江蘇 于正國(guó)

元素化合物的相關(guān)試題是高考試題中重要的組成部分，但這部分知識(shí)較為零散，涉及的知識(shí)模塊范圍廣，與無(wú)機(jī)元素及其化合物、有機(jī)化學(xué)、電化學(xué)等知識(shí)模塊都有聯(lián)系。因此教師在復(fù)習(xí)過(guò)程中不僅要研究教材與《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)，還要進(jìn)行多模塊知識(shí)的融合，結(jié)合當(dāng)前科技前沿成果設(shè)計(jì)有趣且內(nèi)容豐富的情境，將元素及其化合物與其他知識(shí)點(diǎn)融合形成一個(gè)框架體系，促進(jìn)學(xué)生“學(xué)-思-悟-用”的全面發(fā)展。

本文以“硫元素及其化合物”的復(fù)習(xí)課為例，利用“類-價(jià)二維圖”的方式，引導(dǎo)學(xué)生厘清知識(shí)脈絡(luò)，利用“氧化還原”與“非氧化還原”兩條線索將零散的知識(shí)點(diǎn)建立成一個(gè)體系，然后再將元素及其化合物知識(shí)與電化學(xué)知識(shí)相結(jié)合，形成一個(gè)含有多模塊的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)全面發(fā)展。

一、研讀《課程標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計(jì)融合復(fù)習(xí)方法

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，在必修課程階段，突出化學(xué)基本概念(大概念)的統(tǒng)領(lǐng)作用。而在選擇性必修課程中，設(shè)置了“化學(xué)反應(yīng)原理”“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”和“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”三個(gè)模塊，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的核心素養(yǎng)水平有了較高的要求。因此教師在高考復(fù)習(xí)過(guò)程中，不僅要引導(dǎo)學(xué)生瞄準(zhǔn)高考，還要放眼未來(lái)。在夯實(shí)學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，也需要將多個(gè)模塊的知識(shí)進(jìn)行融合，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學(xué)思維。

元素及其化合物的復(fù)習(xí)過(guò)程中雖然涉及很多化學(xué)大概念，但起統(tǒng)領(lǐng)作用的還是元素化合價(jià)與物質(zhì)類別，即“類-價(jià)”二維圖，這是落實(shí)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”這一核心素養(yǎng)的重要方法；而建立“類-價(jià)”二維圖化學(xué)觀念有助于學(xué)生深刻理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)與特征，有助于學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)多價(jià)態(tài)化合物之間轉(zhuǎn)化的重要方法，形成一個(gè)“價(jià)三角”乃至“價(jià)多角”的化學(xué)大概念。

化合價(jià)是復(fù)習(xí)元素及其化合物模塊知識(shí)的重要工具，而物質(zhì)的化合價(jià)與其化學(xué)性質(zhì)及電化學(xué)模塊的知識(shí)有著密切聯(lián)系，這可將元素及其化合物與電化學(xué)兩個(gè)知識(shí)模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的運(yùn)用；此外從物質(zhì)應(yīng)用角度，將物質(zhì)的性質(zhì)與環(huán)境、農(nóng)業(yè)等基礎(chǔ)領(lǐng)域相結(jié)合，一方面可創(chuàng)設(shè)真實(shí)的化學(xué)情境，將化學(xué)問(wèn)題與其他知識(shí)模塊相結(jié)合，另一方面可培養(yǎng)學(xué)生用化學(xué)知識(shí)及方法解決實(shí)際生活中問(wèn)題的科學(xué)思維。

二、硫及其化合物復(fù)習(xí)策略

本節(jié)課以“硫之有形”為主題，一開(kāi)始教師引導(dǎo)學(xué)生深入了解硫單質(zhì)的多樣性，即“硫之多形”，然后從原子結(jié)構(gòu)入手認(rèn)識(shí)“硫之原形”，再結(jié)合電子的得失認(rèn)識(shí)硫是多價(jià)態(tài)的元素——認(rèn)識(shí)“硫之變形”，接著教師引導(dǎo)學(xué)生以氧化還原反應(yīng)為主線深入探討硫及其化合物之間的轉(zhuǎn)化及相應(yīng)的“類-價(jià)”二維圖——認(rèn)識(shí)“硫之轉(zhuǎn)形”，最后結(jié)合當(dāng)前科技前沿成果與環(huán)境深入分析脫硫處理及生物化學(xué)中的硫應(yīng)用——了解“硫之用形”，實(shí)現(xiàn)“多-變-轉(zhuǎn)-用”到“學(xué)-思-悟-用”的進(jìn)階。

