基于“模型認知”的元素化合物教學認識

卓高峰 魏樟慶

摘要： 從物質的性質認識模型、物質的轉化認識模型、兩種認識模型的教學認識三個角度，系統地認識物質的性質、物質的轉化、化學反應規律等，探索“模型認知”在元素化合物教學中的應用。

關鍵詞： 核心素養; 認識模型; 模型認知; 元素化合物; 化學教學

文章編號： 10056629（2018）12003204中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

“證據推理與模型認知”是高中化學學科的核心素養之一，其“模型認知”內涵為通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。簡言之，學習化學要學會建構模型、應用模型。

元素化合物的知識是中學化學重要的組成部分，是認識物質世界，解決化學問題的重要學科基礎。整個中學階段涉及的元素化合物種類繁多、性質瑣碎、反應規律復雜，往往使學生易學難記，產生畏難情緒。而化學認知模型作為一種有效的認知工具，可以幫助學生把化學知識高度濃縮，將次要的非本質的信息濾去，使重要的本質性知識形成清晰的知識框架，納入學習者已有的知識體系中[1]。本文擬結合教學實踐，探索“模型認知”在元素化合物教學中的應用。

1?物質的性質認識模型

元素化合物知識注重物質的性質與應用，其中“物質的性質”是核心，物質的性質決定了物質的用途、制法、保存等，不認識物質性質，就不可能理解物質的應用。物質的性質是由其元素組成和內部結構所決定的，不從組成和結構角度認識物??質性質，就難以形成對物質性質的深入理解。物質的性質認識模型可分為三個維度： 分析組成元素→物質類別→物質的性質;分析核心元素的價態→物質的氧化性或還原性;物質的特性。

1.1?從物質的通性角度認識物質的性質

根據物質組成和性質，可以將純凈物分為單質、氧化物、酸、堿、鹽等。同一類物質在組成和性能方面往往具有一定的相似性。對物質進行合理的分類，有助于我們根據物質的類別通性認識物質的性質。高中化學學習的典型物質有： 氯、硫、氮、鈉、鎂、鋁、鐵、銅等元素的單質與化合物，下面以非金屬元素為例，從物質的通性角度來認識物質的性質（如圖1、圖2、圖3）。

1.2?從核心元素的化合價角度認識物質的性質

分析核心元素的化合價升降情況可推測物質可能具有的氧化性或還原性，最高價元素只有氧化性、最低價元素只有還原性、中間價態元素既有氧化性又有還原性。

1.3?從物質的特殊性角度認識物質的性質

元素化合物的性質是有規律的，但由于個性的原因，在規律上又有一些不同，具有獨特的性質。

因此，物質的性質認識模型可歸納為如圖4所示：

以非金屬單質（Cl2、 N2、 S）、非金屬氫化物（NH3）、酸性氧化物（SO2、 SiO2）、酸（HNO3、 H2SO4）、鹽（NaNO2）為代表，認識以非金屬元素為主線的五類代表物的性質。如Cl2、 SO2的性質認識模型如圖5、圖6所示。同理，可以歸納以金屬元素為主線的代表物的性質。

2?物質的轉化認識模型

含同種元素的物質多種多樣，它們在一定條件下可以相互轉化。為梳理物質間的相互轉化，可列出關鍵物質，以關鍵物質為聯結點，將各種物質之間的轉化串成線，連成網，構建物質的轉化認識模型。

2.1?以物質類別為線索

金屬鈉、鎂、鋁元素，涉及元素的化合價變化少，可以以物質類別為線索構建物質轉化關系圖（如圖7、圖8）。

2.2?以化合價為線索

非金屬元素N、 S等，涉及元素的化合價變化多，為弱化同價態物質間的相互轉化，突出氧化還原反應，可以以化合價為線索，構建物質轉化關系圖（如圖9、圖10）。

2.3?以化合價、物質類別為線索

變價元素Fe、 N、 S等，化合價變化多，同價態的化合物種類多，可以以化合價、物質類別為線索構建物質的轉化關系，即用價類圖表示。以化合價為縱坐標，物質的類別（單質、氧化物、酸、堿、鹽等）為橫坐標，在二維平面內所繪制的圖像叫價類圖。價類圖從物質核心元素的價態變化和物質的分類2個視角，構建物質相互轉化的知識網絡，具有直觀、線索清晰、引導性強等特點，突出同價態、不同價態物質間的相互轉化規律。價類圖適合變價元素，典型的元素有Fe、 S、 N等元素，構建轉化關系時，可以做適當的變通，物質類別的順序、化合價的順序不一定嚴格地按照坐標系的規律來建構（如圖11、圖12）。

