利用模块融合 构建知识体系——以“硫元素及其化合物”复习为例

江苏 于正国

元素化合物的相关试题是高考试题中重要的组成部分，但这部分知识较为零散，涉及的知识模块范围广，与无机元素及其化合物、有机化学、电化学等知识模块都有联系。因此教师在复习过程中不仅要研究教材与《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)，还要进行多模块知识的融合，结合当前科技前沿成果设计有趣且内容丰富的情境，将元素及其化合物与其他知识点融合形成一个框架体系，促进学生“学-思-悟-用”的全面发展。

本文以“硫元素及其化合物”的复习课为例，利用“类-价二维图”的方式，引导学生厘清知识脉络，利用“氧化还原”与“非氧化还原”两条线索将零散的知识点建立成一个体系，然后再将元素及其化合物知识与电化学知识相结合，形成一个含有多模块的知识网络，以促进学生的化学学科素养全面发展。

一、研读《课程标准》，设计融合复习方法

《课程标准》明确指出，在必修课程阶段，突出化学基本概念(大概念)的统领作用。而在选择性必修课程中，设置了“化学反应原理”“物质结构与性质”和“有机化学基础”三个模块，同时也对学生的核心素养水平有了较高的要求。因此教师在高考复习过程中，不仅要引导学生瞄准高考，还要放眼未来。在夯实学科知识基础的同时，也需要将多个模块的知识进行融合，形成“结构决定性质，性质决定用途”的化学思维。

元素及其化合物的复习过程中虽然涉及很多化学大概念，但起统领作用的还是元素化合价与物质类别，即“类-价”二维图，这是落实“宏观辨识与微观探析”这一核心素养的重要方法；而建立“类-价”二维图化学观念有助于学生深刻理解氧化还原反应的本质与特征，有助于学生理解氧化还原反应是实现多价态化合物之间转化的重要方法，形成一个“价三角”乃至“价多角”的化学大概念。

化合价是复习元素及其化合物模块知识的重要工具，而物质的化合价与其化学性质及电化学模块的知识有着密切联系，这可将元素及其化合物与电化学两个知识模块相结合，实现知识的运用；此外从物质应用角度，将物质的性质与环境、农业等基础领域相结合，一方面可创设真实的化学情境，将化学问题与其他知识模块相结合，另一方面可培养学生用化学知识及方法解决实际生活中问题的科学思维。

二、硫及其化合物复习策略

本节课以“硫之有形”为主题，一开始教师引导学生深入了解硫单质的多样性，即“硫之多形”，然后从原子结构入手认识“硫之原形”，再结合电子的得失认识硫是多价态的元素——认识“硫之变形”，接着教师引导学生以氧化还原反应为主线深入探讨硫及其化合物之间的转化及相应的“类-价”二维图——认识“硫之转形”，最后结合当前科技前沿成果与环境深入分析脱硫处理及生物化学中的硫应用——了解“硫之用形”，实现“多-变-转-用”到“学-思-悟-用”的进阶。

【环节一】由硫单质及其结构入手，建立知识框架——学知识。

【情境创设】教师展示生活中常见的硫单质、含硫矿物及硫单质的同素异形体。引导学生了解硫是生命活动不可或缺的元素。1843年，农业化学家李比希揭示出硫元素同氮、磷、钾元素一样是植物生长必需的营养元素，之后的农业学家进一步指出植物可以从土壤中摄取硫元素，且主要以硫酸盐的形式摄取。

