基于“模型認知”的元素化合物教學(xué)認識

卓高峰 魏樟慶

摘要： 從物質(zhì)的性質(zhì)認識模型、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型、兩種認識模型的教學(xué)認識三個角度，系統(tǒng)地認識物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)規(guī)律等，探索“模型認知”在元素化合物教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng); 認識模型; 模型認知; 元素化合物; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2018）12003204中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

“證據(jù)推理與模型認知”是高中化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，其“模型認知”內(nèi)涵為通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。簡言之，學(xué)習(xí)化學(xué)要學(xué)會建構(gòu)模型、應(yīng)用模型。

元素化合物的知識是中學(xué)化學(xué)重要的組成部分，是認識物質(zhì)世界，解決化學(xué)問題的重要學(xué)科基礎(chǔ)。整個中學(xué)階段涉及的元素化合物種類繁多、性質(zhì)瑣碎、反應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，往往使學(xué)生易學(xué)難記，產(chǎn)生畏難情緒。而化學(xué)認知模型作為一種有效的認知工具，可以幫助學(xué)生把化學(xué)知識高度濃縮，將次要的非本質(zhì)的信息濾去，使重要的本質(zhì)性知識形成清晰的知識框架，納入學(xué)習(xí)者已有的知識體系中[1]。本文擬結(jié)合教學(xué)實踐，探索“模型認知”在元素化合物教學(xué)中的應(yīng)用。

1?物質(zhì)的性質(zhì)認識模型

元素化合物知識注重物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用，其中“物質(zhì)的性質(zhì)”是核心，物質(zhì)的性質(zhì)決定了物質(zhì)的用途、制法、保存等，不認識物質(zhì)性質(zhì)，就不可能理解物質(zhì)的應(yīng)用。物質(zhì)的性質(zhì)是由其元素組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，不從組成和結(jié)構(gòu)角度認識物??質(zhì)性質(zhì)，就難以形成對物質(zhì)性質(zhì)的深入理解。物質(zhì)的性質(zhì)認識模型可分為三個維度： 分析組成元素→物質(zhì)類別→物質(zhì)的性質(zhì);分析核心元素的價態(tài)→物質(zhì)的氧化性或還原性;物質(zhì)的特性。

1.1?從物質(zhì)的通性角度認識物質(zhì)的性質(zhì)

根據(jù)物質(zhì)組成和性質(zhì)，可以將純凈物分為單質(zhì)、氧化物、酸、堿、鹽等。同一類物質(zhì)在組成和性能方面往往具有一定的相似性。對物質(zhì)進行合理的分類，有助于我們根據(jù)物質(zhì)的類別通性認識物質(zhì)的性質(zhì)。高中化學(xué)學(xué)習(xí)的典型物質(zhì)有： 氯、硫、氮、鈉、鎂、鋁、鐵、銅等元素的單質(zhì)與化合物，下面以非金屬元素為例，從物質(zhì)的通性角度來認識物質(zhì)的性質(zhì)（如圖1、圖2、圖3）。

1.2?從核心元素的化合價角度認識物質(zhì)的性質(zhì)

分析核心元素的化合價升降情況可推測物質(zhì)可能具有的氧化性或還原性，最高價元素只有氧化性、最低價元素只有還原性、中間價態(tài)元素既有氧化性又有還原性。

1.3?從物質(zhì)的特殊性角度認識物質(zhì)的性質(zhì)

元素化合物的性質(zhì)是有規(guī)律的，但由于個性的原因，在規(guī)律上又有一些不同，具有獨特的性質(zhì)。

因此，物質(zhì)的性質(zhì)認識模型可歸納為如圖4所示：

以非金屬單質(zhì)（Cl2、 N2、 S）、非金屬氫化物（NH3）、酸性氧化物（SO2、 SiO2）、酸（HNO3、 H2SO4）、鹽（NaNO2）為代表，認識以非金屬元素為主線的五類代表物的性質(zhì)。如Cl2、 SO2的性質(zhì)認識模型如圖5、圖6所示。同理，可以歸納以金屬元素為主線的代表物的性質(zhì)。

2?物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型

含同種元素的物質(zhì)多種多樣，它們在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。為梳理物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化，可列出關(guān)鍵物質(zhì)，以關(guān)鍵物質(zhì)為聯(lián)結(jié)點，將各種物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化串成線，連成網(wǎng)，構(gòu)建物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型。

