基于变化观念的元素化合物教学

曹旭琴

摘要：分析了变化观念的内涵及水平划分，以“硫和含硫化合物的相互转化”教学为例，指出元素化合物是培养学生变化观念的良好载体，教学时要多创设真实问题情境，让学生在解决问题过程中提升变化观念的水平。

关键词：变化观念;元素化合物;硫和含硫化合物;相互转化

文章编号：1008-0546（2020）10-0014-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.003

一、变化观念的内涵及水平划分

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。化学的特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[1]。从微观层次认识物质可以更好地理解物质及其变化的本质，化学符号则可以便捷地表征物质及其变化，在不同层面创造物质是物质变化的价值所在。

变化观念是化学学科的核心素养之一，其内涵为“能认识物质是运动和变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律;认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化;认识化学变化有一定限度、速率，是可以调控的。能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题。”变化观念大致可分为以下4个素养水平（从l到4，素养水平依次升高）[2]。

高中化学课程对学生变化观念的培养是螺旋式上升的。以江苏凤凰教育出版社的高中化学教材为例，《化学l》专题2“从海水中获得的化学物质”介绍了卤素、钠和镁及其化合物的相互转化，让学生建构起以海水为资源，通过化学变化人类创造出丰富的化工产品，如卤素单质、烧碱、金属钠、镁等，充分体现化学是研究物质和创造物质的学科。本专题还介绍从氧化还原和离子反应的角度分析化学变化。专题3、4的设计思路与专题2相似，专题3从矿物资源中获取和创造物质，专题4研究自然界中的硫、氮循环[3]。《化学2》让学生初步学会用动态平衡的观点看待化学变化，能定量分析化学变化伴随的能量变化。《化学反应原理》模块详细地介绍了化学变化应遵循热力学和动力学的相关规律，能运用相关原理分析影响化学变化的因素等，进而可以解释预测变化、评估变化应用等。

元素化合物是培养学生变化观念的良好载体，以下是基于变化观念的“硫和含硫化合物的相互转化”的设计思路和教学过程。

二、“硫和含硫化合物的相互转化”的内容分析及设计思路

1.课程标准的相关要求

2017版的《普通高中化学课程标准》要求：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硫及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。在教学策略上强调紧密联系生产和生活实际，创设丰富多样的真实问题情境，发挥核心概念（氧化还原反应、离子反应等）对元素化合物学习的指导作用。在“情境素材建议”中给出了素材“火山喷发中含硫物质的转化”[4]。

2.教材分析

“硫和含硫化合物的相互转化”是苏教版《化学l》专题4《硫、氮和可持续发展》第一单元中的教学内容[5]。在这之前教材已安排有“二氧化硫性质和作用”“硫酸的制备和性质”。本部分内容的主要意图是让学生建构硫及其化合物相互转化的知识网络，同时建立起研究物质转化的一般方法：从价态和类别两个角度理解含硫物質的转化，通过氧化还原反应实现不同价态硫元素物质间的转化，通过溶液酸碱性的变化实现同价态硫元素物质间的转化，同时为氮等元素化合物的学习提供方法。教材所提供的物质间的相互转化均是有实际应用背景的，体现化学学科的价值。

3.教学目标

通过分析推理、交流讨论等活动，建构硫及其化合物相互转化的知识网络。学习基于证据推理的思维方法（能基于证据对Na2SO3的性质变化提出可能的假设，并通过实验加以证实或证伪）。运用变化规律解决如何减少人类活动对自然界硫循环的影响。

4.设计思路

如图1所示。

三、基于变化观念的“硫和含硫化合物的相互转化”教学过程

1.认识自然界中的含硫物质

[展示]①各国硫元素储量分布图，②硫元素在地球外核的存在图，③地下主要含硫物质（黄铁矿、辰砂、雄黄、雌黄等），④地表主要含硫物质（石膏、芒硝、重晶石等）。自然界中常见含硫物质如图2所示[6]。

[讨论]日本的硫元素储量排所有国家的第7位，其可能原因是什么。处于地球外核（离地表3000 km左右）的硫元素是如何到地表或离地表较近的位置？地表和地下的含硫物质存在形式有较大的差异，其可能原因是什么？

[设计意图]了解自然界中含硫物质的主要分布情况，产生情境问题，引发学生思考。

2.学习任务1——利用“价态一类别二维图”排列常见含硫物质

[引导]火山喷发出来的硫元素处于地下、地表或空气中发生不同的转化，最终形成不同的含硫物质。常见的含硫物质有哪些，如何快速有序地写出？从物质类别和硫元素价态两个维度思考。

[解决问题]学生运用在专题1中已学的价态一类别二维图的方法写出图3所示的含硫物质的框架。

[设计意图]构建硫元素价态一类别二维图，使其成为学生思考问题的模型。

3.学习任务2——含硫物质的横向转化

[引导]从学生熟悉的物质转化关系SO2→H2SO3→Na2SO3出发，认识横向转化的特点是硫元素价态不变，发生的是非氧化还原反应，改变溶液的酸碱性即可达成。

[解决问题]类比上述转化，学生完成S03一H2SO4→ Na2SO4、H2S=Na2S间的相互转化。如图4所示。

4.学习任务3-含硫物质的纵（斜）向转化

[引导]分析纵（斜）向物质所含硫元素化合价的差异，结合已学SO2的还原性、浓H2SO4的强氧化性和H2SO4的工业制法、酸雨的形成等知识，感受纵（斜）向含硫物质间的转化可通过氧化还原反应实现。

