基于“結構決定性質”大概念統領的元素周期律復習教學

武衍杰

摘要：面對“元素周期律”教學長期存在的“元素性質替代物質性質”“機械記憶基于元素性質推理物質性質的路徑”等問題，通過多角度分析教學主題內容，確定了以“結構決定性質”大概念為統領，以“Z*/r”衡量核對電子的束縛能力為抓手，以不同層次物質性質遞變規律基本事實為依托，并關聯化學鍵、微粒空間排布等結構因素，開展大概念統領的元素周期律復習教學，幫助學生從結構層面理解元素性質與物質性質相似性和遞變性的原因。實踐效果表明，學生在課后能基于“結構決定性質”大概念準確找到解決陌生疑難問題的認識角度，體現了基于大概念教學的遷移價值。

關鍵詞：大概念；結構決定性質；元素周期律；Z*／r

文章編號：1008-0546（2023）10-0058-07

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.013

一、教學主題內容分析

1．教學研究現狀分析

元 周期律（表）是對零散的元素化學知識進行系統化的重要工具。多年的教學實踐表明該主題的教與學仍存在一些問題：（1）學生理解層面，元素性質直接等同物質性質、機械記憶基于元素性質推理物質性質的路徑，但不能從結構層面理解元素性質與物質性質相似性和遞變性的本質原因；（2）教師教學層面，教學僅體現“位一構一性”觀念，不注重建立“位一構一性”推理路徑或僅要求學生記憶推理路徑。如學生能通過元素非金屬性強弱推理氫化物穩定性強弱，卻不理解兩者為何有此聯系，這種推理實質仍是機械記憶，只具有解題價值，不具有認識價值。基于實踐中的問題該主題下涌現出大量教學研究，涉及教科書編制和對比分析研究[1-3]；基于一定教學理念的教學設計研究[4-6]；針對該主題的學習診斷與概念轉變研究[7-8]等。其中王磊團隊[9]針對該主題全面打開“位一構一性”模型作了深入研究，特別強化了基于原子結構認識元素性質，為一線教學提供了借鑒。但針對教學中如何從結構層面建立元素性質與物質性質間的聯系仍缺乏強有力解釋（圖1），如每輪教學中都有學生追問為何最高價含氧酸酸性強弱、簡單氣態氫化物穩定性強弱能表征元素非金屬性強弱？為什么強調“最高價”和“簡單”等？這都需要從結構視角作出解釋才能真正建立基于“位一構一性”的推理路徑，而不是形成記憶層面的從“（元素）性質”到“（物質）性質”的非本質機械推理。

2．不同版本教材分析

分析當前四套教材[10-13]中有關元素周期律內容的組織編排特點，可為教師進一步認識該主題的素養功能、設計教學活動和策略提供參考，4個版本教材的章節體系如表1。

結合表1及教科書具體內容可知，四個版本教材都將本部分置于“物質結構”主題背景下，其中“人教版”“魯科版”和“蘇教版”均采取基于原子結構認識元素周期律的編排方式，而“滬科版”采取先認識元素周期律事實再用原子結構解釋的編排方式。兩種編排方式都體現了結構決定性質的觀念。但不同的是除“魯科版”教材外，其他三個版本教材均將“化學鍵”內容與元素周期律內容并行安排，體現物質性質不僅與微粒結構相關還與微粒間作用有關。特別是“蘇教版”教材，還編排了基于“微粒空間排布”認識物質結構和性質，賦予了學生較為完整的基于“微粒結構一微粒間作用一微粒空間排布”認識物質性質的多重視角，這樣的編排利于糾正學生將物質性質等同元素性質（只由原子結構決定）的錯誤觀念。“魯科版”教材的優勢是強化了“元素周律”在研究陌生元素及其化合物性質中的預測功能。可見元素周期律的教學要置于認識元素及其物質性質的大背景下，充分發揮原子結構解釋（預測）元素性質和物質性質的工具性作用，在“物質結構”主題背景下注意引導學生認識影響物質性質的多重結構因素。基于上述分析嘗試以“結構決定性質”大概念統領元素周期律內容復習。

