元素化合價與氧化值含義的探析及教學策略

張雪泳+蔣新征

摘要：探析了元素化合價和氧化值的含義，針對在中學教學中這兩個概念易被混淆的現象，建議在教學中采用螺旋式教學策略，逐步甄別兩者的差異，并以實際例子作為佐證，闡明這兩個概念的作用是相輔相成的。

關鍵詞：元素化合價；氧化值（數）；教學策略；化學教學

文章編號：1005–6629（2015）4–0089–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

“元素化合價”概念的出現是在義務教育課程標準實驗教科書《化學》（九年級上冊）[1]，其表述為：化合物是由兩種或兩種以上元素組成的，各種化合物中組成元素的原子個數比是一定的；化學家在研究大量的化合物中不同元素原子數目比值關系的基礎上，總結出了體現這種關系的數值——元素的化合價。實際應用上要求根據元素化合價書寫化學式，由此衍生出了常見的初中化合價口訣：一價鉀鈉氯氫銀，二價氧鈣鋇鎂鋅，三鋁四硅五價磷，二三鐵、二四碳、三五氮，二四六硫都齊全，銅汞二價最常見。進入高中，對“元素化合價”應用的要求顯得更加突出，蘇教版高中化學必修1體現在氧化還原反應及配平的熟練應用，必修2體現在元素周期律中元素化合價的變化規律的歸納以及原電池和電解池工作原理的分析應用。北師大等校所編的無機化學教材[2]中關于“元素化合價”的表述是：氧化還原反應的基本特征是反應前后元素的“化合價”發生變動。這種“化合價”是帶正負號的，可稱為“正負化合價”。1970年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）建議將這種“正負化合價”改稱為“氧化值（數）”。在中學化學的教學中，我們重在應用的元素化合價實際上就是氧化值的應用，對于“什么是元素化合價”我們知之甚少，很少有教師能準確地說明元素化合價的含義，也讓學生感到困惑：化合價與氧化值（數）的概念在大學和中學階段差別巨大。究竟什么是元素化合價？通過中國知網查閱，發現在《化學教學》、《化學教育》、《中學化學教學參考》三種期刊中，已發表了十多篇相關研究的文章，對化合價和氧化值含義進行了比較和論述。但是，對于如何解決新課程形勢下氧化值與化合價相互關系的教學欠缺了必要的銜接和教學策略。為此，本文從中學化學角度提出了可行的教學策略，使兩者關系相輔相成，有利于新教材的教學和學生的可持續學習。

2 元素化合價與氧化值含義的探析

元素化合價的本質及相關理論的提出歷經了兩百年，許多科學家進行了認真的思考[3]。1852年英國化學家弗蘭克蘭提出了“原子化合能力”，如N、P、As等原子總是傾向于與3個或5個其他原子化合；1857年德國化學家凱庫勒提出“原子價數”概念；1857年德國化學家柯爾柏和英國化學家庫珀提出“親合力單位數”概念，即后來所說的化合價（或稱為原子價），如親合力單位數為1的元素：H、Cl、Na、Br等，親合力單位數為2的元素O、S等；1864年德國化學家邁爾建議用“原子價或化合價”代替原子數或親合力單位數；1893年瑞士科學家維爾納提出配位場理論，指出金屬有“主價和副價”，如[Cu（NH3）4]SO4中，金屬銅離子的主價為外界的硫酸根陰離子，副價為內界的4個氨分子配位；1914～1919年美國科學家路易斯和朗繆爾、德國科學家柯塞爾、英國科學家西奇威克等提出“原子價可以分為共價和電價”、“價層電子對互斥理論”和“八隅律”等理論，不斷完善化合價（原子價）概念；1927年德國科學家海特勒和倫敦提出了現代化學鍵理論——價鍵理論和分子軌道理論，進一步完善化合價中的結構含義；1948年美國化學家格拉斯頓首次明確提出用氧化值（數）代替氧化還原反應配平的化合價數。1970年國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）嚴格定義了氧化值的概念：氧化值是某元素1個原子的電荷數，這種電荷數由假設把每個鍵中的電子指定給電負性更大的原子而求得。定性規則如下：（1）在離子化合物中，元素原子的氧化值就等于該原子的離子的電荷數；（2）在共價化合物中，把2個原子共用電子對指定給電負性較大的原子后，而在2個原子中留下的電荷數就是它們的氧化值；（3）在單質中元素原子的氧化值等于零；（4）在分子（離子）中各元素原子的氧化值之和等于零（或所帶的電荷數）。現在這個規則已被化學界普遍接受并廣泛使用。1973年后，元素化合價已分裂出幾個新概念：（1）共價；（2）離子價；（3）配位數；（4）氧化值（數）或氧化態。 1975年美國科學家鮑林提出共價定義：一種元素的原子價（共價）是指它的一個原子和其他原子形成的共價鍵數。1983年，美國化學家科比那雷等提出原子價的量子化學定義。1982～1987年中國化學家徐光憲提出原子價新概念，含有氧化態、配位數、共價等。縱觀歷史，化合價的概念及含義還在發展、完善中，體現了與時俱進的特征。

