追寻人类询问自然的足迹

徐守兵

摘要：化合价是研究分子结构的核心概念 [1]。初中阶段，可从人们对惰性气体化学稳定性的探究出发，在理解的基础上建立化合价的概念，高中阶段，可在应用化合价解决氧化还原反应等相关问题的过程中进一步加深对化合价的理解。学生在学习化合价的过程中，理解了化合物中一种元素一定数目的原子和其它元素一定数目的原子结合的原因，体会着原子在构成化合物的过程表现出的神奇的组合作用，从而充分发挥化合价对学生掌握物质结构、氧化还原反应等知识的核心作用。

关键词：化合价；原子结构示意图；组合；惰性气体

文章编号：1008-0546（2018）11-0007-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.002

一、化合价概念的演变历程

化学家目前已知的物质已达1亿种以上，但自然界中存在的元素却只有90种，即便是算上人工制造的元素也只有112种左右。物质由如此少的元素构成的事实为化学家破解物质之谜提供了可能，然而，如此之少的元素可以构成各类繁多的物质，这又说明元素之间相互组合的方式是千变万化的。人类对元素组合成化合物规律的认识经历了较漫长的时间，期间提出了认识化合物组成规律的核心概念：化合价。

回望化学发展的历程，化合价概念的历史演变和人们对物质结构的认知相伴而行。

1799年，法国化学家普罗斯结合实验事实就提出了定组成定律：每种化合物都有固定的组成，不管这种化合物是天然的还是人造的。

1803年，英国化学家道尔顿提出了倍比定律：如果甲、乙两种元素能互相化合而生成几种不同的化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素相化合的乙元素的质量互成简单的整数比。

1852年，英国化学家爱德华·富兰克兰提出金属与其他元素的每一个原子在化合时具有一种特殊的性质，叫“化合能力”，即倾向于和一定数目的其他原子结合。此处的“化合能力”后来被称为化合价。

1857年，德国化学家凯库勒提出碳是四价，CH3是一价，CH2是二价，CH是三价，并确定N、P、As是三价的，O、S是二价的，H、Cl、Br、I、K等是一价的。由此提出了原子数的概念，即后来所说的化合价。

1904年，是科学史上倍受关注的一年，这一年，诺贝尔物理学奖和化学奖都颁发给了惰性气体的发现研究，惰性气体发现的意义，不仅是实现了周期表的完美结构，更重要的是惰性气体的化学稳定性使科学家找到了原子之所以相互结合的原因，是通过相互作用获得了与惰性气体一样的价电子排布，从而变得更加稳定。1914—1919年，路易斯等科学家创立和发展了原子价的电子理论，要点如下：（1）原子价可以分为共价和电价2种，共价是由2个原子共用一对电子构成的，电价是由正负离子间的库仑引力构成的。（2）原子在化合时失去、获得或共享电子，以使它的电子结构与周期表中最接近的惰性气体原子的电子结构相同 [1]。

后来，随着物质结构理论的发展，人们对原子之间相互作用的本质的认识不断深化，化合价不断发展，并分裂出几个新概念，其中最重要的是氧化数。近来，不断有人建议将中学教材中化合价用氧化数取代 [2]，笔者所在学校认为，中学化学教学的意义就是要让学生在学习化学过程中，不仅习得知识，更重要的是能够在化学学习中感受到人对自然的认识过程，以及人在与自然的交流过程中所进行的那些合乎认知规律的创造过程 [4]。鉴于化合价这一化学核心概念对认识物质结构、化学反应等具有的重要的意义，教学时在尊重人类对自然认识过程的基础上，将人类对元素组合成化合物规律进行适当的筛选，让学生理解并充分参与化合价概念形成的过程，不仅可以很好把握化合价这一物质结构的核心概念，而且能充分发挥它对学生掌握物质结构、氧化还原反应等知识的核心作用。可见，化合价与氧化数各有利弊。

二、对化合价教学内容的思考

2011年版《义务教育化学课程标准》规定，“化合价”的内容标准是能说出几种常见元素的化合价，活动探究建议为根据化合价写出常见化合物的化学式 [2]。人教版教材中化学式和化合价属同一课题，位于课题第二部分的化合价部分先介绍化合物有固定的组成，并举例说明形成化合物的元素有固定的原子个数比，介绍通过化合价可以认识化合物中不同元素的原子个数比间的规律，接下来重点以表格形式列举了一些常见元素和根的化合价，并介绍了确定物质中元素化合价的一些注意点。