3．“結構決定性質”大概念對教學內容的統領性分析

大概念是一類具有抽象性、概括性和廣泛遷移價值的學科思想和觀念。[14]因此大概念的“大”不僅體現在其邏輯上是上位的，更體現在建構的大概念能帶給學生分析問題、解決問題穩定的認識視角。“結構決定性質”是統領元素周期律復習的大概念，一方面其高度概括了以“元素周期律”內容為核心的知識及知識結構，如原子結構、元素性質和物質性質的遞變規律及其兩者間的關系等，另一方面賦予學生“性”依賴于“構”“構”決定“性”的學科觀念。學生在化學學習中緊緊抓住“結構”這一關鍵要素，形成富有邏輯的認識物質的思維方式，如要認識元素性質，必須認識原子結構，要認識元素性質的遞變規律，必須認識原子結構的遞變規律，認識宏觀物質性質亦是如此。因此“結構決定性質”不僅在主題內容知識上具有統領性，還外顯了問題解決的思路方法。

二、“結構決定性質”大概念統領的元素周期律復習策略選擇

1．基于Z*／r衡量核對電子的束縛能力，認識原子結構與不同層次物質性質的關系

物質的性質是由結構決定的，基于物質結構的尺度，可將物質分為原子、分子（離子）、宏觀物質等三個層次（圖2），任一層次物質的性質都與原子核外電子的行為有關。因此在元素周期律教學中除了要建立原子結構與元素性質的關系，還要認識原子結構對宏觀物質性質的影響。影響原子核外電子運動的結構因素主要是有效核電荷Z*和原子半徑r，有效核電荷越大，半徑越小，核對外圍電子的束縛作用越強，因此可以用它們的比值表征原子核對外層電子的吸引作用。此外基于電性作用Z*／r在物質層面還具有另一層次的含義，在無機化學上Z*還可表示陽離子所帶電荷，Z*／r也稱離子勢，可用于評估陽離子En+的電場強弱，離子勢越大，電場越強，則E葉對其結合的原子吸引就越強，可以想象Z*／r值的變化將深刻影響物質的相關性質。圖3呈現了在課程標準要求范圍內基于Z*／r對不同層次物質性質的解釋。因此以Z*／r為抓手，建立原子結構與不同層次物質性質的關聯，是后續進行復習課教學設計的基礎。

2．“物質結構”主題背景下的“元素周期律”復習要關聯影響物質性質的多重因素

傳統的“物質結構”主題背景下的元素周期律教學對物質性質的認識只關注原子結構因素，忽略了化學鍵、晶型等對物質性質的影響，造成學生元素性質與物質性質不分或元素性質等同物質性質。如很多學生認為N非金屬性較強，N較活潑，推理出N2性質也很活潑的錯誤結論。“蘇教版”必修教材的編排對如何設計教學糾偏學生的錯誤觀念有啟示作用，其將微粒間作用和微粒空間排布對物質性質的影響與元素周期律內容安排在同一專題，賦予學生較為完整的基于“微粒結構一微粒間作用一微粒空間排布”認識物質性質的多重視角。建議完成必修“物質結構”主題內容的學習后，在基于原子結構認識物質性質的基礎上，發展學生基于化學鍵、微粒空間排布等視角認識物質性質的能力。當然必修階段的教學要求僅限于了解水平，其主要目的在于引導學生全面認識影響宏觀物質性質的結構因素，而不能盲目加深知識難度。至此，可建構基于物質性質（包括元素性質）的遞變規律為基本事實，基于Z*／r（表征核對電子的束縛）、化學鍵、微粒空間排布等為核心概念，支撐大概念發展的概念層級結構（圖4）。

