中學化學教師對化合價概念理解的訪談研究

楊季冬 王后雄??

摘要： 化合價是化學學科中的一個重要概念，通過對15名中學教師的訪談發現： （1）中學教師對于化合價的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學課程標準對學生的要求上；（2）教師易混淆化合價與氧化值的概念，但是對此混淆情況教師自身很難察覺。針對結果建議： （1）師范生培養階段應加強核心概念、重要概念的深入學習；（2）教師職后發展階段要有問題意識，注重多渠道提高化學學科理解能力；（3）教師在理解基礎上階段性把握相關問題。

關鍵詞： 中學化學教師； 化合價； 氧化值； 化學概念教學

文章編號： 10056629（2018）8002005 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

開展基于學生化學學科核心素養發展的課堂教學，對化學教師的專業素養提出了更高的要求，要求教師進一步增進對化學學科的理解[1]。增進對化學學科的理解既包括對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解。化合價是化學學科中的一個重要概念，進行化學學習、從事化學相關工作都離不開化合價。本文通過訪談調查教師對于化合價概念的理解，以此提出關于增進教師對化學學科理解的建議。

1 相關概念

1.1 化合價

化合價是解決分子性質的一個關鍵因素，探討化合價有著悠久的歷史。第一個明確提出相關概念的是英國化學家弗蘭克蘭。后來，凱庫勒、庫帕（Kolbe）、邁爾（Meyer）等人都為化合價的發展做出了貢獻。19世紀末到20世紀初，隨著人們對化學鍵本質理解的深入，關于化合價的理解也因此加深。路易斯在他所著的《化合價與原子分子結構》中提到在有機化學中，原子的化合價被定義為該原子與其他原子所形成的鍵的數目，這也可以應用于無機化合物[2]。西奇威克（Sidgwick）在其出版的《化合價的電子理論》（The Electronic Theory of Valency）中寫到：“化合價是一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的一個術語。”并總結說： 總的來看，關于化合價最好的定義是某原子的化合價是其參與成鍵形成分子時所使用的電子數[3]。鮑林在他所著的《化學》中對原子價（共價）的定義為： 一種元素的原子價（共價）是指它的1個原子和其他原子形成的共價鍵數[4]。

根據上述內容，在本文中化合價理解為一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的術語，具體的取值方式為： （1）離子化合物中各離子的電價，在數值上等于該離子所帶的電荷數，得電子取負，失電子取正；（2）共價鍵相對應的化合價為共價，其數值為該原子形成化合物時，與其他原子所形成的鍵的數目。

1.2 氧化值

根據上述對化合價的定義，要想確定分子中某元素的化合價，則先需要知道該分子的結構。在分析氧化還原反應時，有些復雜化合物的結構不易確定，這樣也就難以確定原子成鍵形成分子時所使用的電子數，即難以確定化合價。于是，格拉斯通（S. Glasston）在1948年提出用氧化值代替氧化還原反應配平時的價數。1970年，國際化學聯合會（IUPAC）定義了氧化值的概念： 氧化值是某元素1個原子的電荷數，這種電荷數由假設把每個鍵中的電子指定給電負性更大的原子而求得[5]。

僅從定義來看，確定氧化值依然不是很方便，因此人們據此提出了更為具體實用的規則。慣例是[6]：

（1） 先確定陽離子，然后是陰離子；

（2） 單質中元素的氧化值是0；

（3） 單原子離子的氧化值等于離子的電荷；

（4） 化合物中氫的氧化值通常是+1；

（5） 化合物中氧的氧化值通常是-2；

（6） IA族元素的氧化值為+1；

（7） IIA族元素的氧化值為+2；

（8） VIIA族元素的氧化值為-1，除非這種元素與一種具有更高電負性的元素相結合；

（9） 中性化合物中所有原子的氧化值之和為0；

（10） 在一個原子團中各元素的氧化值的和等于離子的電荷。

1.3 化合價與氧化值的區別

1.3.1 意義不同

雖然化合價的確定規則有所變遷，但其意義的內核沒有改變，即化合價是一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的術語，不同的定義只是從不同的角度來闡釋它。從西奇威克的定義可以看出，化合價是研究分子的一個重要的量，因為它能反映出原子在成鍵過程中所使用的電子數。由此也可看出，化合價與物質的組成與結構有關，要確定原子的化合價不能僅根據化合物的分子式，而是需要確定化合物合理的分子結構。而氧化值則是根據一定的規則計算出來的，它避開了具體物質結構，也不必考慮化學鍵的類型，反映的是化合物中元素整體的形式上的電荷數，為解決很多氧化還原問題提供了便利。

