徐守兵

摘要：化合價(jià)是研究分子結(jié)構(gòu)的核心概念 [1]。初中階段，可從人們對(duì)惰性氣體化學(xué)穩(wěn)定性的探究出發(fā)，在理解的基礎(chǔ)上建立化合價(jià)的概念，高中階段，可在應(yīng)用化合價(jià)解決氧化還原反應(yīng)等相關(guān)問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步加深對(duì)化合價(jià)的理解。學(xué)生在學(xué)習(xí)化合價(jià)的過(guò)程中，理解了化合物中一種元素一定數(shù)目的原子和其它元素一定數(shù)目的原子結(jié)合的原因，體會(huì)著原子在構(gòu)成化合物的過(guò)程表現(xiàn)出的神奇的組合作用，從而充分發(fā)揮化合價(jià)對(duì)學(xué)生掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)、氧化還原反應(yīng)等知識(shí)的核心作用。

關(guān)鍵詞：化合價(jià)；原子結(jié)構(gòu)示意圖；組合；惰性氣體

文章編號(hào)：1008-0546（2018）11-0007-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.002

一、化合價(jià)概念的演變歷程

化學(xué)家目前已知的物質(zhì)已達(dá)1億種以上，但自然界中存在的元素卻只有90種，即便是算上人工制造的元素也只有112種左右。物質(zhì)由如此少的元素構(gòu)成的事實(shí)為化學(xué)家破解物質(zhì)之謎提供了可能，然而，如此之少的元素可以構(gòu)成各類繁多的物質(zhì)，這又說(shuō)明元素之間相互組合的方式是千變?nèi)f化的。人類對(duì)元素組合成化合物規(guī)律的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了較漫長(zhǎng)的時(shí)間，期間提出了認(rèn)識(shí)化合物組成規(guī)律的核心概念：化合價(jià)。

回望化學(xué)發(fā)展的歷程，化合價(jià)概念的歷史演變和人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知相伴而行。

1799年，法國(guó)化學(xué)家普羅斯結(jié)合實(shí)驗(yàn)事實(shí)就提出了定組成定律：每種化合物都有固定的組成，不管這種化合物是天然的還是人造的。

1803年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了倍比定律：如果甲、乙兩種元素能互相化合而生成幾種不同的化合物，則在這些化合物中，與一定質(zhì)量的甲元素相化合的乙元素的質(zhì)量互成簡(jiǎn)單的整數(shù)比。

1852年，英國(guó)化學(xué)家愛(ài)德華·富蘭克蘭提出金屬與其他元素的每一個(gè)原子在化合時(shí)具有一種特殊的性質(zhì)，叫“化合能力”，即傾向于和一定數(shù)目的其他原子結(jié)合。此處的“化合能力”后來(lái)被稱為化合價(jià)。

1857年，德國(guó)化學(xué)家凱庫(kù)勒提出碳是四價(jià)，CH3是一價(jià)，CH2是二價(jià)，CH是三價(jià)，并確定N、P、As是三價(jià)的，O、S是二價(jià)的，H、Cl、Br、I、K等是一價(jià)的。由此提出了原子數(shù)的概念，即后來(lái)所說(shuō)的化合價(jià)。

1904年，是科學(xué)史上倍受關(guān)注的一年，這一年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)都頒發(fā)給了惰性氣體的發(fā)現(xiàn)研究，惰性氣體發(fā)現(xiàn)的意義，不僅是實(shí)現(xiàn)了周期表的完美結(jié)構(gòu)，更重要的是惰性氣體的化學(xué)穩(wěn)定性使科學(xué)家找到了原子之所以相互結(jié)合的原因，是通過(guò)相互作用獲得了與惰性氣體一樣的價(jià)電子排布，從而變得更加穩(wěn)定。1914—1919年，路易斯等科學(xué)家創(chuàng)立和發(fā)展了原子價(jià)的電子理論，要點(diǎn)如下：（1）原子價(jià)可以分為共價(jià)和電價(jià)2種，共價(jià)是由2個(gè)原子共用一對(duì)電子構(gòu)成的，電價(jià)是由正負(fù)離子間的庫(kù)侖引力構(gòu)成的。（2）原子在化合時(shí)失去、獲得或共享電子，以使它的電子結(jié)構(gòu)與周期表中最接近的惰性氣體原子的電子結(jié)構(gòu)相同 [1]。