[解决问题]学生结合已有知识基础，实现图5所示的转化。同时解释为何地表和地下含硫物质存在形式不同（思考两者存在环境上的差异）。

[设计意图]无机反应大致可通过4种方式实现转化：一是改变溶液的酸碱性，二是通过氧化还原反应，三是通过沉淀反应（非本节课重点），四是通过形成配合物（选修模块中学习）。让学生体会到物质的转化是遵循一定规律的，在学习时可归纳变化共性，概括变化规律，并逐步以此为模型解决类似的问题。

5.学习任务4——含硫物质转化的应用（预测未知物质的性质）

[引导]运用已学的含硫化合物相互转化的规律，预测Na2SO3可能有哪些性质？请设计实验证实你的预测。

[解决问题]预测Na2SO3可能的性质，并基于推理寻找证据。

①与酸反应可生成S02：Na2SO3+H2SO=Na2SO4+H2O+SO2↑，可通过品红溶液等检验。该转化可用于实验室制备SO2，结合SO2在水中的溶解度，可用较浓的硫酸来制备。

②具有还原性，可被氧化剂氧化：2Na2SO3+O2=2Na2SO4，可通过检测SO42-来确定Na2S03是否被氧化。可被溴水（碘水）、酸性KMnO4溶液等氧化，可通过溴水（碘水）、酸性KMnO4溶液是否褪色等证明。同时可分析亚硫酸盐的保存方法，在工业中的应用等。

③具有氧化性，可被还原剂还原（此性质要求偏高，可在课外活动中解决）。

[设计意图]能基于证据对Na2S03的性质提出可能的假设，并通过实验加以证实或证伪。通过此环节，学生逐步可以解释并预测变化。

6.学习任务5——如何减少人类活动对自然界硫循环的影响

[引导]硫酸的生产、含硫矿物的冶炼、煤的燃烧等均会产生SO2，造成空气污染和酸雨等一系列的危害。如何通过今天所学的知识减少人类活动对自然界硫循环的影响。

[解决问题]解决该类问题的主要思路应是：第一种固硫，如燃煤或金属矿物中加生石灰，直接将燃烧或冶炼产生的SO2吸收转化为硫酸盐留在残渣中。第二种碱液吸收法，碱液吸收了SO2后产生亚硫酸盐，再与酸反应生成较纯的SO2（富集）运用于工业制硫酸。

[设计意图]通过对SO2尾气的处理和综合利用，学生运用所学的知识解决与之相关的实际问题，体会化学学科的价值。学生逐步学会运用变化规律，评估变化应用。

[展望]硫元素在人体中的含量排第7位，远超其在地壳中含量的排名（第17位），对含硫物质在人类健康中的研究有广阔前景。中国早期对含硫物质研究处于较为领先的地位，但近代研究却略显滞后，如图6所示。值得高兴的是2018年华东师范大学的姜雪峰由于他提出的绿色硫化学理论已经在国际上引起反响，被国际纯粹与应用化学联合会（简称“IUPAC”）选为化学元素周期表上“硫”的代言人。

四、基于变化观念的元素化合物教学的思考

1.元素化合物是培养学生变化观念的良好载体

变化观念是研究物质变化及其遵循规律的，需要元素化合物作支撑。在典型元素化合物教学时逐步让学生从物质的个性认识上升到一类物质共性的认识，充分发挥核心概念在物質转化学习中的指导作用，慢慢形成同价态物质转化和不同物质价态转化的一般规律。同时有意识地为选修教学中研究化学变化的限度和速率等问题积累好足够的事实性知识。选修课程的学习则可以充分利用高一时学过的元素化合物的知识作为载体，深入地理解这些变化的本质。如对氯水成分、合成氨、SO2的接触氧化、汽车尾气的处理等问题的再研究。做好必修和选修教学的融合。

2.教学时应充分创设真实问题情境

徐光宪先生提出化学家要认识世界、改造世界和保护世界。苏教版化学必修教材在元素化合物部分的编写充分考虑以上思想。认识自然界中的相关资源（如海水、矿物和空气等）;利用已有资源将物质向我们需要的方向转化，如创造有用的物质（如氯碱工业、硫酸工业等）、消除污染物（氮氧化物的产生及转化等）、利用好物质转化过程中的能量（燃烧反应等）。

在真实问题的解决过程中，学生除了掌握知识，还形成了相关的学科观念和学科特有的思维方式[7，8]。教师在教学时应多创设一些真实的问题情境。《普通高中化学课程标准》中提供了丰富的情境素材，如关于“铁及其化合物”给出了如下情境素材：补铁剂;实验室中硫酸亚铁的保存与使用;打印机使用的墨粉中铁的氧化物;菠菜中铁元素的检验等。“铁及其化合物”生活生产中也有相关情境，如“补铁剂”可以是人体补铁剂，也可以是植物补铁剂;印刷电路板的制作;铁系净水剂;蓝黑墨水等等。社会热点问题或社会性科学议题等等也可作为教学的情境，如“页岩气的开采”“化工厂事故”“诺贝尔奖”等等。在真实情境下解决问题，化学在学生的眼中不再是没有温度的方程式，而是生动、丰富、有用的物质世界，用他们的智慧可以认识世界、改造世界和保护世界。

参考文献

[1][2][4]中华人民共和国教育部，普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3][5]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学1[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2014：93-94

[6]王磊.普通高中课程标准实验教科书·化学1[M].济南：山东科学技术出版社，2013：85-91

[7]吴星，对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017（5）：3-7

[8] 吴星.高中化学核心素养的建构视角[J].化学教学，2017（2）：3-7

*本文系江苏省教育科学“十三五”规划课题（ D/2016/02/24）研究成果。