基于“模型认知”的元素化合物教学认识

卓高峰 魏樟庆

摘要： 从物质的性质认识模型、物质的转化认识模型、两种认识模型的教学认识三个角度，系统地认识物质的性质、物质的转化、化学反应规律等，探索“模型认知”在元素化合物教学中的应用。

关键词： 核心素养; 认识模型; 模型认知; 元素化合物; 化学教学

文章编号： 10056629（2018）12003204中图分类号： G633.8文献标识码： B

“证据推理与模型认知”是高中化学学科的核心素养之一，其“模型认知”内涵为通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。简言之，学习化学要学会建构模型、应用模型。

元素化合物的知识是中学化学重要的组成部分，是认识物质世界，解决化学问题的重要学科基础。整个中学阶段涉及的元素化合物种类繁多、性质琐碎、反应规律复杂，往往使学生易学难记，产生畏难情绪。而化学认知模型作为一种有效的认知工具，可以帮助学生把化学知识高度浓缩，将次要的非本质的信息滤去，使重要的本质性知识形成清晰的知识框架，纳入学习者已有的知识体系中[1]。本文拟结合教学实践，探索“模型认知”在元素化合物教学中的应用。

1 物质的性质认识模型

元素化合物知识注重物质的性质与应用，其中“物质的性质”是核心，物质的性质决定了物质的用途、制法、保存等，不认识物质性质，就不可能理解物质的应用。物质的性质是由其元素组成和内部结构所决定的，不从组成和结构角度认识物  质性质，就难以形成对物质性质的深入理解。物质的性质认识模型可分为三个维度： 分析组成元素→物质类别→物质的性质;分析核心元素的价态→物质的氧化性或还原性;物质的特性。

1.1 从物质的通性角度认识物质的性质

根据物质组成和性质，可以将纯净物分为单质、氧化物、酸、碱、盐等。同一类物质在组成和性能方面往往具有一定的相似性。对物质进行合理的分类，有助于我们根据物质的类别通性认识物质的性质。高中化学学习的典型物质有： 氯、硫、氮、钠、镁、铝、铁、铜等元素的单质与化合物，下面以非金属元素为例，从物质的通性角度来认识物质的性质（如图1、图2、图3）。

1.2 从核心元素的化合价角度认识物质的性质

分析核心元素的化合价升降情况可推测物质可能具有的氧化性或还原性，最高价元素只有氧化性、最低价元素只有还原性、中间价态元素既有氧化性又有还原性。

1.3 从物质的特殊性角度认识物质的性质

元素化合物的性质是有规律的，但由于个性的原因，在规律上又有一些不同，具有独特的性质。

因此，物质的性質认识模型可归纳为如图4所示：

以非金属单质（Cl2、 N2、 S）、非金属氢化物（NH3）、酸性氧化物（SO2、 SiO2）、酸（HNO3、 H2SO4）、盐（NaNO2）为代表，认识以非金属元素为主线的五类代表物的性质。如Cl2、 SO2的性质认识模型如图5、图6所示。同理，可以归纳以金属元素为主线的代表物的性质。

2 物质的转化认识模型

含同种元素的物质多种多样，它们在一定条件下可以相互转化。为梳理物质间的相互转化，可列出关键物质，以关键物质为联结点，将各种物质之间的转化串成线，连成网，构建物质的转化认识模型。

2.1 以物质类别为线索

金属钠、镁、铝元素，涉及元素的化合价变化少，可以以物质类别为线索构建物质转化关系图（如图7、图8）。

2.2 以化合价为线索

非金属元素N、 S等，涉及元素的化合价变化多，为弱化同价态物质间的相互转化，突出氧化还原反应，可以以化合价为线索，构建物质转化关系图（如图9、图10）。

2.3 以化合价、物质类别为线索

变价元素Fe、 N、 S等，化合价变化多，同价态的化合物种类多，可以以化合价、物质类别为线索构建物质的转化关系，即用价类图表示。以化合价为纵坐标，物质的类别（单质、氧化物、酸、碱、盐等）为横坐标，在二维平面内所绘制的图像叫价类图。价类图从物质核心元素的价态变化和物质的分类2个视角，构建物质相互转化的知识网络，具有直观、线索清晰、引导性强等特点，突出同价态、不同价态物质间的相互转化规律。价类图适合变价元素，典型的元素有Fe、 S、 N等元素，构建转化关系时，可以做适当的变通，物质类别的顺序、化合价的顺序不一定严格地按照坐标系的规律来建构（如图11、图12）。

3 物质的性质与转化认识模型的教学认识

3.1 系统地认识物质的性质

根据物质的性质认识模型，遇到变化多端的元素化合物问题时，能从物质类别、化合价、特殊性三个角度发现不变的核心问题。对于熟悉的元素及其化合物，能从认识模型中及时提取性质信息，解决化学方程式识记难等问题;对于陌生的物质，能够应用模型进行有效的推理，提升基于学科方法的预测能力。