后來(lái)，隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，人們對(duì)原子之間相互作用的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深化，化合價(jià)不斷發(fā)展，并分裂出幾個(gè)新概念，其中最重要的是氧化數(shù)。近來(lái)，不斷有人建議將中學(xué)教材中化合價(jià)用氧化數(shù)取代 [2]，筆者所在學(xué)校認(rèn)為，中學(xué)化學(xué)教學(xué)的意義就是要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)過(guò)程中，不僅習(xí)得知識(shí)，更重要的是能夠在化學(xué)學(xué)習(xí)中感受到人對(duì)自然的認(rèn)識(shí)過(guò)程，以及人在與自然的交流過(guò)程中所進(jìn)行的那些合乎認(rèn)知規(guī)律的創(chuàng)造過(guò)程 [4]。鑒于化合價(jià)這一化學(xué)核心概念對(duì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等具有的重要的意義，教學(xué)時(shí)在尊重人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)上，將人類對(duì)元素組合成化合物規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選，讓學(xué)生理解并充分參與化合價(jià)概念形成的過(guò)程，不僅可以很好把握化合價(jià)這一物質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心概念，而且能充分發(fā)揮它對(duì)學(xué)生掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)、氧化還原反應(yīng)等知識(shí)的核心作用?？梢?jiàn)，化合價(jià)與氧化數(shù)各有利弊。

二、對(duì)化合價(jià)教學(xué)內(nèi)容的思考

2011年版《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，“化合價(jià)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是能說(shuō)出幾種常見(jiàn)元素的化合價(jià)，活動(dòng)探究建議為根據(jù)化合價(jià)寫(xiě)出常見(jiàn)化合物的化學(xué)式 [2]。人教版教材中化學(xué)式和化合價(jià)屬同一課題，位于課題第二部分的化合價(jià)部分先介紹化合物有固定的組成，并舉例說(shuō)明形成化合物的元素有固定的原子個(gè)數(shù)比，介紹通過(guò)化合價(jià)可以認(rèn)識(shí)化合物中不同元素的原子個(gè)數(shù)比間的規(guī)律，接下來(lái)重點(diǎn)以表格形式列舉了一些常見(jiàn)元素和根的化合價(jià)，并介紹了確定物質(zhì)中元素化合價(jià)的一些注意點(diǎn)。

高中人教版教材化學(xué)1（必修）要求：①能根據(jù)反應(yīng)前后元素化合價(jià)有無(wú)變化，判斷反應(yīng)是否為氧化還原反應(yīng)，并能結(jié)合具體反應(yīng)分析理解元素化合價(jià)升、降是該元素原子失去（或偏離）、獲得（或偏向）電子的過(guò)程；②能配平簡(jiǎn)單的氧化還原反應(yīng)方程式?；瘜W(xué)2（必修）要求：能結(jié)合元素的主要化合價(jià)等有關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)元素周期律。選修3要求：能應(yīng)用一些電離能數(shù)據(jù)分析原子逐級(jí)增大的電離能和化合價(jià)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)元素主要化合價(jià)的周期性變化。