綜上所述，“元素化合價”是一個與物質結構和化學鍵有關的概念，反映原子間的化合能力、化學鍵類型（共價、離子、配位、金屬）、成鍵數和原子間的空間結構等固有性質。化合價中的數值必為不為零的正整數，表示的是共價鍵數目或配位數目。人們對化合價應用的角度不同，會出現相對地、獨立性地使用某方面內容，如在學習化學鍵時只討論現代價鍵理論或分子結構，很難與化合價聯系起來。而歷史上道爾頓、凱庫勒這樣偉大的化學家對“化合價”概念的認識中都犯過致命的根本性錯誤。這反映出“化合價”豐富的內涵和難度，所以不易被人接受且使用。教師若不能全面把握化合價內涵的話，自然體會不到化合價內涵之間相輔相成的作用，片面的認識會使教師在教學“化合價”時出現策略失效問題。

“氧化值”是按照一定規則和經驗人為指定的一個數值，完全可由分子式或化學式推算出來，表示元素在化合狀態時的形式電荷，表示元素在化合物中所處的氧化還原狀態，不考慮物質的結構，其數值可以為整數、零和分數。氧化值可用于定義氧化劑、還原劑及氧化還原反應的配平，而氧化還原問題是貫穿初三至高三的重要概念，因此其應用廣泛，較易被人接受和使用。這個“氧化值”正是中學教學中常出現的“正負化合價”概念。

元素化合價和氧化值含義的區別以含硫元素的各種物質作為分析對象，如表1所示（括號內表示某元素或原子）。

例1 20世紀60年代維爾納大學古特曼研究小組報道，三原子分子A可由SF4和NH3反應合成；A被AgF2氧化得到沸點為27℃的三元化合物B。A和B分子中的中心原子與同種端位原子的核間距幾乎相等；B分子有一根三重軸和3個鏡面。畫出A和B的結構式（明確表示出單鍵和重鍵，不在紙面上的鍵用楔形鍵表示，非鍵合電子不必標出）。

解析：由題給的四種元素可知，H、F元素化合價的成鍵數均為1，N元素化合價的成鍵數為3，S元素化合價的成鍵數分別為2、4、6。由題意可以確定A、B兩種分子式的元素組成為N、S、F，應用N、S、F成鍵數目和分子結構的對稱元素可以推導出NSF和NSF3的結構式。結構式中S原子化合的價鍵數分別為4和6，N原子化合的價鍵數為3，F原子化合的價鍵數為1。A、B的結構式如下：

評析：這是一道深刻考查化合價內涵的高中化學競賽題。由于所求的分子式是未知的，所以氧化值概念無法應用，而常見元素的化合價的成鍵數與分子結構卻可以用之解題，是解決這道難題的關鍵，是對化合價內涵深刻理解的表現，也是“化合價解決分子結構”的新應用。此道題很好地揭示了“元素化合價”和“氧化值”這兩者無法相互替代的、但是可以相輔相成的作用。

例2 某硫酸廠廢氣中SO2的回收利用方案如下圖所示。下列說法不正確的是（ ）

A.X可能含有2種鹽

評析：中學化學常用的“元素化合價”實質是氧化值的應用，與原子、分子的結構關系不大。但談到元素的最高化合價和最低化合價卻是與原子結構的最外層電子數目有關系，是元素化合價含義中所指的成鍵數值。如S元素最高化合價為6，等于S原子的最外層電子數目；S元素最低化合價為2，等于S原子達到8e-穩定結構還差的2個電子數。

3 元素化合價與氧化值的教學策略

明確了化合價和氧化值的含義，我們就要根據化合價的含義重新整合并充實教材內容，形式上稱為“元素化合價”，實質上應用的卻是“氧化值”，教學策略上從不同學段、不同層面進行認識建構這兩個概念，并體現新教材內容與時俱進的發展理念和“螺旋式”上升的學習理念。應用時仍然采用傳統、習慣的“氧化值”去解決大部分的問題，但在關于化合價的疑難問題和《物質結構與性質》新教材（蘇教版）中適當拓展元素化合價與原子、分子、晶體結構緊密聯系的含義，豐富化合價的內涵，應用已知化合價規律預測推導未知物質的結構，發現化合價的新價值，為競賽和高校的后續學習起到正確的導向作用。見表2。

這樣分層次的螺旋式教學，既可以使氧化值的教學呈現出熟練應用的層次，又可以逐步過渡到元素化合價與結構、價鍵理論緊密聯系的本質含義。由此可見，明確了氧化值和元素化合價的真正含義，就可以使化合價的教學達到深入淺出、通俗易懂的效果，教師對概念的把握、教學的設計能更加從容不迫、涇渭分明。

參考文獻：

[1]中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級·上冊）[M].上海：上海教育出版社，2004：79～80.

[2]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室編.無機化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2002：350.

[3]朱玉軍，李宗和.化合價的歷史演變[J].化學教育，2009，（11）：80～82.