三、“結構決定性質”大概念統領的元素周期律復習設計

1．教學目標

大概念統領的化學教學主要存在導引式和提升式兩種形式，導引式是指在單元教學的開篇進行大概念建構，提升式是指在單元教學的結尾進行大概念建構。[15]“結構決定性質”大概念視角下的元素周期律教學，是學生高一必修階段完成“物質結構”主題下“原子結構、元素周期律（表）、化學鍵”等內容后開展的一節提升式復習教學。具體教學目標如下：

（1）基于同主族、同周期元素性質的遞變規律，能從原子結構的角度自主分析結構與性質的內在聯系，以“Z*/r”衡量核對電子的束縛為大概念建構的抓手，形成從原子結構到元素性質的完善推理路徑。

（2）基于同主族、同周期物質性質的遞變規律，應用“Z*／r”自主解釋物質性質呈現周期性變化的原因，形成從物質結構到物質性質的本質推理路徑。

（3）基于元素性質與物質性質區別，認識化學鍵、微粒空間排布對物質性質的影響，豐富影響物質性質的認識視角，認識影響物質性質的多重因素。

2．教學流程

遵循建構大概念、應用大概念、豐富大概念的教學邏輯，基于基本事實和核心概念進行大概念建構，豐富學生基于多重結構因素認識不同層次物質性質的能力，教學流程如圖5。

3．教學實施

（1）基于原子結構預測元素性質——建構大概念

【教師提問】“結構決定性質”是化學學習的大概念。通過前面元素周期律內容的學習，已經知道，元素性質與原子結構密切相關。元素性質在周期表中的遞變規律如何？

【學生】同周期從左到右，半徑逐漸減小，元素原子的金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強，最高正價逐漸增大；同主族從上到下，半徑逐漸增大，元素原子的金屬性逐漸增強，非金屬性逐漸減弱。

【探尋關鍵結構要素】金屬性、非金屬性強弱是原子核對核外電子束縛能力的表征，你認為核對電子的束縛能力與什么有關，依據是什么？

【學生】與原子的半徑和原子的核電荷有關。初中物理學過庫倫定律表明兩電荷間的作用力的大小跟電荷量的乘積成正比、與它們之間的距離成反比，即F=k （q1 q2）/r2，原子核和核外電子都可以抽象為帶電的粒子。

【教師追問】那能否從原子結構的角度完整對元素性質的遞變規律進行推理？

【學生】同周期從左到右，電子層數相同，元素原子的核電荷數逐漸增大，半徑逐漸減小，核對外圍電子的吸引作用逐漸增強，得電子能力逐漸增強；同主族從上到下，電子層數逐漸增加，半徑逐漸增大，核對外圍電子的吸引作用逐漸減弱，失電子能力逐漸增強。

【突出矛盾點】同主族從上到下，核電荷數也在逐漸增加，根據庫侖定律會造成核與電子間的相互作用增強，如何理解其與半徑增大造成核與電子間相互作用減弱之間的矛盾。

【學生】核電荷數增加與半徑增大是影響核與電子間相互作用的一對矛盾，同主族從上到下半徑增大占據主要矛盾，相當于在庫侖定律中分母增加的幅度更大，因此同主族從上到下核與電子間的作用減弱。

【教師梳理】突出主要結構要素對元素性質的影響（圖6）。

【外顯大概念的認識角度】既然核電荷越大①、半徑越小核對電子的吸引作用越大，那就要綜合考慮兩者對電子行為的制約作用，能否將這兩個要素進行統整。

【學生】結合庫倫定律，可以對兩者作商，Z術／r值越大，核對電子的吸引作用越強。

【教師補充】其實化學家就是用Z*／r表征原子核對外層電子的吸引作用。此外這里的Z術也可表示陽離子所帶的電荷，因此這個比值也稱為離子勢，可用于評估陽離子En+的電場強弱，離子勢越大，電場越強，則E葉對其結合的原子吸引就越強。也就是說我們建構的Z*／r模型不僅可以表征原子層面核對電子的吸引作用，也可用于表征分子（廣義分子）內部核對電子的吸引作用，即原子結構還可以用來解釋、預測物質性質。