可見(jiàn)，現(xiàn)行初中教材和高中教材對(duì)化合價(jià)的要求銜接得不是很好，甚至是脫節(jié)的?，F(xiàn)行初中教材是將化合價(jià)定位于工具性概念，淡化定義，重在應(yīng)用其書(shū)寫(xiě)化學(xué)式。實(shí)際教學(xué)中，教師只是想辦法編出順口溜讓學(xué)生記住化合價(jià)為書(shū)寫(xiě)化學(xué)式服務(wù)，并不要求學(xué)生理解化合價(jià)，學(xué)生也不知道化合價(jià)的概念，筆者在高二理科實(shí)驗(yàn)班教學(xué)時(shí)曾問(wèn)學(xué)生化合價(jià)概念，全班竟無(wú)一人知道，哪怕是描述性語(yǔ)言也不能。這種不注重概念形成性的教學(xué)，學(xué)生當(dāng)然不能很好把握，自然也就缺少概念的可發(fā)展性。如氧化還原反應(yīng)概念的建立，伴隨著學(xué)生對(duì)相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)由表及里，逐步遞進(jìn)的過(guò)程，不斷深入的氧化還原概念能越來(lái)越清晰地揭示出氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，但由于初中學(xué)習(xí)不注重化合價(jià)概念的形成，學(xué)生很難將起源于經(jīng)驗(yàn)與直觀的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)，衍變?yōu)榛蟽r(jià)升降的表觀形式，從而擴(kuò)大概念的外延；更難追溯化合價(jià)升降的本質(zhì)是電子的得失，從而理解概念的內(nèi)涵。在初中教學(xué)中，如果能夠追尋人類詢問(wèn)自然的足跡，將“化合價(jià)”的教學(xué)立足在學(xué)生已有的原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從人們對(duì)惰性氣體化學(xué)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)出發(fā)，探討自然界中的活潑金屬原子、非金屬原子在追求化學(xué)穩(wěn)定性過(guò)程中的可能行為，初中學(xué)生完全可以在理解的基礎(chǔ)上建立化合價(jià)的概念，高中教學(xué)時(shí)在應(yīng)用化合價(jià)解決氧化還原反應(yīng)、化學(xué)鍵、元素周期律等相關(guān)問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步加深對(duì)化合價(jià)的理解，同時(shí)，在原電池、電解池、電離能等課題教學(xué)中要注意為化合價(jià)概念提供實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這樣，不僅有利于學(xué)生建立完整的化合價(jià)概念，期間經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)探究、證據(jù)推理、模型認(rèn)知、宏微結(jié)合等教學(xué)過(guò)程也更有利于提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

三、元素化合價(jià)的主要教學(xué)片段設(shè)計(jì)