1.3.2 取值不同

在一些情況下，原子的化合價取值可能恰好等于它的氧化值（指的均為絕對值，以下同），但實際上在很多情況下，這種“等值”不成立。化合價與氧化值在以下情況下不一致： （1）相同的原子成鍵；（2）配體原子（非中心原子）具有相反的電荷；（3）分子（基團）本身帶有電荷，而配位原子視為陽離子；（4）由二者取值范圍引起的差異，化合價表示原子成鍵時所使用的電子數，因此只能為非零整數，而氧化值關注的形式電荷，可以為整數或分數。具體情況及舉例可見表1。

表1 化合價與氧化值不一致的原因及舉例

原 因舉 例

（1） 相同的原子成鍵N2中N的化合價為3價，氧化值為0；Me4C中C的化合價為4價，氧化值為0

（2） 配體原子（非中心原子）具有相反的電荷CH2Cl2中C的化合價為4價，氧化值為0

（3） 分子（基團）中有配位鍵[NH4]+中N的化合價為5價，氧化值為-3

（4） 由二者取值范圍引起的差異Fe3O4中Fe的化合價為+2、+3價，氧化值為+8/3

1.3.3 應用不同

化合價的產生源于人們對物質結構的研究，隨著人們對物質結構、化學鍵本質認識加深，化合價的概念也隨之發展，因此化合價對于分析分子結構、分子性質等問題較為有效。而氧化值的概念則是由化合價發展而來的，它的提出主要是為氧化還原反應相關問題的解決提供便利。

例如，NH3中N的化合價為3價，這表明N在成鍵過程中使用了3個電子。而N的價層電子數是5，說明有兩個未成鍵的孤對電子，所以NH3還能額外成鍵，在配位化學中它是一個很好配體。

若某原子的化合價大于其價層電子數，要么其分子式錯誤，要么就是不能用“兩中心兩電子”的共價鍵表示。比如B2H6，若將其電子式表示為如圖1所示，則B的化合價為4價，大于B的價層電子數3，因此這種結構有誤，實際上其中包含兩個“三中心兩電子”的氫橋鍵。

又如，根據氧化值的取值規則，C元素的氧化值可由-4到+4，比如CH4中C的氧化值為-4，而CCl4中C的氧化值為+4，而氧化值是否能說明它們分子性質的差異呢？例如我們一般不會把CH4作為還原劑，也不會把CCl4作為氧化劑，因為造成這種差異是H的氧化值取了+1， Cl的氧化值取了-1。再比如Me4C和CH2Cl2都含有氧化值為0的碳，但兩者的化學性質沒有多少共同點。這些例子都表明氧化值并不能使我們深入了解分子性質。

再如，S2O2-3+2H+SO2+S+H2O，此化學方程式的計量數是客觀事實，在解決配平問題時根據氧化值的規則，將反應物中S的氧化值視為+2可使這個問題簡化。若用化合價解決該問題，由于硫代硫酸根中兩個S的結構不同，化合價也不同，雖然也能解決問題，但過程相對復雜，邏輯也會變得復雜。可見，氧化值正是繞過了結構問題，關注整體的電荷，因此讓相關問題變得簡潔。

