元素化合價與氧化值含義的探析及教學(xué)策略

張雪泳+蔣新征

摘要：探析了元素化合價和氧化值的含義，針對在中學(xué)教學(xué)中這兩個概念易被混淆的現(xiàn)象，建議在教學(xué)中采用螺旋式教學(xué)策略，逐步甄別兩者的差異，并以實際例子作為佐證，闡明這兩個概念的作用是相輔相成的。

關(guān)鍵詞：元素化合價；氧化值（數(shù)）；教學(xué)策略；化學(xué)教學(xué)

文章編號：1005–6629（2015）4–0089–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

“元素化合價”概念的出現(xiàn)是在義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《化學(xué)》（九年級上冊）[1]，其表述為：化合物是由兩種或兩種以上元素組成的，各種化合物中組成元素的原子個數(shù)比是一定的；化學(xué)家在研究大量的化合物中不同元素原子數(shù)目比值關(guān)系的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了體現(xiàn)這種關(guān)系的數(shù)值——元素的化合價。實際應(yīng)用上要求根據(jù)元素化合價書寫化學(xué)式，由此衍生出了常見的初中化合價口訣：一價鉀鈉氯氫銀，二價氧鈣鋇鎂鋅，三鋁四硅五價磷，二三鐵、二四碳、三五氮，二四六硫都齊全，銅汞二價最常見。進(jìn)入高中，對“元素化合價”應(yīng)用的要求顯得更加突出，蘇教版高中化學(xué)必修1體現(xiàn)在氧化還原反應(yīng)及配平的熟練應(yīng)用，必修2體現(xiàn)在元素周期律中元素化合價的變化規(guī)律的歸納以及原電池和電解池工作原理的分析應(yīng)用。北師大等校所編的無機(jī)化學(xué)教材[2]中關(guān)于“元素化合價”的表述是：氧化還原反應(yīng)的基本特征是反應(yīng)前后元素的“化合價”發(fā)生變動。這種“化合價”是帶正負(fù)號的，可稱為“正負(fù)化合價”。1970年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）建議將這種“正負(fù)化合價”改稱為“氧化值（數(shù)）”。在中學(xué)化學(xué)的教學(xué)中，我們重在應(yīng)用的元素化合價實際上就是氧化值的應(yīng)用，對于“什么是元素化合價”我們知之甚少，很少有教師能準(zhǔn)確地說明元素化合價的含義，也讓學(xué)生感到困惑：化合價與氧化值（數(shù)）的概念在大學(xué)和中學(xué)階段差別巨大。究竟什么是元素化合價？通過中國知網(wǎng)查閱，發(fā)現(xiàn)在《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》三種期刊中，已發(fā)表了十多篇相關(guān)研究的文章，對化合價和氧化值含義進(jìn)行了比較和論述。但是，對于如何解決新課程形勢下氧化值與化合價相互關(guān)系的教學(xué)欠缺了必要的銜接和教學(xué)策略。為此，本文從中學(xué)化學(xué)角度提出了可行的教學(xué)策略，使兩者關(guān)系相輔相成，有利于新教材的教學(xué)和學(xué)生的可持續(xù)學(xué)習(xí)。