化合價(jià)概念的教學(xué)是從惰性氣體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)開(kāi)始的。學(xué)生們?cè)隈雎?tīng)了“小數(shù)點(diǎn)后面的重量——惰性氣體的發(fā)現(xiàn)”的故事后，對(duì)科學(xué)家通過(guò)嚴(yán)格測(cè)量來(lái)源不同的氮?dú)饷芏鹊募?xì)小差異性，發(fā)現(xiàn)了化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定的惰性氣體家族成員非常贊嘆，同時(shí)自然提出一個(gè)問(wèn)題，惰性氣體化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定的原因是什么？教師可呈現(xiàn)零族元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，讓學(xué)生觀察惰性氣體元素原子結(jié)構(gòu)的共性，從而找到惰性氣體元素的原子最外層都有8個(gè)電子（氦只有2個(gè)）的重要規(guī)律。接著呈現(xiàn)堿金屬元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，讓大家討論堿金屬元素的原子為了追求結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可能會(huì)采取怎樣的行動(dòng)？學(xué)生不難想到堿金屬元素的原子只要失去最外層的1個(gè)電子就可以形成惰性氣體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。失去電子意味著電子可以移動(dòng)，同學(xué)們的已有認(rèn)知中有金屬元素的電子移動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)嗎？金屬導(dǎo)電性的常識(shí)性知識(shí)讓學(xué)生對(duì)金屬原子價(jià)電子可失去性的邏輯推演有了可信的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。那么，非金屬元素如何追求結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性呢？類似的鹵素原子結(jié)構(gòu)示意圖的討論，容易讓學(xué)生想到非金屬元素可以通過(guò)得到一定數(shù)目的電子達(dá)到惰性氣體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，此時(shí)教師提出當(dāng)鈉原子與氯原子相互碰撞會(huì)發(fā)生什么，學(xué)生們對(duì)鈉原子與氯原子通過(guò)碰撞轉(zhuǎn)移價(jià)電子形成離子的過(guò)程充滿了過(guò)程的想象，對(duì)氯化鈉的化學(xué)式有了真正的理解，接著依次展開(kāi)的是鎂原子與氟原子，鉀原子與氧原子，鈣原子與硫原子三組原子碰撞中價(jià)電子轉(zhuǎn)移及化學(xué)式書(shū)寫(xiě)的研究，之后，教師水到渠成地介紹在離子化合物中化合價(jià)概念的內(nèi)涵，離子化合物中離子所帶的電荷數(shù)，稱做該元素的化合價(jià)，并通過(guò)討論得出離子化合物中化合價(jià)的相關(guān)知識(shí)：一般來(lái)說(shuō)，金屬原子在變成離子時(shí)，總是失去最外層電子達(dá)到惰性氣體的電子排布結(jié)構(gòu)，形成陽(yáng)離子；非金屬原子在變成離子時(shí)，總是獲得電子，使最外層電子達(dá)到惰性氣體的電子排布結(jié)構(gòu)，形成陰離子。在離子化合物中，陽(yáng)離子所帶的正電荷的總數(shù)（正化合價(jià)）與陰離子所帶的負(fù)電荷的總數(shù)（負(fù)化合價(jià)）相等。即：離子化合物中，正、負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和為零。接著，教師要學(xué)生從Na、K、Mg、Ca、F、Cl、O、S原子中任選一種金屬元素原子、一種非金屬元素原子，將其組合成相應(yīng)的離子化合物，學(xué)生們?cè)诶斫饣蟽r(jià)概念形成的基礎(chǔ)上寫(xiě)出了好多合乎要求的化學(xué)式，第一次看到了自然界中原子在形成化合物過(guò)程中的組合行為，理解了金屬元素原子和非金屬元素原子化合時(shí)，一種金屬元素一定數(shù)目的原子與另一種非金屬元素一定數(shù)目原子化合時(shí)的“價(jià)”。用元素化合價(jià)書(shū)寫(xiě)化學(xué)式知識(shí)是規(guī)則性概念，規(guī)則性概念教學(xué)主要是接受性學(xué)習(xí)，但在上述教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生們主動(dòng)參與了規(guī)則制定的過(guò)程，自然更容易把握規(guī)則的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)了規(guī)則性概念的意義建構(gòu)。

非金屬元素化合價(jià)知識(shí)的教學(xué)，是從“非金屬元素之間怎樣相互作用形成惰性氣體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”的問(wèn)題討論開(kāi)始的。首先以H原子和Cl原子相互碰撞形成穩(wěn)定的HCl為例，學(xué)生們?cè)诮?jīng)歷解決Cl原子想得到1個(gè)電子獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而H原子也想得到1個(gè)電子獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的難題時(shí)，不禁贊嘆自然界的思想境界，合作共贏，形成1對(duì)共用電子對(duì)。在同樣用原子結(jié)構(gòu)示意圖的方式表示出H原子和Cl原子之間通過(guò)形成1對(duì)共用電子對(duì)達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的過(guò)程后，接著展開(kāi)的是F、O、N、C四種原子中任一原子與合適數(shù)目H原子的組合，學(xué)生們畫(huà)出四種原子結(jié)構(gòu)示意圖，嘗試通過(guò)與H原子形成合適數(shù)目的共用電子對(duì)獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而得到相應(yīng)分子的分子式，在數(shù)形結(jié)合的分析中，學(xué)生們漸漸理解自然界中原子組合的定量規(guī)則，體驗(yàn)著與自然達(dá)到一種默契的喜悅之情。再討論O、N、C三種原子中任一原子與合適數(shù)目F原子的組合，學(xué)生們有了先前H原子與Cl原子均可通過(guò)形成1對(duì)共用電子對(duì)獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，很快成功寫(xiě)出了自己或許并不認(rèn)識(shí)但卻堅(jiān)信自然界中存在的分子式，享受著遷移學(xué)習(xí)的快樂(lè)。在自然的學(xué)習(xí)狀態(tài)中，學(xué)生們沿著教師教學(xué)的思路，開(kāi)始嘗試非金屬原子之間其它的組合方式，C原子與O原子的組合，C原子需要形成四對(duì)共用電子對(duì)，O原子需要形成兩對(duì)共用電子對(duì)，加之CO2是學(xué)生們非常熟悉的物質(zhì)，學(xué)生們開(kāi)始意識(shí)到自然界原子在組合的過(guò)程中，原子之間共用電子對(duì)的數(shù)目不一定是1對(duì)，（CN）2分子式的推導(dǎo)展現(xiàn)出智慧的光芒，而CO、NO、NO2化學(xué)式無(wú)法解釋的困惑為高中課程繼續(xù)學(xué)習(xí)激發(fā)了動(dòng)機(jī)。