2 研究設計

本研究采用訪談法探究教師對化合價和氧化值的混淆情況，具體情況如下。

2.1 研究對象

本研究選擇了15名化學教師作為訪談對象，其中初中教師7人，高中教師8人，男教師5人，女教師10人。

2.2 訪談設計

訪談內容主要是根據前文分析的化合價與氧化值的區別來設計的，其目的是探查教師對兩者是否混淆以及如何混淆。訪談的問題主要包括：

（1） 你能說出化合價的定義嗎？

（2） 請標出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的化合價。你取值的依據是什么？

（3） 你能說出化合價在化學領域中的作用嗎？

（4） 你還記得氧化值（數）的概念嗎？請說明。

（5） 請標出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的氧化值。

2.3 數據收集

本研究中數據的收集主要是在訪談過程中進行及時的紙筆記錄，另外，也運用了錄音筆來記錄語音信息。數據整理好后與參與者進行了確認。之后，主要依靠歸納對數據進行分析。

3 研究結果

3.1 化合價的定義問題

在被問及化合價定義時，教師的回答可以分為三種情況（見表2）。第一種情況是不知道定義是什么。第二種情況是把化合價理解為元素間相互化合時所表現出來的一種性質，比如有教師說：“我記得好像是描述元素間相互化合的性質。”第三種情況是教師在第二種情況的基礎上還給出了化合價取值的方式，比如有一名教師提到：“化合價是以一個H原子為單位，其他原子結合H原子個數是化合價。”

實際上，上述三種答案是遞進的。大多數教師能從化合價基本功能的角度給出化合價定義，這也可以看作是將初中教科書上的說法進行了延伸。而如何取值這部分內容在教科書上是以舉例的方式給出的，因此只有少數的教師能夠較為科學地描述取值依據。

3.2 化合價的取值問題

讓教師對具體化合物中的元素化合價進行標注有助于我們了解他們對化合價的具體理解情況。教師給出的結果如表3所示。六個化合物中，NaCl、 CCl4、 CH4、 N2這四個物質他們給出的答案是一致的。CH2Cl2教師給出的答案則不太確定，而Fe3O4則出現兩種答案。根據化合價的定義NaCl中Na為+1， Cl為-1， Fe3O4中Fe化合價為+2和+3， CCl4、 CH2Cl2、 CH4中C化合價為4， N2中N化合價為3，由此看出教師大多數的回答存在問題。而這些問題均可以用教師“混淆了化合價與氧化值的取值方式”來解釋。比如所有的教師都認為N2中N的化合價為0，根

據化合價的定義應該為3，而根據氧化值的取值方式才為0；再比如有教師認為Fe3O4中Fe的化合價為+8/3，這是典型的按照氧化值取值方式的結果。

由于在詢問定義的階段許多教師并沒說明化合價該如何取值，因此結合這些具體的例子我們補充詢問了教師取值的依據。其中有10名教師的依據是“背化合價表”，比如有教師說：“我是根據背的價態表，我認為這些值是人為的。”由此可以看出這種取值依據實際上是氧化值的取值慣例，而他們并不會主動從物質的結構來考慮。

3.3 化合價的應用問題

關于化合價應用的問題，根據15位教師的回答可以總結出以下幾點： （1）書寫化學式；（2）解決氧化還原反應的相關問題，比如判斷電子轉移情況、誰是氧化劑、誰是還原劑等；（3）解釋物質的性質。具體情況及人數見表4。其中“書寫化學式”所有的教師均提到此點，這是對化合價應用的基本要求；而回答“解決氧化還原反應問題”的有11名教師，實際上這一點應當是氧化值的應用。有3名教師提到化合價可以“解釋預測物質性質”，比如有教師舉例說：“比如Cl2處于中間價態，因此可以發生歧化反應，再比如可以解釋一些歸中反應。”

結合前文對化合價應用的分析可以看出，教師對化合價的應用了解的并不豐富，大多數教師能夠想到的應用只是中學里的要求，這是教師對化合價理解不深的必然結果。

3.4 氧化值的訪談情況

關于“氧化值”的訪談結果如表5所示。其中12名教師直接表示并不知道氧化值（數），1名教師表示：“聽過氧化值，但中學不用，所以說不了概念。”而有2名教師則認為氧化值和化合價是一樣的，沒什么區別。基于這種情況，接受訪談的教師實際上均未直接回答訪談設計中的問題（5），因為對于幾乎不知道氧化值是什么的教師，則無法回答，對于認為氧化值就是化合價的教師，則在回答化合價時已經回答。對此查閱了一些大學教材，比如由北京師范大學、華中師范大學、南京師范大學共同編著的《無機化學》中指出：“我們在高中化學里學到過，氧化還原反應的基本特征是反應前后元素的‘化合價發生變動。這種‘化合價是帶正負號的，可稱為‘正負化合價。1970年，國際化學聯合會（IUPAC）建議將這種‘正負化合價改稱為‘氧化值。[7]”可見，中學的“化合價”并不是真正意義上的化合價，而是“正負化合價”，而之后被稱為氧化值。對于這些概念的產生及來源不明晰的教師而言，會從這段文字中產生一種氧化值和化合價本質相同的錯覺，只是說法不同而已。這可能是造成許多教師本科階段學習了氧化值，但之后對氧化值沒印象的原因。