【環(huán)節(jié)一】由硫單質(zhì)及其結(jié)構(gòu)入手，建立知識(shí)框架——學(xué)知識(shí)。

【情境創(chuàng)設(shè)】教師展示生活中常見(jiàn)的硫單質(zhì)、含硫礦物及硫單質(zhì)的同素異形體。引導(dǎo)學(xué)生了解硫是生命活動(dòng)不可或缺的元素。1843年，農(nóng)業(yè)化學(xué)家李比希揭示出硫元素同氮、磷、鉀元素一樣是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，之后的農(nóng)業(yè)學(xué)家進(jìn)一步指出植物可以從土壤中攝取硫元素，且主要以硫酸鹽的形式攝取。

【教師活動(dòng)】教師提出以下問(wèn)題：

①硫在自然界主要存在哪幾種形態(tài)？有沒(méi)有游離態(tài)的硫？有哪些游離態(tài)的硫？

②硫的原子結(jié)構(gòu)示意圖是怎樣的？試著畫出硫原子的核外電子排布示意圖。

③硫有哪些常見(jiàn)的化合價(jià)？請(qǐng)列舉硫常見(jiàn)的化合價(jià)及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀課本、思考討論、相互補(bǔ)充、總結(jié)答案如圖1所示。

圖1 硫的原子結(jié)構(gòu)示意圖、常見(jiàn)化合價(jià)及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)

【教師活動(dòng)】硫的化合物有很多種，他們之間的價(jià)態(tài)不同，請(qǐng)依據(jù)氧化還原反應(yīng)的原理，將含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系填入“類-價(jià)”二維圖中。

【學(xué)生活動(dòng)】交流討論、完善答案如圖2所示。

圖2 含硫物質(zhì)的“類-價(jià)”二維圖

【設(shè)計(jì)意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生從原子結(jié)構(gòu)角度分析硫元素的常見(jiàn)化合價(jià)，從硫是植物必需的大量元素了解硫在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，并復(fù)習(xí)回顧硫單質(zhì)及其化合物，以及硫元素常見(jiàn)的化合價(jià)。從這些簡(jiǎn)單問(wèn)題的解決中，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到元素的常見(jiàn)化合價(jià)與原子結(jié)構(gòu)有著重要關(guān)系。指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建硫及其化合物的“類-價(jià)”二維圖，由點(diǎn)到面的呈現(xiàn)出常見(jiàn)的含硫物質(zhì)，并完善含硫物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，將氧化還原反應(yīng)與“類-價(jià)”二維圖有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為掌握之后的硫循環(huán)相關(guān)內(nèi)容做了鋪墊。

【問(wèn)題1】分析圖2中可以發(fā)現(xiàn)哪些反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)、哪些反應(yīng)屬于非氧化還原反應(yīng)？可歸納得出哪些氧化還原反應(yīng)的規(guī)律？

【問(wèn)題2】根據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律并結(jié)合所學(xué)知識(shí)，寫出轉(zhuǎn)化關(guān)系中反應(yīng)①～⑦的化學(xué)方程式或離子方程式。

【設(shè)計(jì)意圖】利用“類-價(jià)”二維圖熟悉化學(xué)方程式，并總結(jié)氧化還原方程式及離子方程式的書寫方法和注意事項(xiàng)。