物质的转化认识模型中以某种物质为中心的转化，均可化归为该物质从化合价角度、物质类别角度来认识物质的性质，即从物质的性质认识模型来学习。例如硫及其化合物中，SO2和H2SO4是两种重要物质，以SO2为例，SO2→H2SO4、 SO2→SO3、 SO2→S可从化合价角度认识;SO2→Na2SO3可从物质类别角度认识。

因此，物质的性质、转化认识模型可以系统地认识物质的性质，不仅知道一种物质的性质，还可以拓展到一系列物质的性质，好比既见树木，又见森林。

3.2 理解物质的转化规律

物质的性质认识模型、物质的转化认识模型，均涉及两类反应。通过氧化还原反应可以实现含有不同价态同元素的物质之间的转化，通过非氧化还原反应可以实现含有相同价态同元素的物质之间的转化。

3.2.1 非氧化还原反应

非氧化还原反应大多数是复分解反应、酸碱反应，因此要遵循复分解反应规律、酸碱反应规律。

对复分解反应原理的认识，经历过三个阶段[2]。第一阶段是直观地认识反应，只要两种物质在水溶液中相互交换离子，有沉淀、气体、水生成，反应就能发生，不理解反应的本质。第二阶段，从生成弱电解质、难溶物质、易挥发性物质判断反应的发生，理解复分解反应的本质是向离子浓度减小的方向进行。可具体拓展到“强酸制弱酸”、“强碱制弱碱”、“溶解度大制溶解度小”的实例，丰富了复分解反应形式上的认识，加深了对反应本质的理解。第三阶段，利用化学平衡移动原理、电离平衡常数、溶度积常数来判断复分解反应能否发生。例如CO2通入到CaCl2溶液中，能否有沉淀产生？可从平衡常数的角度来解释，利用Ka1（H2CO3）、 Ka2（H2CO3）、 Ksp（CaCO3）计算Ca2++H2CO3CaCO3↓+2H+的平衡常数，根据反应的K值很小，可判断反应不能进行。从平衡常数角度，加深了对复分解反应本质的认识。

酸碱反应规律总体要把握酸性物质通常能够与碱性物质发生反应。常见的酸性物质有： 酸、酸性氧化物、强酸弱碱盐等;常见的碱性物质有： 碱、碱性氧化物、弱酸强碱盐等。例如学习铝及其化合物的性质，涉及的化学方程式多而杂，难以记忆。若从物质的酸碱性角度来梳理，铝及其化合物的性质就显得有规律可循，从繁杂的化学方程式中认识物质的反应规律。如铝盐AlCl3水溶液显酸性，能与弱碱、强碱、水解呈碱性的盐反应;Al（OH）3是两性氢氧化物，能与强酸、强碱反应;NaAlO2水溶液显碱性，能与弱酸、强酸、水解呈酸性的盐反应。

3.2.2 氧化还原反应

氧化还原反应的本质是电子的转移，其反应发生的核心思想是符合强氧化剂的氧化性强于氧化产物，强还原剂的还原性强于还原产物的反应就能发生。用这样的核心思想对物质间的氧化还原反应进行整合，就可以把氧化还原性的相对强弱进行有序排列，给原有的彼此孤立的反应建立起相互联系的反应系统[3]。例如，以四个典型的氧化还原反应为例来说明，MnO2+4H++2Cl-△Mn2++Cl2↑+2H2O; Cl2+2Br-2Cl-+Br2; Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+; 2I-+2Fe3+I2+2Fe2+。可判断，氧化性： MnO2>Cl2>Br2>Fe3+>I2;还原性： Mn2+

3.3 应用物质的性质

学习物质的性质，是为了更好地应用物质，体现化学学科的价值。在物质的转化认识模型中，“指出”的箭头表示物质的性质，“指进”的箭头表示物质的制备。根据物质的转化认识模型可认识物质的制备、保存、检验、预测反应或性质等。例如： 根据硫及其化合物的转化模型，可指出产生酸雨的转化关系、工业制硫酸的转化关系、推写SO2通入氯化铁水溶液中反应的离子方程式。理解了硫及其化合物的转化关系就可以知道酸雨的产生、硫酸的制备、预测SO2的反应，这正是构建物质的转化认识模型的价值所在。

用“模型认知”的核心素养指导元素化合物教学，不仅教给了学生内在的、结构化的元素化合物知识，还教会了学生用化学学科特有的思维方式认识物质的性质、物质的转化、化学反应规律等。随着新一轮课改的推进，“模型认知”作为一种科学方法和学习工具必将受到越来越多的重视和运用，是值得教师深入研究的重要课题。

参考文献：

[1]陈群，董军.高三化学复习中建模思想渗透的实践与研究[J].中学化学教学参考，2013，（4）： 37～39.

[2]张军.复分解反应原理认知困境的成因与对策探析[J].化学教育，2017，38（7）： 35～39.

[3]管凌云.氧化还原反应核心思想的形成与应用[J].中学化学教学参考，2017，（11）： 23～26.