此時(shí)，化合價(jià)的另一種表現(xiàn)形式已經(jīng)呼之欲出了，分子中不同種元素之間形成共用電子對(duì)的數(shù)目，也叫化合價(jià)，其中吸引電子能力強(qiáng)的原子上會(huì)帶部分負(fù)電荷，顯負(fù)化合價(jià)，吸引電子能力弱的原子上會(huì)帶部分正電荷，顯正化合價(jià)，化合價(jià)的數(shù)值等于共用電子對(duì)的數(shù)目。同種非金屬原子之間的組合此時(shí)也已水到渠成，學(xué)生們結(jié)合原子結(jié)構(gòu)意圖能從容判斷出H2、Cl2、O2、N2分子中原子間的共用電子對(duì)數(shù)，但由于同種原子吸引電子的能力相同，共用電子對(duì)沒(méi)有偏移，化合價(jià)沒(méi)有正負(fù)，規(guī)定為0。再對(duì)H2O2、N2H4、C2H6、C2H4、C2H2等化合物中雙中心非金屬元素化合價(jià)反常原因進(jìn)行討論，學(xué)生在推算雙中心原子間共用電子對(duì)數(shù)目的過(guò)程中進(jìn)一步加深了對(duì)化合價(jià)正負(fù)的理解。

高中氧化還原反應(yīng)概念的建立是對(duì)元素化合價(jià)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步提升，教學(xué)時(shí)可以從回顧原子在組合成物質(zhì)中產(chǎn)生化合價(jià)談起，進(jìn)一步討論，物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，伴隨著反應(yīng)物的原子通過(guò)重新組合形成生成物，元素的化合價(jià)是否發(fā)生變化。學(xué)生們通過(guò)對(duì)初中所學(xué)常見(jiàn)反應(yīng)化合價(jià)的分析，發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中元素化合價(jià)是否發(fā)生變化將化學(xué)反應(yīng)分成兩大類，一大類反應(yīng)中元素化合價(jià)發(fā)生變化，包含初中所學(xué)的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、置換反應(yīng)等，另一類反應(yīng)中元素化合價(jià)不發(fā)生變化，包含復(fù)分解反應(yīng)等。由此發(fā)現(xiàn)了自然界中原子在一定條件下優(yōu)化組合的另一個(gè)秘密，元素化合價(jià)有變有不變，由此自然而然引入氧化還原反應(yīng)概念，在接下來(lái)進(jìn)一步探尋反應(yīng)中化合價(jià)升降的規(guī)律時(shí)，學(xué)生們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)了其和原子在結(jié)合成物質(zhì)中元素化合價(jià)的變化規(guī)律相似，氧化還原反應(yīng)過(guò)程中元素化合價(jià)的升降守恒。后續(xù)教材中結(jié)合元素周期表認(rèn)識(shí)元素化合價(jià)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)元素化合價(jià)的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。原電池中電流的檢測(cè)及逐級(jí)增大的電離能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析為元素化合價(jià)最終給出了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“組合作用似乎是創(chuàng)造性思維的本質(zhì)特征?！睂W(xué)生們?cè)诨蟽r(jià)的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)過(guò)程中，了解著自然界以不多種類的原子通過(guò)組合創(chuàng)造豐富物質(zhì)世界的原因，體驗(yàn)著自然的魅力，對(duì)進(jìn)一步了解自然充滿信心。