2 元素化合價與氧化值含義的探析

元素化合價的本質(zhì)及相關(guān)理論的提出歷經(jīng)了兩百年，許多科學(xué)家進(jìn)行了認(rèn)真的思考[3]。1852年英國化學(xué)家弗蘭克蘭提出了“原子化合能力”，如N、P、As等原子總是傾向于與3個或5個其他原子化合；1857年德國化學(xué)家凱庫勒提出“原子價數(shù)”概念；1857年德國化學(xué)家柯爾柏和英國化學(xué)家?guī)扃晏岢觥坝H合力單位數(shù)”概念，即后來所說的化合價（或稱為原子價），如親合力單位數(shù)為1的元素：H、Cl、Na、Br等，親合力單位數(shù)為2的元素O、S等；1864年德國化學(xué)家邁爾建議用“原子價或化合價”代替原子數(shù)或親合力單位數(shù)；1893年瑞士科學(xué)家維爾納提出配位場理論，指出金屬有“主價和副價”，如[Cu（NH3）4]SO4中，金屬銅離子的主價為外界的硫酸根陰離子，副價為內(nèi)界的4個氨分子配位；1914～1919年美國科學(xué)家路易斯和朗繆爾、德國科學(xué)家柯塞爾、英國科學(xué)家西奇威克等提出“原子價可以分為共價和電價”、“價層電子對互斥理論”和“八隅律”等理論，不斷完善化合價（原子價）概念；1927年德國科學(xué)家海特勒和倫敦提出了現(xiàn)代化學(xué)鍵理論——價鍵理論和分子軌道理論，進(jìn)一步完善化合價中的結(jié)構(gòu)含義；1948年美國化學(xué)家格拉斯頓首次明確提出用氧化值（數(shù)）代替氧化還原反應(yīng)配平的化合價數(shù)。1970年國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）嚴(yán)格定義了氧化值的概念：氧化值是某元素1個原子的電荷數(shù)，這種電荷數(shù)由假設(shè)把每個鍵中的電子指定給電負(fù)性更大的原子而求得。定性規(guī)則如下：（1）在離子化合物中，元素原子的氧化值就等于該原子的離子的電荷數(shù)；（2）在共價化合物中，把2個原子共用電子對指定給電負(fù)性較大的原子后，而在2個原子中留下的電荷數(shù)就是它們的氧化值；（3）在單質(zhì)中元素原子的氧化值等于零；（4）在分子（離子）中各元素原子的氧化值之和等于零（或所帶的電荷數(shù)）?，F(xiàn)在這個規(guī)則已被化學(xué)界普遍接受并廣泛使用。1973年后，元素化合價已分裂出幾個新概念：（1）共價；（2）離子價；（3）配位數(shù)；（4）氧化值（數(shù)）或氧化態(tài)。 1975年美國科學(xué)家鮑林提出共價定義：一種元素的原子價（共價）是指它的一個原子和其他原子形成的共價鍵數(shù)。1983年，美國化學(xué)家科比那雷等提出原子價的量子化學(xué)定義。1982～1987年中國化學(xué)家徐光憲提出原子價新概念，含有氧化態(tài)、配位數(shù)、共價等?？v觀歷史，化合價的概念及含義還在發(fā)展、完善中，體現(xiàn)了與時俱進(jìn)的特征。

綜上所述，“元素化合價”是一個與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵有關(guān)的概念，反映原子間的化合能力、化學(xué)鍵類型（共價、離子、配位、金屬）、成鍵數(shù)和原子間的空間結(jié)構(gòu)等固有性質(zhì)?；蟽r中的數(shù)值必為不為零的正整數(shù)，表示的是共價鍵數(shù)目或配位數(shù)目。人們對化合價應(yīng)用的角度不同，會出現(xiàn)相對地、獨立性地使用某方面內(nèi)容，如在學(xué)習(xí)化學(xué)鍵時只討論現(xiàn)代價鍵理論或分子結(jié)構(gòu)，很難與化合價聯(lián)系起來。而歷史上道爾頓、凱庫勒這樣偉大的化學(xué)家對“化合價”概念的認(rèn)識中都犯過致命的根本性錯誤。這反映出“化合價”豐富的內(nèi)涵和難度，所以不易被人接受且使用。教師若不能全面把握化合價內(nèi)涵的話，自然體會不到化合價內(nèi)涵之間相輔相成的作用，片面的認(rèn)識會使教師在教學(xué)“化合價”時出現(xiàn)策略失效問題。

“氧化值”是按照一定規(guī)則和經(jīng)驗人為指定的一個數(shù)值，完全可由分子式或化學(xué)式推算出來，表示元素在化合狀態(tài)時的形式電荷，表示元素在化合物中所處的氧化還原狀態(tài)，不考慮物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其數(shù)值可以為整數(shù)、零和分?jǐn)?shù)。氧化值可用于定義氧化劑、還原劑及氧化還原反應(yīng)的配平，而氧化還原問題是貫穿初三至高三的重要概念，因此其應(yīng)用廣泛，較易被人接受和使用。這個“氧化值”正是中學(xué)教學(xué)中常出現(xiàn)的“正負(fù)化合價”概念。