【問(wèn)題3】根據(jù)圖2中的轉(zhuǎn)化關(guān)系，在教材中尋找脫硫的常見(jiàn)方法，并書寫相關(guān)化學(xué)方程式。

【學(xué)生交流】二氧化硫是煙氣中的污染性氣體，教材中介紹的二氧化硫煙氣的脫硫方法主要有石灰石-石膏法和氨脫硫法。

1.石灰石-石膏法：

2.氨脫硫法：

【環(huán)節(jié)二】利用“類-價(jià)”二維圖完善硫循環(huán)圖，尋找治理硫污染的途徑——用知識(shí)。

【教師活動(dòng)】硫循環(huán)是自然界重要的一種元素循環(huán)，循環(huán)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都影響著生產(chǎn)生活與自然生態(tài)的平衡，而自然地質(zhì)活動(dòng)及人為活動(dòng)會(huì)或多或少的造成硫循環(huán)失衡，因此可利用化學(xué)手段彌補(bǔ)這種失衡。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀相關(guān)材料，了解火山噴發(fā)、硫酸型酸雨、硫化細(xì)菌、硫酸還原菌及土壤中常見(jiàn)的有機(jī)硫，結(jié)合圖2完善硫循環(huán)中的“類-價(jià)”二維圖，如圖3所示。

圖3 硫循環(huán)中的“類-價(jià)”二維圖及生物對(duì)硫元素的利用

【問(wèn)題1】通過(guò)圖3可以看出硫循環(huán)涉及很多含硫化合物，其中SO2、SO3、H2S是常見(jiàn)污染環(huán)境的氣體。如火山噴發(fā)會(huì)導(dǎo)致海洋中存有大量的H2S、燃煤過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的SO2，那么能否根據(jù)硫循環(huán)示意圖，尋找到將它們轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)的途徑呢？請(qǐng)?jiān)诹蜓h(huán)“類-價(jià)”二維圖中尋找答案。

【教師引導(dǎo)】從氧化還原角度分析圖3(a)中消除H2S、SO2污染物的途徑，從生物化學(xué)的角度分析圖3(b)中消除H2S、SO2污染物的途徑。

【學(xué)生交流】在氧化還原反應(yīng)的角度，可以通過(guò)添加氧化劑的方式將H2S、SO2氧化為無(wú)污染的硫酸鹽；在生物化學(xué)角度，可以利用特殊類植物、微生物來(lái)吸收利用H2S、SO2污染性氣體。

【設(shè)計(jì)意圖】將化學(xué)學(xué)科與生物學(xué)科相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科之間的相互融合，拓展了學(xué)生視野，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用化學(xué)方法及生物化學(xué)的方法減少，甚至消除含硫化合物對(duì)環(huán)境和人類生活產(chǎn)生的負(fù)面影響，樹(shù)立綠色化學(xué)觀念，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

【問(wèn)題2】在問(wèn)題1中可以得知“添加氧化劑可實(shí)現(xiàn)脫硫”。有文獻(xiàn)表明“NaClO堿性溶液吸收SO2氣體”可用于SO2的脫除，但這只是文獻(xiàn)說(shuō)明，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該脫硫途徑？

【學(xué)生交流】設(shè)計(jì)“次氯酸鈉溶液與SO2的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”，猜測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物并加以驗(yàn)證。而且根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，可以推測(cè)反應(yīng)后的產(chǎn)物應(yīng)該是硫酸根離子，因此可以通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)物中是否含有硫酸根離子來(lái)驗(yàn)證該途徑。

【教師引導(dǎo)】用何種方式檢驗(yàn)硫酸根離子？并書寫出脫硫反應(yīng)的離子方程式。

【學(xué)生交流】用稀鹽酸與氯化鋇溶液檢驗(yàn)硫酸根離子，脫硫反應(yīng)的離子方程式如下

【教師引導(dǎo)】在書寫離子方程式時(shí)需要符合電荷守恒，通常可以用H+或OH-來(lái)平衡電荷，這說(shuō)明溶液的酸堿度會(huì)影響SO2的脫除率，因此可以通過(guò)SO2脫除率與溶液pH的曲線圖，尋找最佳的溶液pH范圍。

【設(shè)計(jì)意圖】教師通過(guò)這種復(fù)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生高階的思維能力與質(zhì)疑思維，如“物質(zhì)推斷能力”“實(shí)驗(yàn)檢測(cè)能力”“原理運(yùn)用能力”“數(shù)形結(jié)合能力”等。

