有意义学习在元素化合物一轮复习中的应用

高静 史盼

摘   要：在一轮复习中采用有意义学习方式，利用中学化学后期建立的化学思想，重建元素化合物知识体系，并将学生认知结构中后期建立的化学思想与前期学习的元素化合物知识建立起实质性的联系，即用化学思想对元素化合物知识加以同化，可以打破学生对元素化合物 “多、繁、散”的初印象，提高其学习热情，并深化知识体系，塑造高效复习模式。

关键词：高中化学;元素化合物;化学平衡;价类转化

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2023）26-0047-05

奥苏贝尔根据学习内容与学习者原有知识间的关系将学习分为机械学习和有意义学习。机械学习是指学习内容与原有知识没有建立实质性的联系，通常采用死记硬背的方式进行;有意义学习是将学生原有认知结构中的观念与现有学习内容建立起实质性的、有意义的联系，可使学生充分认识知识本身的逻辑意义。

元素化合物是高中化学学习的基础和前提，是高考化学中的必考内容。该内容的突出特点是化学方程式多、知识点多且散、内容繁锁、难记易忘。高一学生首先学习的是元素化合物的性质及应用，但因化学知识储备少，很多内容只是通过简单的死记硬背进行机械学习，并没有理解知识本身的逻辑意义。因此在一轮复习中，如果采用传统“构建知识网络”的复习方法进行知识重复、再现，只能使学生停留在“方程式多、知识点多、内容多”的初印象中，如此会减弱学生的学习兴趣，降低复习效率。

那么怎样高效复习元素化合物知识呢？笔者认为应引导学生自主开展有意义学习，尤其是充分运用元素周期律、化学反应原理、物质结构与性质等后期学习中建立的化学思想，对元素化合物知识加以同化，如此可重建元素化合物知识体系。同时还可利用学生在后期学习中已经建立的化学思想，来解释曾经不理解的、易出错的内容。即运用已建立的思维方法，打破初印象，使学生对这一部分内容进行再认知、再梳理、再深化。只有这样才能使学生充分理解知识本身的逻辑意义，并能灵活应对新情境下的陌生元素及其化合物性质探究题型，如此既可进一步强化学生的化学思想，又可转变学生的复习方式，激发学生的学习热情，提高其复习效率。在教学过程中，笔者探索并实施了族的思想、平衡的思想、转化的思想等在元素化合物复习中的同化与渗透。

一、族的思想

元素化合物的学习范围主要在短周期，重点学习了短周期典型元素化合物的主干知识、重点物质。而在近几年高考中，化学试题的考查范围不再拘泥于短周期，而是拓展到主族长周期。因此，强化元素周期律族的思想，用同族元素的相似性、递变性强化复习元素化合物内容，可加深学生对知识理解的深度。

高考真题1【2021·广东卷，T18（5）】高纯AlAs（砷化铝）可用于芯片制造。芯片制造中的一种刻蚀过程如图1所示，图中所示致密保护膜为一种氧化物，可阻止H2O2刻蚀液与下层GaAs（砷化镓）反应。

已知：Ga和Al同族，As和N同族。在H2O2与上层GaAs的反应中，As元素的化合价变为+5价，则该反应的氧化剂与还原剂物质的量之比为             。

解题思路：Ga和Al同族，As和N同族，因此GaAs中Ga显+3价（最高价）As显-3价。在H2O2与上层GaAs的反应中，As的化合价变为+5价，化合价升高，失8e-，被氧化;H2O2中的O元素为-1价，被还原为-2价，每个H2O2分子参加反应会得2e-。根据得失电子守恒规律可求得氧化剂H2O2与还原剂GaAs物质的量之比为8：2=4：1

该高考真题考查了元素化合物知识，针对Ga、As长周期、非重点、陌生物质进行设问。在考场上，学生遇到此类题型时，往往手足无措、没有头绪，甚至情绪紧张、难以做答。如果复习元素化合物时，强化同族元素的相似性、递变性规律，并运用类比的思想将陌生元素转化为学生熟悉的元素，即将陌生物质熟悉化，可帮助学生快速理清解题思路，降低解题难度。

类比思想是一种面对新知识感到陌生时，积极搜索新知与旧知相似性而采取的试探性解决问题的策略，是根据两种事物在某些特性上的相似性，推理出两者在另一些特性上可能相似的思维方式。在类比中联想，在联想中辨识，既含模仿又含创新，可升华学生的思维层次。类比的关键是要找到新旧问题间的可比点，即有一定的相似性。同族元素性质的相似性和递变性主要体现在：同主族元素价电子数相同，化学性质相似;原子半径不同，化学性质出现递变性。利用这一思想解题，可以突破元素化合物中陌生物质性质的考查。其性质主要包含元素化合价、金属单质还原性、金属元素最高价氧化物对应水化物的碱性、非金属单质氧化性、非金属元素最高价氧化物对应水化物的酸性、气态氢化物的稳定性和还原性等。

