中質子轉移傾向的強弱：

質子的轉移傾向越大，含氧酸的酸性越強，反之越弱。那么，質子轉移的程度又取決于什么因素呢？質子轉移的難易主要取決于與氧相連的R（即含氧酸中心原子）吸引羥基氧原子的電子的能力。具體來講，主要取決于R 的三方面因素：半徑、電負性和氧化數。很明顯，R 的半徑越小、電負性越大、氧化數越高，R 吸引氧原子上電子的能力就越強，含氧酸的酸性就越強。因此，只要掌握了原子半徑、電負性在周期表中的變化規律，非金屬含氧酸酸性在周期表中的變化規律就很容易理解和掌握了。

要深刻理解和熟練運用“結構決定性質”的科學思想“結構決定性質”是化學學科的重要科學思想。深刻理解和掌握這個思想在元素無機化學中的運用，對促進此部分內容學習具有非常重要的意義。結構可以理解為兩層含義。

第一層含義：“結構”代表的原子結構，即核外電子的排布。如s 區金屬，它的價層電子組態為ns1-2，因此，s區元素很容易失去一個或兩個電子，達到8 電子穩定結構，也就是s 區金屬表現出非常強的金屬性，在形成化合物時，主要以離子鍵為主。而ds 區元素的價層電子組態為（n-1）d10ns1-2，雖然它們的最外層電子數與s 區金屬相同，但是次外層卻是18 電子構型；由于18 電子構型對核的屏蔽效應較小，使得原子核對最外層電子的吸引力增強，因此，ds 區金屬較s 區金屬的金屬性要弱得多。同時，具有18 電子構型的金屬離子具有很強的極化力和變形性，因此，ds區金屬很容易形成共價化合物。

再如稀有氣體由于具有8 電子穩定結構，因此它們很難發生化學反應而生成具有化學鍵的物質。直到1962年，英國科學家巴特列敏銳地觀察到PtF6和Xe 的第一電離能大小接近，一個史無前例的嘗試打破了稀有氣體完全惰性的神話。此后，很多氙的化合物被合成出來。對于這一新生事物，初學者乍掌握起來覺得很難，無法從眾多的反應方程式中把握住氙化合物的總體反應特征。利用“結構決定性質”的科學思想，就會發現這類化合物表現出強氧化性。為什么呢？當穩定的8 電子構型被打破，它們力求恢復到原來的穩定結構，因此，氙的化合物均表現出非常強的氧化性，且還原產物多數為單質。

第二層含義：“結構”為分子中原子在空間的排布，即分子結構。同時，還必須考慮分子其他特殊結構，如孤對電子、大∏鍵等對物質性質的影響。以NH3為例來說明“結構”是如何決定性質的，如表2 所示。

表2 NH3 分子結構與性質的關系

理解了上述兩層結構的含義，結合鍵長、鍵角、鍵的極性、分子間作用力、電負性、原子半徑等因素，很多問題均可迎刃而解（表3）[7-8]。

表3 常見問題舉例

正確運用元素電勢圖 發生氧化還原反應是元素單質與化合物化學性質的重要表現之一。最高氧化態化合物可具有氧化性，最低氧化態化合物可具有還原性，中間價態化合物既可具有氧化性，也可具有還原性。除此之外，還需要掌握以下兩點內容。

第一，通過電極電勢的大小，會判斷氧化性物質、還原性物質氧化還原能力的強弱。電極電勢越大，氧化性物質的氧化能力越大，還原性物質的還原能力越小，反之亦然。

第二，氧化還原反應的方向是最強的氧化劑與最強的還原劑發生反應，生成兩對電極中另外兩個物種。

什么是元素電勢圖呢？如果一種元素具有多種氧化態，將這些氧化態按照由高到低的順序排列，兩物種間以“—”相連，并且在線上方標出相鄰兩物種組成電對的電極電勢值，這種圖被稱為元素電勢圖。利用元素電勢圖可以判斷元素的氧化還原特性，判斷歧化反應的發生。

1）判斷歧化反應的發生：以酸性介質中Cu 元素電勢圖為例來說明。

由φθ(Cu+/Cu)=0.521 V 和φθ(Cu2+/Cu+)=0.153 V 可知，最強的氧化劑和還原劑均為Cu+，所以會有以下反應：

表4 鐵的化學反應類型

即在酸性條件下，Cu+會發生歧化反應。即對某一物種，如果則該物種會發生歧化反應，生成兩端的物種。這樣就很容易記憶并理解Cu2O 與H2SO4的化學反應方程式了。

2）利用元素電勢圖，判斷元素的氧化還原特性。以酸性介質中Fe 元素的元素電勢圖為例來說明（表4 所示為鐵的化學反應類型）。

當然了，電極電勢和元素電勢圖僅能反映出某元素物種進行氧化還原反應的特性。其他類型的化學反應，應具體情況具體對待。

清楚把握各章節的知識結構 元素無機化學知識點零散，系統性差。因此，把握好每章的知識結果對于從總體上把握本學科知識具有非常重要的意義。

縱觀本課程各章節，會發現每章節的大致知識結構如圖1 所示。每章基本上均以本族的通性開始，介紹該族化合物在自然界中的存在、元素的一些性質和元素電勢圖。在分析該族元素原子結構的基礎上，得出該族化合物的成鍵特征，每個成鍵特征會對應某一類具體物質（單質和化合物）。隨后，本章會針對這些單質或化合物的存在、制備、性質（物理性質、化學性質）和用途等幾方面逐漸展開介紹。

3 結語

總之，一個好的學習方法猶如大海燈塔，它能指引學生在知識的海洋中遨游。學好元素無機化學，應該在總體把握每章知識框架的基礎上，熟練掌握并運用好元素周期律、元素電勢圖這兩個基本工具，深刻理解結構決定性質這一重要科學思想，這必將促進對元素無機化學的學習和掌握，有助于進一步攀登知識高峰。

[1]陳平初,李武客,詹正坤.社會化學簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2]王振民.怎樣學好無機化學的元素部分[J].化學教育,1987(6):39-40.

[3]劉海燕,孫紅梅.淺談學習無機化學的方法[J].綏化師專學報,2003,23(3):133-134.

[4]王彥廣.化學與人類文明[M].杭州:浙江大學出版社,2001.

[5]宋天佑,程鵬,王杏喬.無機化學[M].北京:高等教育出版社,2004.