以“元素化合物”知識為載體培養學生的價態觀

蔣芬芬

摘 要：利用二維關系圖詳細地分析了Fe、N和S三種元素所包含的氧化還原知識，即價態觀的實際應用.幫助學生建立起利用二維關系圖學習一種元素的方法.運用價態既便于記憶又能更深刻理解，要構建起化學基本觀念，必須在深入理解化學學科特征的基礎上所獲得的對化學的總觀性的認識.

關鍵詞：價態觀;元素化合物;高中化學

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2022）25-0128-03

1 前言

“元素化合物”知識是化學必修課程的重要組成部分，在化學必修一課本的最后兩章內容集中學習，包括金屬及其化合物和非金屬及其化合物，知識量非常大，學生學起來很困難，知識點多而雜，規律性不強，大部分地學生都對這部分有畏難情緒.

筆者認為在進行元素化合物該部分知識的教學時，“元素化合物知識”僅僅是一個載體，更加重要地是讓學生通過“元素化合物”知識地學習掌握化學核心觀念的元素觀、分類觀和轉化觀.還要讓學生在學習“元素化合物”知識的過程中深刻體會實驗觀以及價態觀，并通過該部分知識與環境保護方面的息息相關，建立社會責任感，體會化學的價值觀.化學變化觀概括著人們對化學變化的特征、本質、規律、價值、研究方法以及有關認識的發生、發展等重要問題的認識和看法.化學的變化觀包含物質類別之間的變化、能量的變化以及不同價態之間的轉化，下面以“元素化合物”知識為載體來探討一下其中涉及的價態觀，如何在“元素化合物”知識部分更好地利用價態觀.

2 引例分析

把氧化還原反應理論融合到“元素化合物”知識中是高中化學新課程必修一的一個突出特點.初中化學中，學生已經學習了四種基本反應類型，已經認識到了元素化合物之間的一些規律性.在高中化學課程中元素化合物部分的知識里有很多氧化還原反應方程式，學生很難理解反應的特征，無法尋找出反應的規律.在學習Na、Al、Fe、Cu、Cl、S、N元素及其化合物時，會遇到很多困惑，面對里面多而雜的化學方程式，學生很難找出反應的特征和規律，所以很難記憶這些復雜的化學方程式，在書寫化學方程式的時候就會很困難.如果在高考題中碰到教材里引申出來的相關聯反應，學生更是無從下手.在化學反應中，元素的化合價是否發生變化，很好地體現了化學反應的多樣性和復雜性，又揭示了物質變化的另一個重要特征.氧化還原反應是通過分析元素化合價的變化來尋找這類反應的規律，進一步上升到反應的本質是電子的得失，讓學生從簡單化合價入手可以更好地幫助學生找到學習氧化還原反應的方法.通過氧化還原反應理論來指導“元素化合物”知識的學習，能培養學生運用“價態觀”來學習化學的一種思維習慣.對于一些較復雜的化學反應，學生運用元素“價態觀”，對問題的解決就容易多了.

二維物質關系圖是以元素為核心的、以價態和物質類別為坐標的二維物質關系圖，應用于不同元素時，坐標會出現變化.以Fe、N、S這三種元素為例，來探討其中所包含的價態觀.

Fe元素的價態為0、+2和+3價，與鐵相關的常見物質有單質、氧化物、鹽和堿.根據這些內容構建Fe的二維關系圖，如圖1所示.

Fe容易被氧化劑O2氧化成FeO、Fe2O3、Fe3O4.氧化物又可與非氧化性酸（如：HCl、稀H2SO4等）反應生成亞鐵鹽和鐵鹽.兩種不同價態的鹽之間又可以相互轉化.利用價態觀，以Fe元素為核心的物質轉化主要有兩種形式：（1）同種價態不同物質類別之間的轉化，例如Fe（OH）3和FeCl3的轉化、Fe（OH）2和FeCl2的轉化，同價態之間的轉化可通過復分解反應達成，例如酸堿中和反應、酸堿與鹽的反應;（2）同種元素不同價態之間的轉化，例如FeCl3與FeCl2的轉化.轉化則需要通過氧化還原反應來實現.亞鐵鹽轉化為鐵鹽，則需要加入氧化劑，如氯水、過氧化氫、酸性高錳酸鉀溶液以及硝酸等;而鐵鹽轉化為亞鐵鹽，則需要加入還原劑，例如單質Fe、Cu、I-、S2-、Vc等.他們的氫氧化物之間也可以互相轉化，因為氫氧化亞鐵不穩定，容易被空氣中的O2氧化成氫氧化鐵.

Fe3+、Fe2+ 的檢驗方法.可以通過兩種方法來進行檢驗，第一種是加入NaOH溶液：

Fe3++3OH-Fe（OH）3↓（紅褐色沉淀）

Fe2++2OH-Fe（OH）2↓（白色沉淀變成灰綠色最后變成紅褐色）

第二種方法是加入KSCN溶液，Fe3+與SCN-結合生成血紅色的絡合物;Fe2+滴加KSCN溶液后無明顯現象，再加入氧化劑氯水、過氧化氫等均可，出現血紅色，則表明原溶液中有Fe2+.根據物質的價態、所屬類別，通過元素價態觀直觀地引導學生體會和預測已學過和未學過物質的性質，讓學生掌握學習的一種方法.當學生把關注轉化關系內化為一種觀念，把從價態和物質類別變化的角度認識物質和反應，內化為一種思想方法的時候，學生就找到了高中階段學習元素化合物的根本方法.