高中人教版教材化学1（必修）要求：①能根据反应前后元素化合价有无变化，判断反应是否为氧化还原反应，并能结合具体反应分析理解元素化合价升、降是该元素原子失去（或偏离）、获得（或偏向）电子的过程；②能配平简单的氧化还原反应方程式。化学2（必修）要求：能结合元素的主要化合价等有关数据和实验事实认识元素周期律。选修3要求：能应用一些电离能数据分析原子逐级增大的电离能和化合价之间的内在联系，从而进一步认识元素主要化合价的周期性变化。

可见，现行初中教材和高中教材对化合价的要求衔接得不是很好，甚至是脱节的。现行初中教材是将化合价定位于工具性概念，淡化定义，重在应用其书写化学式。实际教学中，教师只是想办法编出顺口溜让学生记住化合价为书写化学式服务，并不要求学生理解化合价，学生也不知道化合价的概念，笔者在高二理科实验班教学时曾問学生化合价概念，全班竟无一人知道，哪怕是描述性语言也不能。这种不注重概念形成性的教学，学生当然不能很好把握，自然也就缺少概念的可发展性。如氧化还原反应概念的建立，伴随着学生对相关化学反应的认识由表及里，逐步递进的过程，不断深入的氧化还原概念能越来越清晰地揭示出氧化还原反应的实质，但由于初中学习不注重化合价概念的形成，学生很难将起源于经验与直观的氧化反应、还原反应，衍变为化合价升降的表观形式，从而扩大概念的外延；更难追溯化合价升降的本质是电子的得失，从而理解概念的内涵。在初中教学中，如果能够追寻人类询问自然的足迹，将“化合价”的教学立足在学生已有的原子结构的基础上，从人们对惰性气体化学稳定性的认识出发，探讨自然界中的活泼金属原子、非金属原子在追求化学稳定性过程中的可能行为，初中学生完全可以在理解的基础上建立化合价的概念，高中教学时在应用化合价解决氧化还原反应、化学键、元素周期律等相关问题的过程中进一步加深对化合价的理解，同时，在原电池、电解池、电离能等课题教学中要注意为化合价概念提供实验事实。这样，不仅有利于学生建立完整的化合价概念，期间经历的实验探究、证据推理、模型认知、宏微结合等教学过程也更有利于提升学生的化学核心素养。

三、元素化合价的主要教学片段设计

化合价概念的教学是从惰性气体稳定结构的学习开始的。学生们在聆听了“小数点后面的重量——惰性气体的发现”的故事后，对科学家通过严格测量来源不同的氮气密度的细小差异性，发现了化学性质特别稳定的惰性气体家族成员非常赞叹，同时自然提出一个问题，惰性气体化学性质特别稳定的原因是什么？教师可呈现零族元素的原子结构示意图，让学生观察惰性气体元素原子结构的共性，从而找到惰性气体元素的原子最外层都有8个电子（氦只有2个）的重要规律。接着呈现碱金属元素的原子结构示意图，让大家讨论碱金属元素的原子为了追求结构的稳定性可能会采取怎样的行动？学生不难想到碱金属元素的原子只要失去最外层的1个电子就可以形成惰性气体的稳定结构。失去电子意味着电子可以移动，同学们的已有认知中有金属元素的电子移动的经验吗？金属导电性的常识性知识让学生对金属原子价电子可失去性的逻辑推演有了可信的实验基础。那么，非金属元素如何追求结构的稳定性呢？类似的卤素原子结构示意图的讨论，容易让学生想到非金属元素可以通过得到一定数目的电子达到惰性气体的稳定结构，此时教师提出当钠原子与氯原子相互碰撞会发生什么，学生们对钠原子与氯原子通过碰撞转移价电子形成离子的过程充满了过程的想象，对氯化钠的化学式有了真正的理解，接着依次展开的是镁原子与氟原子，钾原子与氧原子，钙原子与硫原子三组原子碰撞中价电子转移及化学式书写的研究，之后，教师水到渠成地介绍在离子化合物中化合价概念的内涵，离子化合物中离子所带的电荷数，称做该元素的化合价，并通过讨论得出离子化合物中化合价的相关知识：一般来说，金属原子在变成离子时，总是失去最外层电子达到惰性气体的电子排布结构，形成阳离子；非金属原子在变成离子时，总是获得电子，使最外层电子达到惰性气体的电子排布结构，形成阴离子。在离子化合物中，阳离子所带的正电荷的总数（正化合价）与阴离子所带的负电荷的总数（负化合价）相等。即：离子化合物中，正、负化合价的代数和为零。接着，教师要学生从Na、K、Mg、Ca、F、Cl、O、S原子中任选一种金属元素原子、一种非金属元素原子，将其组合成相应的离子化合物，学生们在理解化合价概念形成的基础上写出了好多合乎要求的化学式，第一次看到了自然界中原子在形成化合物过程中的组合行为，理解了金属元素原子和非金属元素原子化合时，一种金属元素一定数目的原子与另一种非金属元素一定数目原子化合时的“价”。用元素化合价书写化学式知识是规则性概念，规则性概念教学主要是接受性学习，但在上述教学设计中，学生们主动参与了规则制定的过程，自然更容易把握规则的科学性，实现了规则性概念的意义建构。