（2）基于原子結構解釋、預測物質性質——應用大概念

【教師提問】根據元素周期律的知識，如何建立元素性質與物質性質間的聯系？

【學生】元素原子的金屬性強弱可通過單質的還原性、最高價氧化物對應水化物的堿性強弱判斷；元素原子的非金屬性強弱可通過單質的氧化性、最簡單氫化物的穩定性、最高價氧化物對應水化物的酸性強弱判斷。

【教師設疑】大家有沒有思考過為什么可通過上述方法進行互相推理，其本質原因是什么？以金屬性強弱判斷的方法為例，大家嘗試解釋一下。

【學生討論匯報1】引導學生應用Z*/r進行解釋。原子Z*/r越大，奪取電子的趨勢越大，失去電子的趨勢越小，因此同周期從左到右對應單質的氧化性越來越強，還原性越來越弱；同主族從上到下對應單質的還原性越來越強，氧化性越來越弱。

【教師追問】能否基于Z*／r解釋最高價氧化物對應水化物的堿性強弱的遞變規律？

【學生討論匯報2】堿性強弱即為電離出OH一的能力，各元素所對應的堿可簡化表達為E-O-H形式，En+的離子勢越大，則En+對02-的吸引作用越強，則電離出OH一的能力越弱，堿性越弱。同周期從左到右，離子勢逐漸增大（中心離子電荷增加，半徑變小），堿性逐漸變弱，如堿性NaOH>Mg（OH）2>Al（OH）3；同主族從上到下，離子勢逐漸減小（中心離子電荷相同，半徑變大），堿性逐漸變強，如堿性LiOH

【教師追問】很好，同學們能基于微粒間的靜電作用關聯化學鍵知識，是一個很好的想法。從靜電作用的角度思考，如果En+對O2-的吸引非常強，可能會造成什么影響？

【學生思考】這種吸引力可能會傳導至O-H鍵上，使O-H之間的共用電子對更偏向于O，相當于削弱了O-H鍵，有可能會電離出H+。

【教師追問】從這個角度你能嘗試解釋為什么AI（OH）3顯兩性嗎？

【學生討論匯報4】在Al3+的影響下（離子勢非常大，削弱了O-H鍵），造成A13+與02-的作用力大小和O-H之間的作用力大小差不多，所以既有可能電離出OH一，也有可能電離出H+，斷鍵方式如圖7②。

E+O+H

堿酸

圖7 斷鍵方式

【教師總結】我們從結構的角度理解了氫氧化鋁呈兩性的原因，可以想象，元素的離子半徑越小，離子所帶的正電荷越大，那么En+對O2-的吸引作用就越強，在水溶液中越容易電離出H+，酸性越強，反之堿性越強。那你現在能解釋最高價含氧酸酸性的遞變規律了嗎？

【學生匯報】學生基于Z*／r解釋酸性HClO4>H2SO4>H3PO4; HNO3>H3PO4等。

【教師追問】為什么酸性比較時，強調最高價。（要求學生寫出HC1O4和HCIO的電子式，提示除H外都達八電子穩定結構，建議從結構的角度分析原因）

【教師引導，學生分析】根據提示畫出圖8所示的電子式，發現在非最高價含氧酸中，中心元素原子會存在未共用的電子，而這些未共用的電子會對中心原子吸引電子的能力造成不同程度的削弱（電子間排斥），這樣就不具有可比性了。因此，強調最高價是為了在統一標準的前提下比較元素最大吸電子能力。

【教師提問】如何基于Z*/r解釋最簡單氫化物穩定性的遞變規律？

【學生匯報】比較簡單氫化物穩定性同樣可以構建E-H鍵連模型，Z*/r的值越大，核對共用電子對的吸引作用越強，共價鍵越不容易斷開，穩定性越強。例如同周期從左到右Z*／r的值變大，簡單氫化物穩定性增強。