2.1?以物質(zhì)類別為線索

金屬鈉、鎂、鋁元素，涉及元素的化合價變化少，可以以物質(zhì)類別為線索構(gòu)建物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖（如圖7、圖8）。

2.2?以化合價為線索

非金屬元素N、 S等，涉及元素的化合價變化多，為弱化同價態(tài)物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化，突出氧化還原反應(yīng)，可以以化合價為線索，構(gòu)建物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖（如圖9、圖10）。

2.3?以化合價、物質(zhì)類別為線索

變價元素Fe、 N、 S等，化合價變化多，同價態(tài)的化合物種類多，可以以化合價、物質(zhì)類別為線索構(gòu)建物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，即用價類圖表示。以化合價為縱坐標，物質(zhì)的類別（單質(zhì)、氧化物、酸、堿、鹽等）為橫坐標，在二維平面內(nèi)所繪制的圖像叫價類圖。價類圖從物質(zhì)核心元素的價態(tài)變化和物質(zhì)的分類2個視角，構(gòu)建物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的知識網(wǎng)絡(luò)，具有直觀、線索清晰、引導(dǎo)性強等特點，突出同價態(tài)、不同價態(tài)物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。價類圖適合變價元素，典型的元素有Fe、 S、 N等元素，構(gòu)建轉(zhuǎn)化關(guān)系時，可以做適當?shù)淖兺ǎ镔|(zhì)類別的順序、化合價的順序不一定嚴格地按照坐標系的規(guī)律來建構(gòu)（如圖11、圖12）。

3?物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化認識模型的教學(xué)認識

3.1?系統(tǒng)地認識物質(zhì)的性質(zhì)

根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)認識模型，遇到變化多端的元素化合物問題時，能從物質(zhì)類別、化合價、特殊性三個角度發(fā)現(xiàn)不變的核心問題。對于熟悉的元素及其化合物，能從認識模型中及時提取性質(zhì)信息，解決化學(xué)方程式識記難等問題;對于陌生的物質(zhì)，能夠應(yīng)用模型進行有效的推理，提升基于學(xué)科方法的預(yù)測能力。

物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型中以某種物質(zhì)為中心的轉(zhuǎn)化，均可化歸為該物質(zhì)從化合價角度、物質(zhì)類別角度來認識物質(zhì)的性質(zhì)，即從物質(zhì)的性質(zhì)認識模型來學(xué)習(xí)。例如硫及其化合物中，SO2和H2SO4是兩種重要物質(zhì)，以SO2為例，SO2→H2SO4、 SO2→SO3、 SO2→S可從化合價角度認識;SO2→Na2SO3可從物質(zhì)類別角度認識。

因此，物質(zhì)的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化認識模型可以系統(tǒng)地認識物質(zhì)的性質(zhì)，不僅知道一種物質(zhì)的性質(zhì)，還可以拓展到一系列物質(zhì)的性質(zhì)，好比既見樹木，又見森林。

3.2?理解物質(zhì)的轉(zhuǎn)化規(guī)律

物質(zhì)的性質(zhì)認識模型、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型，均涉及兩類反應(yīng)。通過氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有不同價態(tài)同元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，通過非氧化還原反應(yīng)可以實現(xiàn)含有相同價態(tài)同元素的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化。

3.2.1?非氧化還原反應(yīng)

非氧化還原反應(yīng)大多數(shù)是復(fù)分解反應(yīng)、酸堿反應(yīng)，因此要遵循復(fù)分解反應(yīng)規(guī)律、酸堿反應(yīng)規(guī)律。

對復(fù)分解反應(yīng)原理的認識，經(jīng)歷過三個階段[2]。第一階段是直觀地認識反應(yīng)，只要兩種物質(zhì)在水溶液中相互交換離子，有沉淀、氣體、水生成，反應(yīng)就能發(fā)生，不理解反應(yīng)的本質(zhì)。第二階段，從生成弱電解質(zhì)、難溶物質(zhì)、易揮發(fā)性物質(zhì)判斷反應(yīng)的發(fā)生，理解復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)是向離子濃度減小的方向進行?？删唧w拓展到“強酸制弱酸”、“強堿制弱堿”、“溶解度大制溶解度小”的實例，豐富了復(fù)分解反應(yīng)形式上的認識，加深了對反應(yīng)本質(zhì)的理解。第三階段，利用化學(xué)平衡移動原理、電離平衡常數(shù)、溶度積常數(shù)來判斷復(fù)分解反應(yīng)能否發(fā)生。例如CO2通入到CaCl2溶液中，能否有沉淀產(chǎn)生？可從平衡常數(shù)的角度來解釋，利用Ka1（H2CO3）、 Ka2（H2CO3）、 Ksp（CaCO3）計算Ca2++H2CO3CaCO3↓+2H+的平衡常數(shù)，根據(jù)反應(yīng)的K值很小，可判斷反應(yīng)不能進行。從平衡常數(shù)角度，加深了對復(fù)分解反應(yīng)本質(zhì)的認識。