非金屬元素N也同樣可以利用價態觀來幫助學生更好地學習理解它們之間的關系.N的價態主要有-3、0、+2、+3、+4、+5，包含的物質類別有氫化物（NH3）、單質（N2）、氧化物（NO、NO2）、酸（HNO3）、鹽[Cu（NO3）2]等.據此構建N元素的二維關系圖，如圖2所示.

從N元素的二維關系圖可以看出，氮元素的價態比較多，涉及的物質種類也較多.如果靠簡單記憶可能需要花很多的時間，未必能取得很好的效果.但是如果利用這個二維關系圖加上化學核心觀念中的價態觀，對于學習氮的相關物質之間的轉化就要容易得多了.

（1）相同價態之間，NH+4轉化為NH3，就是實驗室制取氨的原理：

Ca（OH）2+2NH4ClCaCl2+2NH3↑+2H2O

（2）從-3的NH3與+2價氧化物之間的轉化，即為氨的催化氧化：

4NH3+5O24NO+6H2O

（3）單質與氧化物之間的轉化：

N2+O22NO

2NO+O22NO2

3NO2+H2O2HNO3+NO

（4）氧化物與酸之間的轉化：

3NO2+H2O2HNO3+NO

（5）酸與鹽之間的轉化：

Cu+4HNO3（濃）Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

3Cu+8HNO3（稀）3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

以價態為線索，各價態之間的轉化關系清楚了，學習N元素就容易多了.運用化學核心觀念之價態觀，能幫助學生構建知識網絡體系，讓“元素化合物”知識的學習變得更加容易.引導學生將知識網絡進行延伸，實現由“學”向“用”，由“是什么”向“為什么”的轉變. 讓學生從中體會元素價態觀，掌握思考和答題的方法.

非金屬元素S的價態主要有-2、0、+4、+6，包含的物質類別有氫化物（H2S）、單質（S）、氧化物（SO2和SO3）、酸（H2SO3和H2SO4）、鹽（CuS、CuSO4）等.據此構建S元素的二維關系圖，如圖3所示.

從S元素的二維關系圖可以看出，硫元素的價態比較多，涉及的物質種類也較多.如果能夠對物質進行分類，結合物質類別與價態之間的關系，系統地學習，這將大大提升學習效率的作用.

（1）-2價的硫.S元素的最低價-2價是氫化物H2S，它是一種弱酸，具有一般酸的通性.它能通過酸堿中和反應轉化為同價態的鹽類物質，另一方面它有較強的還原性，可以被氧化劑氧化成0價的S單質，例如：

2H2S+O22S↓+2H2O

2H2S+SO23S↓+2H2O

（2）0價的硫.S的游離態是一種淡黃色的固體，性質較為穩定.如果在日常生活中打碎了水銀溫度計常用它來處理.它與氧氣反應生成SO2.

（3）+4價的硫.SO2是無色氣體，有強烈刺激性氣味，是大氣主要污染物之一.由于煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃燒時會生成二氧化硫.當二氧化硫溶于水中，會形成亞硫酸（酸雨的主要成分），亞硫酸不穩定又會分解成二氧化硫和水.若在催化劑條件下，SO2進一步氧化，生成SO3，便會生成硫酸（H2SO4）.酸堿中和反應會生成相應的亞硫酸鹽.亞硫酸鹽和硫化鹽發生歸中反應，生成S單質.

（4）+4價的硫.S元素的最高價是+6價，對應的氧化物是SO3，酸是H2SO4，鹽是硫酸鹽.稀硫酸具有一般酸的通性，濃硫酸則具有一些不同的性質：吸水性（作干燥劑）、脫水性（能把有機物中的H、O按2∶1的比例脫出來）、酸性、強氧化性.

（5）結合所學的知識解決酸雨帶來的環境問題.通過實驗探究轉化關系，應用轉化關系設計工業原理，應用轉化關系分析酸雨的形 成與防治.層層遞進，讓學生真正掌握一種元素的學習方法.

除了以上列舉的Fe、N和S元素以外，其他的元素也可以按照這樣的模式，建立二維關系圖，以價態為線索，運用價態規律既便于記憶又能更深刻理解.價態規律在“元素化合物”知識的學習中是非常行之有效的.通過對鐵、氮、硫及其化合物的性質有一定的認識之后，還能對它們的化合物的保存、制備、分 離、提純、應用有一定的了解，甚至在生產生活中都能體現它們的化學學科價值.要構建起化學基本觀念，必須在深入理解化學學科特征的基礎上所獲得的對化學的總觀性的認識.它的形成不能靠知識的簡單積累，不可能通過大量記憶化學知識而自發形成，它需要學生在積極主動的探究活動中深刻理解和掌握有關的化學知識和核心觀念，在充分應用所學知識分析問題與解決問題的過程中不斷概括、提煉而形成.元素化合物知識部分充分地體現了化學核心觀念之價態觀.

參考文獻：

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[責任編輯：季春陽]