數字在中學化學學習中的妙用

鄭金清

摘 要：中學化學核心知識是物質之間的變化，物質間能否發生變化，變化時物質間有無物質及量多少的問題是困擾很多同學的問題。用數字來剖析離子共存、與物質的量多少有關系的反應、鋁單質和含鋁化合物與酸堿的性質反應，使學生從數字角度認識化學。

關鍵詞：數字；化合價；離子共存；兩性

很多中學生進入高一化學的學習后倍感吃力，迷茫于眾多物質間能否發生反應、反應有無物質及量多少問題、鋁單質及化合物是否都有兩性等等。我們教師也把精力、時間傾向于這些知識的傳授和相關習題的講評，但效果都不理想。學生課堂上能聽得懂，課后自己分析或考試獨立完成時卻都是一頭霧水。其實在繁多的化學物質中存在一些容易被我們忽視的標簽式的數字，它們是化合價、離子所帶電荷數和電性、酸的元數等。這些數字對學生學好化學有化繁為簡，便于理解和記憶的作用。我想通過幾個事實來詮釋這些數字的妙用。

元素是構成物質的基體，元素在構成物質時會體現出化合價。化合價能直觀地反映出物質的性質，一般有：（1）在氧化還原反應中元素處于最低價有還原性，處于中間價既有氧化性又有還原性，處于最高價有氧化性化合價；（2）同主族元素若化合價相同，命名類似，如：KClO3中氯元素顯+5價稱為氯酸鉀，KIO3中碘元素顯+5價則稱為碘酸鉀。若有I4O9被稱為碘酸碘，就知道該物質有碘酸根且是3個，故可寫作I（IO3）3另外，在氧化還原反應中利用化合價的升降相等這個定量關系來進行方程式的配平。通過對化合價的這些特點掌握能大大拓寬學生的化學物質世界，認識更多的化學反應并逐步形成學好化學必備的觀點之一——元素及元素轉化觀。

化學反應大部分以水作溶劑，電解質在水中發生電離，給出陰陽離子。同性相斥，異性相吸的自然規律在化學這門自然哲學一樣具有普適性。一般的同電性離子相遇不反應，異性離子間若能結合成弱電解質或難溶性物質就能發生反應。如：在酸性溶液中可能大量存在Na+、ClO-、SO2-4、I-離子組嗎？即這組離子在有H+條件下能否發生反應？要考慮的是Na+分別與ClO-、SO2-4、I-三者的關系，而不是考慮它們三種同性離子能否反應。因Na+與ClO-、SO2-4、I-結合得到的物質均為可溶性鈉鹽，不造成離子數減少，不反應，可以共存。但溶液中還有H+，H+能與ClO-結合成弱酸HClO造成離子數目減少。故這組離子不能大量共存。利用離子所帶電荷電性能判斷離子間能否共存，利用離子所帶電荷數還能判斷物質之間反應有無物質及量多少問題，即會不會因某種反應物多加少加而有不同的產物。如：H+與ClO-均帶一個電荷，不管雙方加入量多少產物都只有一種情況；而換成H+與CO32-，H+帶一個電荷，CO32-帶兩個電荷雙方相遇時，就存在物質的量的不同，產物不同的問題。若酸少，發生H++CO32-=HCO-3的反應，若酸多則發生2H++CO32-=H2O+CO2↑用在具體的物質反應中例如HCl一元強酸與CaCO3反應制得二元弱酸H2CO3（常寫作），一元酸就要消耗兩倍于二元酸的量。學生學習離子反應時，若能從離子帶電性和帶的電荷數入手，將能對繁多的化學反應有更實質性的認識。

鋁元素在高中化學中有Al、Al2O3、Al（OH）3、Al3+（鋁鹽）、[Al（OH）4]-（四羥基合鋁酸鹽）五種存在形式，不少學生糾結于誰有兩性、誰與酸、堿有物質的量多少問題。甚至干脆誤以為它們的性質：都有兩性、與酸堿都有量的問題。我們來觀察上述鋁元素的五種形式，它們在水溶液中Al、Al2O3、Al（OH）3是不帶電的，它們遇酸——H+必然生成Al3+，且不存在酸的量多少問題（因為沒有Al+、Al2+存在）；它們遇堿——OH-必然生成[Al（OH）4]-且也不存在堿的量多少問題，因此Al、Al2O3、Al（OH）3有兩性而無量的多少問題。鋁鹽在水中電離出Al3+，Al3+帶3個正電荷，它必然不怕酸——H+正正相遇不反應，它怕堿——H-陰陽離子正負電荷相遇發生反應，有+3+（-1×3）=0，+3+（-1×4）=-1的關系，即：Al3++3OH-=Al（OH）3↓，Al3++4OH-=[Al（OH）4]-

四羥基合鋁酸鹽在水中電離出[Al（OH）4]-，[Al（OH）4]-帶1個負電荷，它必然不怕堿——OH-負負相遇不反應，它怕酸——H+陰陽離子正負電荷相遇發生反應，且有-1+（+1）=0，-1+（+1×4）=+3的關系，即：[Al（OH）4]-+H+=Al（OH）3↓+H2O，[Al（OH）4]-+4H+=Al3++4H2O因此Al3+（鋁鹽）、[Al（OH）4]-（四羥基合鋁酸鹽）沒有兩性問題，而與酸或堿有物質的量多少問題。這樣就把鋁單質及其化合物與酸堿的關系理清了，也可以進一步把這種與酸堿的關系用數軸一目了然地表示。如下圖：

化學反應可以全部分為氧化還原反應和非氧化還原反應，在氧化還原反應中因為有電子的轉移所以一定有化合價的升降，存在數字及數字變化；在非氧化還原反應中大部分在水溶液中進行，即離子反應，有離子也存在數字及變化。在學習化學的過程中注意這些標簽式的數字，便了解這些數字的使用規則，相信學生能將化學解題游戲玩轉起來。