【環(huán)節(jié)三】立足科技前沿，構(gòu)建氧化還原與電化學(xué)兩模塊之間的聯(lián)系——模塊融合。

【教師活動(dòng)】在硫循環(huán)的“類-價(jià)”二維圖中找到了兩種脫硫途徑，一種是化學(xué)途徑，一種是生物途徑，那么生物脫硫途徑是以怎樣的形式呢？

【問(wèn)題1】有大量研究表明，脫氮硫桿菌，在厭氧條件下能以硫鐵礦、單質(zhì)硫、硫離子等為還原劑將硝酸鹽還原為氮?dú)?，其示意圖如圖4所示。試著寫出酸性條件下脫氮硫桿菌以S2-為還原劑脫氮的離子方程式。

圖4 脫氮硫桿菌氧化還原性硫及脫氮的主要過(guò)程圖

【設(shè)計(jì)意圖】環(huán)境問(wèn)題是近幾年高考命題的重要素材，而且化學(xué)命題與生物學(xué)科之間的關(guān)系愈發(fā)密切，無(wú)論是在電化學(xué)還是化學(xué)工藝流程的考查中，都有著生物學(xué)的身影。因此以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)馮傳平教師的研究成果為題材，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技前沿、了解化學(xué)發(fā)展方向，分析微生物在化學(xué)工藝中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生走出課堂、將知識(shí)文章寫在人類大地上的學(xué)科思維。

【問(wèn)題2】電化學(xué)處理廢水是目前化學(xué)的科技前沿方向，而原電池的形成前提是能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。因此理論上能否將脫氮硫桿菌脫硫脫氮的過(guò)程設(shè)計(jì)成一個(gè)電化學(xué)裝置？如果可以，試著寫出該電池的正極和負(fù)極的反應(yīng)式。

【學(xué)生交流】該途徑在理論上可以設(shè)計(jì)成電池，其中正負(fù)極反應(yīng)式如下。

【問(wèn)題3】在問(wèn)題2中已經(jīng)寫出了正、負(fù)極反應(yīng)式，接下來(lái)能否設(shè)計(jì)出符合該電極反應(yīng)的電池裝置？試根據(jù)圖5中的微生物處理鉻廢水裝置，設(shè)計(jì)出脫硫桿菌脫硫、脫硝的微生物電池裝置。

圖5 微生物處理鉻廢水的裝置圖

【學(xué)生交流】小組討論并設(shè)計(jì)出脫硫桿菌脫硫、脫氮的微生物電池裝置圖，合理改進(jìn)后可見(jiàn)圖6。

圖6 脫硫桿菌脫硫、脫氮的微生物原電池裝置圖

【設(shè)計(jì)意圖】以電化學(xué)裝置處理廢水為背景的電化學(xué)試題是近幾年考試的熱點(diǎn)，但其根本原理還是氧化還原反應(yīng)。因此教師以脫硫桿菌的脫硫、脫硝為背景，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)圖6中的微生物電池，不僅有利于學(xué)生夯實(shí)氧化還原反應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)，也可引導(dǎo)學(xué)生將元素化合物、氧化還原與電化學(xué)建立起聯(lián)系，突破新型電池。

【問(wèn)題4】如果以圖6中微生物電池裝置為試題情境，可以設(shè)置哪些考點(diǎn)呢？同學(xué)們?cè)囍涣饔懻撓拢缓竺埔坏离娀瘜W(xué)相關(guān)的考題。

【學(xué)生交流】試題如下

( )

圖7

A.電池工作時(shí)外電路電流由a極流向b極

D.每處理1 mol S2-，可生成22.4 L N2(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)

【參考答案】B

三、教學(xué)反思

本課教師以新教材中硫循環(huán)為載體，以含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化為主線，以硫循環(huán)及脫硫?yàn)閱?wèn)題驅(qū)動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)“類-價(jià)”二維圖，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行路線繪制、問(wèn)題解決、原理解釋、實(shí)驗(yàn)探究等活動(dòng)，從電化學(xué)方面加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，最終形成分析元素化合物的思維模型，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生跳出課堂、走向生活的全面發(fā)展。同時(shí)幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)反應(yīng)與生物化學(xué)之間的關(guān)系，理解交叉學(xué)科在環(huán)境治理中的重要性，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。