高中化学教学中重视数量关系

黄有进

化学反应方程式、离子反应方程式以及氧化还原反应中的电子守恒等这些组成化学最基本的知识都涉及一个简单但是十分重要的概念，那就是化学中的数量.高中化学研究的化学反应属于微观粒子之间的碰撞、互换以及重组等，涉及的数量有时与传统中的一致，有时不一致.

数量这个概念贯穿了高中化学的始终，从元素的概念，原子的组成结构，分子的组成结构，到后来的化学反应方程式、离子反应方程式，甚至电子守恒问题，都不可能不提到其中的数量变化.事实上，任何的物质，任何的知识，只要是提升到了科学的层面，就必然会涉及这个问题.如木炭在空气中会燃烧，这只是个常识的问题，一旦上升到化学的高度，就必然要涉及碳与空气中氧气的反应，一个碳原子结合一个氧原子或两个氧原子形成一氧化碳或者二氧化碳，而一个氧分子又是两个氧原子构成的.再往里推，碳原子和氧原子其中的质子数和电子数都是确定的，也正是这些确定的数量赋予了元素的性质.

下面结合自己的教学实践，对高中化学中涉及的元素、原子、分子、物质等化学概念中的数量关系以及微观与现实中数量的不同和统一问题进行总结和阐述.

一、元素与数量

元素是一类有着相同质子数的原子的总称，是区别各种物质最基本的概念之一.氢是氢元素，碳是碳元素，氧是氧元素，水是氢元素和氧元素组成的，元素的概念将这些物质天然地分离开来.同种元素可能有不同种类的几种原子，如目前发现的氢元素就有三种原子，也就是我们常说的氕、氘、氚，它们的原子核内的质子数都是1，但是中子数分别为0、1和2，原子核外电子与质子数相等都为1，所以化学性质完全相同.三种原子的质量相差很大，基本上是1∶2∶3的关系，在物理性质上有着巨大的差别.氕、氘、氚三种原子就形成了同属异形体，在化学界是一个普遍的现象.

各种各样的元素的质量在相互比较时，由于质量都非常小，并且每种元素都有若干种类的原子，确实存在着巨大的麻烦.因此，对质量这个量的一种统一就成为解决化学问题的一个关键.在化学发展的道路上，人们逐渐认识到，化学元素以及原子之间的差别的本质就是原子核内质子数和中子数的差别，电子数又等于质子数以维持原子的电平衡.而各原子中的质子和中子是没有区别的.实验表明，中子和质子的质量几乎相同，所以人们引入了相对原子质量这个概念来表示原子的质量，与现实中的质量就有了一定的区别.

事实上，人们发明了更加简便的方法，那就是阿伏伽德罗常数，这个常数为6.02×1023.这样，对于宏观与微观之间的量就通过数联系了起来，1mol的碳十二原子的质量就是12g，1mol水分子的质量就是18g.

二、化学反应与数的关系

化学反应的本质是原子之间的重新组合形成新的结构或者新的分子，也就是形成了新的物质.化学反应也是离不开数量的，不同比例的反应物会生成不同种类的反应产物.

例如，一个碳原子在充分燃烧时可以与两个氧原子形成CO₂，是一种无毒的气体，但是如果是不完全的燃烧，一个碳原子就只能与一个氧原子结合形成CO气体，是一种对人类有剧毒的物质.一个氮原子与一个氧原子结合可以形成NO气体，这是一种无色的气体，但是当其在空气中继续氧化，再结合一个氧原子，就会生成棕红色的NO₂气体.如果在反应时控制反应物的量不准确，造成反应失败的可能性也是有的.

三、元素化学性质与数量的关系

从元素周期表中，我们可以得出一个简单而朴素的道理：量变引起质变.数量的逐渐增加，到达一个临界时，就会形成性质上的变化.以第二个周期为例，第一个元素是Li，最外层只有一个电子，所以容易失去以形成最外层两个电子的稳定状态，所以Li有一定的金属性.然后，当电子增加一个，原子核对核外电子的控制增强了一点，原子的半径略微减小，失去电子的能力也有所减小，所以金属性减弱.随着最外层电子数目的增多，达到碳元素，最外层有4个电子，既可以失去电子带正电也可以得到电子带负电，金属性和非金属性都有表现，尤其是容易与四个其他原子或基团形成稳定的结构，成为了有机物的骨架元素.到达氧元素时，最外层电子为6个，容易从别的原子处获得电子来形成稳定结构，所以有一定的氧化性，也容易拿出两个电子与其他元素公用形成共价化合物，金属性就完全没有了.再往后就是氟元素，最外层只差一个电子就稳定了，表现出很强的氧化性.当电子再增加1个，最外层达到了最大值8个，形成了稳定的结构，因此氖元素几乎没有什么化学活性.

总之，数与量是任何知识上升到科学高度不可避免的一个概念.在高中化学的知识体系中，关于数量的概念主要是在潜移默化中对学生的科学思想进行影响.事实上，化学学到最后，就是各种元素、各种物质甚至各种基团的各种参数的组合和分析.在高中化学学习的过程中，重视对数量的作用进行分析和揣摩，对于学好高中化学有积极意义.