4 結論

上述結果表明： （1）中學教師對于化合價的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學課程標準對學生的要求上。也就是說，教師在化合價概念的理解方面并不比經過相關內容學習的學生深刻。其主要表現為： 大多數教師只能定性地描述化合價的定義，在化合價的取值方面教師主要是使用背“化合價”口訣的方法來取值，而應用方面表現為教師最多能想到的是書寫化學式以及解決氧化還原反應相關問題。（2）教師極易混淆化合價與氧化值，主要體現在取值方面，教師對化合價的取值實際運用的是氧化值的取值規則，因此運用“化合價”解決問題實際上是運用“氧化值”解決問題，而多數教師并不熟悉氧化值，少部分教師認為氧化值和化合價是一回事。可見，教師對混淆情況不易察覺。

5 對增進教師化學學科理解的建議

中學教師不熟悉氧化值，所使用的化合價概念其實更接近于氧化值概念，主要原因在于： 不同階段對同一概念的要求，出現很大偏差，客觀上造成理解困難。大學階段對于氧化值的介紹較為簡單，對化合價的介紹則幾乎沒有，因此沒有為加深理解創造足夠條件。針對這一情況，提供如下建議以供參考。

（1） 師范生培養階段應加強核心概念、重要概念的深入學習。一名學生在初中時就會接觸到“化合價”的術語，考慮到學生的接受能力，不會涉及其概念問題，但之后的高中階段、本科階段、研究生階段實際上也都沒有談及化合價的概念問題，而本科階段所提出的氧化值的概念又與中學的“化合價”類似，因此師范生畢業后走上工作崗位對這些相關概念就會有混淆。在師范生的培養階段可以有意識地加入核心概念、重要概念發展過程的教學內容，師范生學習這部分內容既能夠對概念的內涵、變遷有詳細的了解，也能在概念的發展過程中領悟到化學學科的思維方式方法，從而在職前增進教師對化學學科的理解。

（2） 教師職后發展階段要有問題意識，注重多渠道提高化學學科理解能力。教師入職以后直接參與學習的機會遠少于在校期間，但在工作中實際上也會有許多的資源來促使教師提高對化學的學科理解，而這需要教師具有問題意識，注重反思。教科書上描述模糊其實是一個很好的抓手，作為教師應當注重反思，然后查閱相關內容進行學習，除了獲取相關知識外，也應該結合學生情況充分思考教科書描述是否合理；可以充分發揮備課組的優勢，集體有針對性地對學科知識理解進行探討；通過“名師工作室”、“學科教研基地”等形式開展教研活動，以提升化學教師學科理解能力。

（3） 教師應在理解基礎上階段性把握相關問題。化合價的研究歷史悠久，許多化學大師都對化合價的問題進行過探討，要全面理解化合價并非易事。《義務教育化學課程標準》中“化合價”的內容標準是： 能說出幾種常見元素的化合價；能用化學式表示某些常見物質的組成[8]。由此可見，中學階段把化合價視為工具性概念，以應用為主，而淡化對其概念的掌握。而教科書也是配合課標進行的描述，符合課標的要求，使用這些概念及運算方式基本上能解決中學階段的各種問題。因此，教師應當充分地了解相關概念，但在教學中則需要階段性地把握該問題，讓所授內容在學生的認知范圍以內，以幫助學生順利處理相關問題。

參考文獻：

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[7]北京師范大學等無機化學教研室.無機化學（第四版）[M].北京： 高等教育出版社，2002： 350.

[8]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京： 北京師范大學出版社，2012： 25.