【教师活动】教师提出以下问题：

①硫在自然界主要存在哪几种形态？有没有游离态的硫？有哪些游离态的硫？

②硫的原子结构示意图是怎样的？试着画出硫原子的核外电子排布示意图。

③硫有哪些常见的化合价？请列举硫常见的化合价及其对应的化学物质。

【学生活动】阅读课本、思考讨论、相互补充、总结答案如图1所示。

图1 硫的原子结构示意图、常见化合价及其对应的化学物质

【教师活动】硫的化合物有很多种，他们之间的价态不同，请依据氧化还原反应的原理，将含硫物质的转化关系填入“类-价”二维图中。

【学生活动】交流讨论、完善答案如图2所示。

图2 含硫物质的“类-价”二维图

【设计意图】教师引导学生从原子结构角度分析硫元素的常见化合价，从硫是植物必需的大量元素了解硫在生产生活中的应用，并复习回顾硫单质及其化合物，以及硫元素常见的化合价。从这些简单问题的解决中，帮助学生认识到元素的常见化合价与原子结构有着重要关系。指导学生构建硫及其化合物的“类-价”二维图，由点到面的呈现出常见的含硫物质，并完善含硫物质之间的转化，将氧化还原反应与“类-价”二维图有机地结合起来，为掌握之后的硫循环相关内容做了铺垫。

【问题1】分析图2中可以发现哪些反应属于氧化还原反应、哪些反应属于非氧化还原反应？可归纳得出哪些氧化还原反应的规律？

【问题2】根据氧化还原反应规律并结合所学知识，写出转化关系中反应①～⑦的化学方程式或离子方程式。

【设计意图】利用“类-价”二维图熟悉化学方程式，并总结氧化还原方程式及离子方程式的书写方法和注意事项。

【问题3】根据图2中的转化关系，在教材中寻找脱硫的常见方法，并书写相关化学方程式。

【学生交流】二氧化硫是烟气中的污染性气体，教材中介绍的二氧化硫烟气的脱硫方法主要有石灰石-石膏法和氨脱硫法。

1.石灰石-石膏法：

2.氨脱硫法：

【环节二】利用“类-价”二维图完善硫循环图，寻找治理硫污染的途径——用知识。

【教师活动】硫循环是自然界重要的一种元素循环，循环中的每一个环节都影响着生产生活与自然生态的平衡，而自然地质活动及人为活动会或多或少的造成硫循环失衡，因此可利用化学手段弥补这种失衡。

【学生活动】阅读相关材料，了解火山喷发、硫酸型酸雨、硫化细菌、硫酸还原菌及土壤中常见的有机硫，结合图2完善硫循环中的“类-价”二维图，如图3所示。

图3 硫循环中的“类-价”二维图及生物对硫元素的利用

【问题1】通过图3可以看出硫循环涉及很多含硫化合物，其中SO2、SO3、H2S是常见污染环境的气体。如火山喷发会导致海洋中存有大量的H2S、燃煤过程中也会产生大量的SO2，那么能否根据硫循环示意图，寻找到将它们转化为无害物质的途径呢？请在硫循环“类-价”二维图中寻找答案。

【教师引导】从氧化还原角度分析图3(a)中消除H2S、SO2污染物的途径，从生物化学的角度分析图3(b)中消除H2S、SO2污染物的途径。

【学生交流】在氧化还原反应的角度，可以通过添加氧化剂的方式将H2S、SO2氧化为无污染的硫酸盐；在生物化学角度，可以利用特殊类植物、微生物来吸收利用H2S、SO2污染性气体。

【设计意图】将化学学科与生物学科相结合，实现了多学科之间的相互融合，拓展了学生视野，促进学生全面发展。引导学生学会用化学方法及生物化学的方法减少，甚至消除含硫化合物对环境和人类生活产生的负面影响，树立绿色化学观念，培养学生的社会责任感。

【问题2】在问题1中可以得知“添加氧化剂可实现脱硫”。有文献表明“NaClO碱性溶液吸收SO2气体”可用于SO2的脱除，但这只是文献说明，如何设计实验来验证该脱硫途径？

【学生交流】设计“次氯酸钠溶液与SO2的反应实验”，猜测反应产物并加以验证。而且根据氧化还原反应的规律，可以推测反应后的产物应该是硫酸根离子，因此可以通过检测产物中是否含有硫酸根离子来验证该途径。

