如何加強和提高元素化學教學*

謝鋼 楊奇 陳三平 高勝利

(西北大學化學與材料科學學院 陜西西安 710069)

大一無機化學課程中的元素化學教學一直是基礎課教師關注的焦點之一。一些中國科學院院士也對此給予了關注[1-5]。近年來，很多一線教師根據自己的教學實踐探索總結了不少教學經驗，發表了很有見地的論文[6-19]，例如歸類法、與化學史結合、與生活結合、與應用結合等講法，都取得了很好的教學效果。筆者擬以西北大學大一無機化學元素化學的教學實踐，談談加強和提高元素化學教學的一些理念和做法。

1 元素化學是無機化學的主脈

通常，大一化學課程按照內容被劃分為兩個部分：化學原理和元素化學。其中元素化學部分是無機化學教學的主脈，主要是按照元素周期表系統地介紹元素及其化合物的制備、性質、反應性以及它們之間的聯系和規律，是完成無機化學課程的重要環節。兩部分的有機結合保證了大一化學課程的完整性。再則，大一化學課程中元素化學內容的重要性還在于:許多專業的學生在大學階段的學習中可能再也不會遇到系統介紹元素的課程了。

加強元素化學教學是學科發展的需要。徐光憲先生曾撰文說21世紀的化學將在與物理學、生命科學、材料科學、環境科學、信息科學、能源、海洋、空間科學的相互交叉、相互滲透、相互促進中共同發展[1]。就是說，隨著科學的發展, 冶金、地質以及航空航天、電子、激光、環境、能源、材料和生物工程等新興工業和尖端科學技術的發展對無機化學提出了新的要求，無機化學除了一方面繼續發展自身以外，另一方面還在向其他學科如生物、有機、環境科學等滲透，出現交叉學科。顯然，它要反映在無機化學的元素教學過程中, 必須注意將與無機化學相關的新技術、新方法、新材料以及科學研究的最新成果融入到無機化學的元素教學中，以保證無機化學教材的先進性。

2 提高元素化學教學質量

2.1 建立以區劃分內容加強通性講解的教學體系

元素化學的講述方法各異，各有千秋。建立以區劃分內容(即s區、p區、d區和f區)，加強通性講解的教學體系是其中一種較為科學的方法。因為只有周期系才能將百余種元素聯系在一起，能表示出元素之間橫縱、上下、左右、對角、區域性的關系。講解各區通性，就能讓學生了解元素在周期表中的位置、全貌和共性，體會個性與共性、局部和全體的哲學思想，從而啟發學生利用和發揮某元素性質的想象力。

例如講s區，其通性為：(1) 從上到下電離能、電負性減小，金屬性、還原性增強，原子半徑增大；(2) 從左到右原子半徑減小，金屬性、還原性減弱，電離能、電負性增大；(3) 都是最活潑的金屬；(4) 同一族自上而下性質的變化有規律；(5) 通常只有一種穩定的氧化態；(6) 形成的化合物大多是離子型的。究其原因？一切歸于原子結構。

講p 區元素的通性，則必須講到P區元素的化學特點是其多樣性，包括：(1) 唯一同時包括金屬和非金屬元素的一個區；(2) 無機非金屬材料庫(如人造金剛石、分子篩、高能燃料、硅單晶材料、納米半導體材料、碳-碳復合材料、太陽能電池材料和光子帶隙材料等)；(3) 包括 “不活潑的單原子氣體——稀有氣體”；(4) 有毒的小元素群；(5) 多有同素異形體；(6) 成鍵的多樣性(如乙硼烷的3c-2e鍵等)；(7) 區域性的規律性(如惰性電子對效應，對角線規則等)。

講d區元素的通性，則必須強調d區元素的化學就是d 電子的化學，其特征不同程度上與價層 d 電子的存在有關，至少表現在：(1) 熔、沸點高，硬度、密度大的金屬大都集中在這一區；(2) 不少元素形成有顏色的化合物；(3) 許多元素形成多種氧化態,從而導致豐富的氧化還原行為；(4) 形成配合物的能力比較強，包括形成經典的維爾納配合物和金屬有機配合物；(5) 參與工業催化過程和酶催化過程的能力強。

講f區元素，則重點在于介紹稀土元素：(1) 各種規律：特征的正三價氧化態，鑭系收縮的單向變化，雙峰效應，離子顏色的周期性變化，斜W規則，奇偶變化等；(2) 中國稀土的豐富資源，三大產地，五大特點；(3) 稀土的分離化學；(4) 稀土的應用。

在講解各區元素通性的同時，要注意對各區重點元素及其化合物的存在、制備、性質和用途的講解。

2.2 注重化學原理對元素化學的指導和應用作用

在教學中，應注重利用原子結構、分子結構、化學熱力學、動力學、氧化還原等無機化學的基礎理論知識去理解、判斷、解釋元素及其化合物的性質與結構,使兩者有機結合。無機化學的主體是元素和化合物，只有通過這種結合才能真正消化理論，才能真正理解元素本體。例如，同一族的N2和P4同是獨立小分子結構，但性質差別卻很大，這是由于成鍵不同引起的，反過來可引申到分子軌道理論概念，進一步指導對其性質、制備原理的理解。再如對CO、SO2等分子結構的講解，使學生了解物質反應性不同的原因，并更加全面了解不等性雜化軌道，如sp和sp2雜化軌道。還可舉出有機苯-無機苯、金剛石-立方氮化硼、石墨-立方氮化硼，可說明等電子物種的相關性；又如BX3酸性的大小順序是BF3

2.3 強調元素和化合物在周期表中的規律性講解

加強對元素和化合物在周期表中的規律性講解，這也是深入元素化學講解內容和加強其與理論部分結合的好方法。例如含氧酸的氧化還原性(包括含氧酸氧化還原性的周期性、影響含氧酸氧化能力強弱的因素)，無機酸強度的變化規律(包括影響無機酸強度的直接因素、氫化物酸性強弱的規律、含氧酸的酸性強弱規律)，鹽類的熱分解(包括無機含氧酸鹽熱分解的類型和規律、無機含氧酸鹽熱分解的本質和對某些規律的解釋)，無機化合物的水解性(包括影響水解的因素、水解產物的類型)，離子晶體鹽類的溶解性(規律性及其解釋)，第二周期性(次周期性)和區域規律性[21]等。這些不但是講授內容的深化，而且還能讓學生學會歸納法，引導學生掌握正確的邏輯思維方法,提高他們持續學習的能力。

總之，在大一化學中，元素化學教學是基礎無機化學課的重要部分，必須不斷進行研討、改進、加強，才能獲得良好的教學效果。此外，提升授課藝術也很重要。例如，我們在講授化學原理部分時采用的大綱式教學法[22]也適用于元素化學教學；在講課中，為提高學生學習化學的興趣和熱情，采用適當引入元素化學史料、結合生活實例及前沿發現等做法，都是行之有效的。另外，在元素化學多媒體教學中使用豐富的圖形文件和照片，也起到了很好的效果。

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