【教師追問】為什么強調最簡單氫化物呢？

【學生】類比最高價含氧酸的問題，應該也是為了統一標準。根據E-H鍵連模型，強調的是中心原子與H之間的共價鍵強度，如果不是最簡單氫化物的話可能會有其他化學鍵的干擾，比如H202中，過氧鍵就不穩定，就不能作為O與其他元素非金屬強弱比較的氫化物。

【遷移應用】介紹對角線規則，列舉基于對角線規則下物質性質相似性的事實，引導學生運用Z*／r進行解釋，診斷學生遷移應用能力。

【學生匯報】學生基于處于對角線位置幾種元素核電荷和半徑的變化規律，發現處于對角線位置的幾種元素其Z*/r非常接近，因此性質相似，再一次論證了結構與性質的密切聯系。

（3）基于多重結構視角認識物質性質一豐富大概念

【教師過渡】原子結構與元素性質、物質性質密切相關，是否物質性質只與原子結構相關呢？展示金剛石、石墨、石墨烯、足球烯等幾種碳單質的結構（圖9），并介紹其性質千差萬別，提問可能原因是什么。

【學生】學生通過觀察幾種物質的結構發現碳原子的空間排布不同，導致了它們性質的差異。

【教師提問】大家畫出N和N2的電子式，預測兩者性質的差異及其造成這種差異原因，并通過相關事實論證。

【學生分析】學生通過電子式分析兩者結構發現，N原子得電子能力強，非金屬性較強，但N2分子中存在三根化學鍵，使得氮氣性質非常穩定。并以氮氣在空氣中穩定存在、需在放電條件下才能與氧氣發生反應等事實進行論證。

【教師梳理，豐富大概念認識角度】可見影響物質性質的因素不是單一的，除了微粒種類（結構）外，微粒間的相互作用和微粒的空間排布也都是影響物質性質重要因素（圖10）。未來的學習中，將更深入地研究微粒作用和微粒空間排布等因素是如何影響物質性質的。

四、教學實踐效果

學生通過本節課的學習，能否依賴大概念在遷移問題中穩定地形成分析物質性質的結構視角，是檢驗本節課教學效果的標準。在設計測試問題時，考慮盡可能避免采用學生熟悉的知識點，防止僅靠回憶解決問題，同時又要能基于大概念的認識角度作為抓手進行分析。因此在授課結束后，設計了基于對陌生物質性質遞變規律的“異常”進行分析解釋的問題。試題如下：已知Al和Ga是同一主族的元素，兩種元素對應的最高價氧化物的水化物的堿性強弱不符合物質性質遞變規律，強弱為AI（OH）3>Ga（OH）3，從原子結構的角度對上述事實嘗試解釋。這一任務在學生未學習過d電子云空間分布較為彌散，造成屏蔽效應減小的內容前，是難以作出準確回答的。但我們并不期望學生給出標準答案，而是希望學生能夠主動調用Z*/r這一抓手，給出“相比于A1來說，Ga核電荷Z*的增加幅度超過了原子半徑r的增加幅度，造成Z*／r的值增大，對應堿的堿性減弱這樣的分析思路”即可，這是問題解決的關鍵思路。根據學生作答，80%以上的學生都能基于核電荷和半徑增大對外圍電子吸引相互制約的角度進行較為準確的描述。充分體現了大概念的遷移價值。

但需要說明的是雖然Z*/r對元素性質和物質性質遞變規律具有很強的解釋力，但也要注意不能將其作為一個放之四海而皆準的規律，例如元素性質還與原子構型有關，任何理論都有其適用范圍。我們引入Z*/r的主要目的是賦予學生認識元素性質和物質性質的結構視角，讓學生能基于結構視角理解元素性質和物質性質的遞變規律而不是死記硬背。

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