二、平衡的思想

化学平衡是在化学反应原理中建立的重要思想。学生在学习必修一时尚未学习化学平衡，所以留下了很多难点、易错点，用平衡的思想复习元素化合物就可以轻松将其消除。

（一）氣体除杂试剂的选择

气体除杂试剂既要能除去杂质，又要能避免气体本身的溶解。例如选择除去Cl2中的HCl试剂时，学生容易出现两个错误：一是易混淆碳酸氢钠和食盐水，二是不写“饱和”二字。出现以上问题的原因是因为在初中化学学习CO2的制备时，很多学生常靠死记硬背将“用饱和碳酸氢钠除杂”记住，而在学习氯气制备时仍沿用“背”的方法，从而混淆了两个知识点。这时用化学平衡的思想进行再梳理、再认知可以使学生破除这些混淆点。如除去Cl2中的HCl时，因HCl极易溶于水，因此选用合适的水溶液除去。而选“饱和食盐水”的原因是因为溶液中存在平衡：Cl2+H2O⇌H++Cl-+HClO，增大Cl-浓度可抑制平衡正移，强调 “饱和”是将Cl-浓度最大化，以促进平衡逆移，抑制Cl2的溶解。以此类推，CO2、SO2、H2S等酸性气体在溶液中也存在溶解平衡和电离平衡，这时明确溶液中存在的平衡，增大溶液中某种离子的浓度就能够抑制电离，减少溶解，由此其除杂试剂的选择问题就可以迎刃而解。具体见表1。

（二）物质制备的反应原理

在化学反应中，常用氧化还原反应原理和复分解反应原理来制备物质，但有些物质并不符合这些规律，而是通过控制反应条件，实现“反向”制备。如钾是通过熔融状态的钠和氯化钾反应制得，而还原性钾强于钠，由此可见该反应并不符合氧化还原反应中由强制弱的规律。这时用平衡的思想解释就非常容易理解：钾的熔点低于钠，易挥发，气化后使平衡正向移动，从而制得钾。同理，“反向”制备的物质总结如表2。

（三）物质成分分析

元素化合物中物质的性质及其应用的相关内容记忆量较大，我们用平衡的思想进行成分分析，由成分再推理其性质和应用，就会使思维更加顺畅。例如，氯水的成分决定了氯水的性质，氯水中存在如下平衡：Cl2+H2O⇌H++Cl-+HClO、HClO⇌H++ClO-、H2O⇌H++OH-。在可逆反应中，反应物不能完全转化，溶于水的Cl2只有少量与水反应，仍有大量Cl2存在。故氯水中存在：Cl2、H2O、H+、Cl-、HClO、OH-（少量），这就导致了氯水性质的多样性，不同的成分决定了氯水具有不同的性质，如表3所示。

同理，氨水中存在平衡：NH3+H2O⇌NH3·H2O⇌NH4++OH-、H2O⇌H++OH-。氨水中存在：NH3、H2O、NH3·H2O、NH4+、OH-、H+（少量），这决定了氨水的性质如表4所示。

（四）化学反应的原理分析

金属铝既能与酸反应又能与碱反应，与非氧化性酸反应时生成铝盐和氢气，这符合金属的通性;与强碱溶液反应同样生成氢气，这一反应学生通常不能理解，一般靠死记硬背熟知。若从平衡的角度分析，问题就迎刃而解了。铝与氢氧化钠溶液反应可分为为如下两个过程：①2Al+6H2O⇌2Al（OH）3+3H2↑②Al（OH）3+NaOH=NaAlO2+2H2O。反应①中金属铝与水的反应困难，但在NaOH溶液中发生了反应②，Al（OH）3溶解生成NaAlO2，导致反应①平衡正向移动，进而生成H2。

氢氧化铝既能溶于酸又能溶于碱，因此可以从化学平衡的角度分析。氢氧化铝存在电离平衡：Al3++3OH-⇌Al（OH）3⇌H++AlO2-+H2O。在碱性环境中，OH-消耗H+， H+浓度减小，平衡正向移动，沉淀溶解，转化为偏铝酸盐;在酸性条件中，H+消耗OH-，OH-浓度减小，平衡逆向移动，沉淀溶解，转化为铝盐。