酸堿反應(yīng)規(guī)律總體要把握酸性物質(zhì)通常能夠與堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。常見的酸性物質(zhì)有： 酸、酸性氧化物、強酸弱堿鹽等;常見的堿性物質(zhì)有： 堿、堿性氧化物、弱酸強堿鹽等。例如學(xué)習(xí)鋁及其化合物的性質(zhì)，涉及的化學(xué)方程式多而雜，難以記憶。若從物質(zhì)的酸堿性角度來梳理，鋁及其化合物的性質(zhì)就顯得有規(guī)律可循，從繁雜的化學(xué)方程式中認識物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律。如鋁鹽AlCl3水溶液顯酸性，能與弱堿、強堿、水解呈堿性的鹽反應(yīng);Al（OH）3是兩性氫氧化物，能與強酸、強堿反應(yīng);NaAlO2水溶液顯堿性，能與弱酸、強酸、水解呈酸性的鹽反應(yīng)。

3.2.2?氧化還原反應(yīng)

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，其反應(yīng)發(fā)生的核心思想是符合強氧化劑的氧化性強于氧化產(chǎn)物，強還原劑的還原性強于還原產(chǎn)物的反應(yīng)就能發(fā)生。用這樣的核心思想對物質(zhì)間的氧化還原反應(yīng)進行整合，就可以把氧化還原性的相對強弱進行有序排列，給原有的彼此孤立的反應(yīng)建立起相互聯(lián)系的反應(yīng)系統(tǒng)[3]。例如，以四個典型的氧化還原反應(yīng)為例來說明，MnO2+4H++2Cl-△Mn2++Cl2↑+2H2O; Cl2+2Br-2Cl-+Br2; Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+; 2I-+2Fe3+I2+2Fe2+?？膳袛?，氧化性： MnO2>Cl2>Br2>Fe3+>I2;還原性： Mn2+

3.3?應(yīng)用物質(zhì)的性質(zhì)

學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)，是為了更好地應(yīng)用物質(zhì)，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的價值。在物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型中，“指出”的箭頭表示物質(zhì)的性質(zhì)，“指進”的箭頭表示物質(zhì)的制備。根據(jù)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型可認識物質(zhì)的制備、保存、檢驗、預(yù)測反應(yīng)或性質(zhì)等。例如： 根據(jù)硫及其化合物的轉(zhuǎn)化模型，可指出產(chǎn)生酸雨的轉(zhuǎn)化關(guān)系、工業(yè)制硫酸的轉(zhuǎn)化關(guān)系、推寫SO2通入氯化鐵水溶液中反應(yīng)的離子方程式。理解了硫及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系就可以知道酸雨的產(chǎn)生、硫酸的制備、預(yù)測SO2的反應(yīng)，這正是構(gòu)建物質(zhì)的轉(zhuǎn)化認識模型的價值所在。

用“模型認知”的核心素養(yǎng)指導(dǎo)元素化合物教學(xué)，不僅教給了學(xué)生內(nèi)在的、結(jié)構(gòu)化的元素化合物知識，還教會了學(xué)生用化學(xué)學(xué)科特有的思維方式認識物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)規(guī)律等。隨著新一輪課改的推進，“模型認知”作為一種科學(xué)方法和學(xué)習(xí)工具必將受到越來越多的重視和運用，是值得教師深入研究的重要課題。

參考文獻：

[1]陳群，董軍.高三化學(xué)復(fù)習(xí)中建模思想滲透的實踐與研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013，（4）： 37～39.

[2]張軍.復(fù)分解反應(yīng)原理認知困境的成因與對策探析[J].化學(xué)教育，2017，38（7）： 35～39.

[3]管凌云.氧化還原反應(yīng)核心思想的形成與應(yīng)用[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017，（11）： 23～26.