【教师引导】用何种方式检验硫酸根离子？并书写出脱硫反应的离子方程式。

【学生交流】用稀盐酸与氯化钡溶液检验硫酸根离子，脱硫反应的离子方程式如下

【教师引导】在书写离子方程式时需要符合电荷守恒，通常可以用H+或OH-来平衡电荷，这说明溶液的酸碱度会影响SO2的脱除率，因此可以通过SO2脱除率与溶液pH的曲线图，寻找最佳的溶液pH范围。

【设计意图】教师通过这种复习方式，培养学生高阶的思维能力与质疑思维，如“物质推断能力”“实验检测能力”“原理运用能力”“数形结合能力”等。

【环节三】立足科技前沿，构建氧化还原与电化学两模块之间的联系——模块融合。

【教师活动】在硫循环的“类-价”二维图中找到了两种脱硫途径，一种是化学途径，一种是生物途径，那么生物脱硫途径是以怎样的形式呢？

【问题1】有大量研究表明，脱氮硫杆菌，在厌氧条件下能以硫铁矿、单质硫、硫离子等为还原剂将硝酸盐还原为氮气，其示意图如图4所示。试着写出酸性条件下脱氮硫杆菌以S2-为还原剂脱氮的离子方程式。

图4 脱氮硫杆菌氧化还原性硫及脱氮的主要过程图

【设计意图】环境问题是近几年高考命题的重要素材，而且化学命题与生物学科之间的关系愈发密切，无论是在电化学还是化学工艺流程的考查中，都有着生物学的身影。因此以中国地质大学冯传平教师的研究成果为题材，引导学生关注科技前沿、了解化学发展方向，分析微生物在化学工艺中的应用，培养学生走出课堂、将知识文章写在人类大地上的学科思维。

【问题2】电化学处理废水是目前化学的科技前沿方向，而原电池的形成前提是能自发进行的氧化还原反应。因此理论上能否将脱氮硫杆菌脱硫脱氮的过程设计成一个电化学装置？如果可以，试着写出该电池的正极和负极的反应式。

【学生交流】该途径在理论上可以设计成电池，其中正负极反应式如下。

【问题3】在问题2中已经写出了正、负极反应式，接下来能否设计出符合该电极反应的电池装置？试根据图5中的微生物处理铬废水装置，设计出脱硫杆菌脱硫、脱硝的微生物电池装置。

图5 微生物处理铬废水的装置图

【学生交流】小组讨论并设计出脱硫杆菌脱硫、脱氮的微生物电池装置图，合理改进后可见图6。

图6 脱硫杆菌脱硫、脱氮的微生物原电池装置图

【设计意图】以电化学装置处理废水为背景的电化学试题是近几年考试的热点，但其根本原理还是氧化还原反应。因此教师以脱硫杆菌的脱硫、脱硝为背景，引导学生设计图6中的微生物电池，不仅有利于学生夯实氧化还原反应的基础知识，也可引导学生将元素化合物、氧化还原与电化学建立起联系，突破新型电池。

【问题4】如果以图6中微生物电池装置为试题情境，可以设置哪些考点呢？同学们试着交流讨论下，然后命制一道电化学相关的考题。

【学生交流】试题如下

( )

图7

A.电池工作时外电路电流由a极流向b极

D.每处理1 mol S2-，可生成22.4 L N2(标准状况下)

【参考答案】B

三、教学反思

本课教师以新教材中硫循环为载体，以含硫物质的转化为主线，以硫循环及脱硫为问题驱动，调动学生自主学习“类-价”二维图，引导学生进行路线绘制、问题解决、原理解释、实验探究等活动，从电化学方面加深学生对相关知识的理解，最终形成分析元素化合物的思维模型，培养学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养，促进学生跳出课堂、走向生活的全面发展。同时帮助学生体会化学反应与生物化学之间的关系，理解交叉学科在环境治理中的重要性，培养学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养，促进学生全面发展。