非金属元素化合价知识的教学，是从“非金属元素之间怎样相互作用形成惰性气体稳定结构”的问题讨论开始的。首先以H原子和Cl原子相互碰撞形成稳定的HCl为例，学生们在经历解决Cl原子想得到1个电子获得稳定结构，而H原子也想得到1个电子获得稳定结构的难题时，不禁赞叹自然界的思想境界，合作共赢，形成1对共用电子对。在同样用原子结构示意图的方式表示出H原子和Cl原子之间通过形成1对共用电子对达到稳定结构的过程后，接着展开的是F、O、N、C四种原子中任一原子与合适数目H原子的组合，学生们画出四种原子结构示意图，尝试通过与H原子形成合适数目的共用电子对获得稳定结构，进而得到相应分子的分子式，在数形结合的分析中，学生们渐渐理解自然界中原子组合的定量规则，体验着与自然达到一种默契的喜悦之情。再讨论O、N、C三种原子中任一原子与合适数目F原子的组合，学生们有了先前H原子与Cl原子均可通过形成1对共用电子对获得稳定结构知识经验，很快成功写出了自己或许并不认识但却坚信自然界中存在的分子式，享受着迁移学习的快乐。在自然的学习状态中，学生们沿着教师教学的思路，开始尝试非金属原子之间其它的组合方式，C原子与O原子的组合，C原子需要形成四对共用电子对，O原子需要形成两对共用电子对，加之CO2是学生们非常熟悉的物质，学生们开始意识到自然界原子在组合的过程中，原子之间共用电子对的数目不一定是1对，（CN）2分子式的推导展现出智慧的光芒，而CO、NO、NO2化学式无法解释的困惑为高中课程继续学习激发了动机。

此时，化合价的另一种表现形式已经呼之欲出了，分子中不同种元素之间形成共用电子对的数目，也叫化合价，其中吸引电子能力强的原子上会带部分负电荷，显负化合价，吸引电子能力弱的原子上会带部分正电荷，显正化合价，化合价的数值等于共用电子对的数目。同种非金属原子之间的组合此时也已水到渠成，学生们结合原子结构意图能从容判断出H2、Cl2、O2、N2分子中原子间的共用电子对数，但由于同种原子吸引电子的能力相同，共用电子对没有偏移，化合价没有正负，规定为0。再对H2O2、N2H4、C2H6、C2H4、C2H2等化合物中双中心非金属元素化合价反常原因进行讨论，学生在推算双中心原子间共用电子对数目的过程中进一步加深了对化合价正负的理解。

高中氧化还原反应概念的建立是对元素化合价认识的进一步提升，教学时可以从回顾原子在组合成物质中产生化合價谈起，进一步讨论，物质在发生化学反应时，伴随着反应物的原子通过重新组合形成生成物，元素的化合价是否发生变化。学生们通过对初中所学常见反应化合价的分析，发现可以根据化学反应中元素化合价是否发生变化将化学反应分成两大类，一大类反应中元素化合价发生变化，包含初中所学的氧化反应、还原反应、置换反应等，另一类反应中元素化合价不发生变化，包含复分解反应等。由此发现了自然界中原子在一定条件下优化组合的另一个秘密，元素化合价有变有不变，由此自然而然引入氧化还原反应概念，在接下来进一步探寻反应中化合价升降的规律时，学生们再次发现了其和原子在结合成物质中元素化合价的变化规律相似，氧化还原反应过程中元素化合价的升降守恒。后续教材中结合元素周期表认识元素化合价，实现了对元素化合价的系统性认识。原电池中电流的检测及逐级增大的电离能实验数据的分析为元素化合价最终给出了实验依据。

爱因斯坦说过：“组合作用似乎是创造性思维的本质特征。”学生们在化合价的系统化学习过程中，了解着自然界以不多种类的原子通过组合创造丰富物质世界的原因，体验着自然的魅力，对进一步了解自然充满信心。