这样，我们就将陌生反应转化为熟知的反应：金属与水、酸与碱的反应，利用平衡移动的原理梳理了思维过程。

三、价—类转化的思想

化学方程式是物质转化的重要表达形式，元素化合物中的化学方程式繁多。这时用价—类转化的思想对化学反应进行再梳理，可使学生放弃死记硬背，抛弃繁琐的网络转化结构图。

（一）建立价—类的思想

价—类转化的思想是指从物质类别和化合价两个角度分析物质间的转化方式。相同价态物质间的转化，主要从物质的通性着手分析，从氢化物、单质、氧化物、酸、碱和盐等物质的通性角度进行迁移;不同价态物质间的转化，则从氧化还原反应的角度进行具体分析。学生可以通过绘制价—类二维图加深理解，如含硫化合物和含氮化合物价态多，物质种类多，价—类二维图（如图2、图3所示）可以帮助学生有逻辑地理解两种元素不能进行物质间的转化。

（二）价—类反应的竞争

针对某一具体反应，可能存在价与类两种反应的竞争，笔者认为教师应从价—类两个角度进行引导。例如，H2S与浓硫酸的反应，从物质类别的角度分析两者均属于酸;从氧化还原的角度分析，H2S中硫元素处于最低价态具有还原性，浓硫酸中硫元素处于最高价态具有氧化性，所以二者易发生氧化还原反应。然而同样处于氮元素最低价态的NH3与最高价态的浓硝酸常温却不易发生氧化还原反应，而是直接生成硝酸铵，这是由于物质类别的不同，NH3属于碱，易与浓硝酸发生非氧化还原反应。那么，氨气和浓硝酸不能发生氧化还原反应吗？当然，从价态角度分析，二者也有这个反应趋势。事实上，改变外界条件，升高温度，两者也能发生剧烈的氧化还原反应，生成复杂的产物，只是常温下两者更易发生化合反应。由此可见，建立价—类的思想是我们分析物质转化的基础，在一定条件下，物质转化总是趋向更易发生反应的方向进行。

（三）价—类反应的共存

在书写化学方程式时，反应物的量往往影响着产物的种类，例如少量二氧化碳通入澄清石灰水产生碳酸钙沉淀，过量生成碳酸氢钙，这是不同类别物质间的转化;少量氯气通入碘化亚铁溶液中，还原性强的碘离子被氧化，过量时亚铁离子和碘离子都被氧化，这是不同价态物质间的氧化还原反应。过于强调价—类反应的区别，易使学生形成思维定势，仅从化态（氧化还原反应）或物质类别（非氧化还原反应）中的一个角度进行分析，忽视了价—类反应可能会共存的可能，从而出现一些问题。

高考真题2【2020·全国卷Ⅲ，11（A）】用Na2SO3溶液吸收少量Cl2：3SO32-+Cl2+H2O=2HSO3-+2Cl-+SO42-。

学生易写为：SO32-+Cl2+H2O=2H++2Cl-+SO42-。这正是由于学生只看到了价态的变化，忽视了产物H+可与过量的Na2SO3发生非氧化还原反应导致的。

类似问题有用Ca（ClO）2溶液吸收少量SO2：Ca2++3ClO-+SO2+H2O=CaSO4+Cl-+2HClO;向NaClO溶液中加入少量FeSO4溶液：2Fe2+5HClO-+5H2O=2Fe（OH）3+Cl-+4HClO。

價—类的思想是物质转化分析的基础，有效利用这一思想，不仅能帮助学生系统理解、记忆多价态元素化合物之间的转化，又能科学分析化学反应中氧化还原反应与非氧化还原反应的竞争和共存。

为落实高中化学学科素养，高考考题趋向于以解决真实情境下的问题为背景设题，这就要求学生能够将真实情境问题抽象简化为熟知的化学问题，然后再进行有效整合、迁移与应用，以突破新情境下陌生物质的性质探究。必修教材中元素化合物的知识是基础，典型代表物的基本性质及反应仍是学生需要熟练掌握的，但要将典型物质迁移到新情境下的陌生物质，这时简单采用复习、记忆、巩固的方法是不行的，需要学生用已建立的化学思想将典型物质的性质及变化贯穿起来，在化学知识的学习中建立化学思想，用已建立的化学思想复习巩固化学知识，以充分掌握知识本身的逻辑意义，才能将典型物质系统化、条理化，将学过的典型物质有效地迁移到陌生物质中，如此可突破真实情境下的问题解决。

参考文献：

[1]陈   璐.类比法在高中化学教学中的应用[D].福建师范大学，2016：31～37.