元素化合價和氧化值含義的區(qū)別以含硫元素的各種物質(zhì)作為分析對象，如表1所示（括號內(nèi)表示某元素或原子）。

例1 20世紀(jì)60年代維爾納大學(xué)古特曼研究小組報道，三原子分子A可由SF4和NH3反應(yīng)合成；A被AgF2氧化得到沸點為27℃的三元化合物B。A和B分子中的中心原子與同種端位原子的核間距幾乎相等；B分子有一根三重軸和3個鏡面。畫出A和B的結(jié)構(gòu)式（明確表示出單鍵和重鍵，不在紙面上的鍵用楔形鍵表示，非鍵合電子不必標(biāo)出）。

解析：由題給的四種元素可知，H、F元素化合價的成鍵數(shù)均為1，N元素化合價的成鍵數(shù)為3，S元素化合價的成鍵數(shù)分別為2、4、6。由題意可以確定A、B兩種分子式的元素組成為N、S、F，應(yīng)用N、S、F成鍵數(shù)目和分子結(jié)構(gòu)的對稱元素可以推導(dǎo)出NSF和NSF3的結(jié)構(gòu)式。結(jié)構(gòu)式中S原子化合的價鍵數(shù)分別為4和6，N原子化合的價鍵數(shù)為3，F(xiàn)原子化合的價鍵數(shù)為1。A、B的結(jié)構(gòu)式如下：

評析：這是一道深刻考查化合價內(nèi)涵的高中化學(xué)競賽題。由于所求的分子式是未知的，所以氧化值概念無法應(yīng)用，而常見元素的化合價的成鍵數(shù)與分子結(jié)構(gòu)卻可以用之解題，是解決這道難題的關(guān)鍵，是對化合價內(nèi)涵深刻理解的表現(xiàn)，也是“化合價解決分子結(jié)構(gòu)”的新應(yīng)用。此道題很好地揭示了“元素化合價”和“氧化值”這兩者無法相互替代的、但是可以相輔相成的作用。

例2 某硫酸廠廢氣中SO2的回收利用方案如下圖所示。下列說法不正確的是（ ）

A.X可能含有2種鹽

評析：中學(xué)化學(xué)常用的“元素化合價”實質(zhì)是氧化值的應(yīng)用，與原子、分子的結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。但談到元素的最高化合價和最低化合價卻是與原子結(jié)構(gòu)的最外層電子數(shù)目有關(guān)系，是元素化合價含義中所指的成鍵數(shù)值。如S元素最高化合價為6，等于S原子的最外層電子數(shù)目；S元素最低化合價為2，等于S原子達(dá)到8e-穩(wěn)定結(jié)構(gòu)還差的2個電子數(shù)。

3 元素化合價與氧化值的教學(xué)策略

明確了化合價和氧化值的含義，我們就要根據(jù)化合價的含義重新整合并充實教材內(nèi)容，形式上稱為“元素化合價”，實質(zhì)上應(yīng)用的卻是“氧化值”，教學(xué)策略上從不同學(xué)段、不同層面進(jìn)行認(rèn)識建構(gòu)這兩個概念，并體現(xiàn)新教材內(nèi)容與時俱進(jìn)的發(fā)展理念和“螺旋式”上升的學(xué)習(xí)理念。應(yīng)用時仍然采用傳統(tǒng)、習(xí)慣的“氧化值”去解決大部分的問題，但在關(guān)于化合價的疑難問題和《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》新教材（蘇教版）中適當(dāng)拓展元素化合價與原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系的含義，豐富化合價的內(nèi)涵，應(yīng)用已知化合價規(guī)律預(yù)測推導(dǎo)未知物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)化合價的新價值，為競賽和高校的后續(xù)學(xué)習(xí)起到正確的導(dǎo)向作用。見表2。

這樣分層次的螺旋式教學(xué)，既可以使氧化值的教學(xué)呈現(xiàn)出熟練應(yīng)用的層次，又可以逐步過渡到元素化合價與結(jié)構(gòu)、價鍵理論緊密聯(lián)系的本質(zhì)含義。由此可見，明確了氧化值和元素化合價的真正含義，就可以使化合價的教學(xué)達(dá)到深入淺出、通俗易懂的效果，教師對概念的把握、教學(xué)的設(shè)計能更加從容不迫、涇渭分明。

參考文獻(xiàn)：

[1]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)（九年級·上冊）[M].上海：上海教育出版社，2004：79～80.

[2]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2002：350.

[3]朱玉軍，李宗和.化合價的歷史演變[J].化學(xué)教育，2009，（11）：80～82.