3?物質的性質與轉化認識模型的教學認識

3.1?系統地認識物質的性質

根據物質的性質認識模型，遇到變化多端的元素化合物問題時，能從物質類別、化合價、特殊性三個角度發現不變的核心問題。對于熟悉的元素及其化合物，能從認識模型中及時提取性質信息，解決化學方程式識記難等問題;對于陌生的物質，能夠應用模型進行有效的推理，提升基于學科方法的預測能力。

物質的轉化認識模型中以某種物質為中心的轉化，均可化歸為該物質從化合價角度、物質類別角度來認識物質的性質，即從物質的性質認識模型來學習。例如硫及其化合物中，SO2和H2SO4是兩種重要物質，以SO2為例，SO2→H2SO4、 SO2→SO3、 SO2→S可從化合價角度認識;SO2→Na2SO3可從物質類別角度認識。

因此，物質的性質、轉化認識模型可以系統地認識物質的性質，不僅知道一種物質的性質，還可以拓展到一系列物質的性質，好比既見樹木，又見森林。

3.2?理解物質的轉化規律

物質的性質認識模型、物質的轉化認識模型，均涉及兩類反應。通過氧化還原反應可以實現含有不同價態同元素的物質之間的轉化，通過非氧化還原反應可以實現含有相同價態同元素的物質之間的轉化。

3.2.1?非氧化還原反應

非氧化還原反應大多數是復分解反應、酸堿反應，因此要遵循復分解反應規律、酸堿反應規律。

對復分解反應原理的認識，經歷過三個階段[2]。第一階段是直觀地認識反應，只要兩種物質在水溶液中相互交換離子，有沉淀、氣體、水生成，反應就能發生，不理解反應的本質。第二階段，從生成弱電解質、難溶物質、易揮發性物質判斷反應的發生，理解復分解反應的本質是向離子濃度減小的方向進行?？删唧w拓展到“強酸制弱酸”、“強堿制弱堿”、“溶解度大制溶解度小”的實例，豐富了復分解反應形式上的認識，加深了對反應本質的理解。第三階段，利用化學平衡移動原理、電離平衡常數、溶度積常數來判斷復分解反應能否發生。例如CO2通入到CaCl2溶液中，能否有沉淀產生？可從平衡常數的角度來解釋，利用Ka1（H2CO3）、 Ka2（H2CO3）、 Ksp（CaCO3）計算Ca2++H2CO3CaCO3↓+2H+的平衡常數，根據反應的K值很小，可判斷反應不能進行。從平衡常數角度，加深了對復分解反應本質的認識。

酸堿反應規律總體要把握酸性物質通常能夠與堿性物質發生反應。常見的酸性物質有： 酸、酸性氧化物、強酸弱堿鹽等;常見的堿性物質有： 堿、堿性氧化物、弱酸強堿鹽等。例如學習鋁及其化合物的性質，涉及的化學方程式多而雜，難以記憶。若從物質的酸堿性角度來梳理，鋁及其化合物的性質就顯得有規律可循，從繁雜的化學方程式中認識物質的反應規律。如鋁鹽AlCl3水溶液顯酸性，能與弱堿、強堿、水解呈堿性的鹽反應;Al（OH）3是兩性氫氧化物，能與強酸、強堿反應;NaAlO2水溶液顯堿性，能與弱酸、強酸、水解呈酸性的鹽反應。

3.2.2?氧化還原反應

氧化還原反應的本質是電子的轉移，其反應發生的核心思想是符合強氧化劑的氧化性強于氧化產物，強還原劑的還原性強于還原產物的反應就能發生。用這樣的核心思想對物質間的氧化還原反應進行整合，就可以把氧化還原性的相對強弱進行有序排列，給原有的彼此孤立的反應建立起相互聯系的反應系統[3]。例如，以四個典型的氧化還原反應為例來說明，MnO2+4H++2Cl-△Mn2++Cl2↑+2H2O; Cl2+2Br-2Cl-+Br2; Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+; 2I-+2Fe3+I2+2Fe2+。可判斷，氧化性： MnO2>Cl2>Br2>Fe3+>I2;還原性： Mn2+

3.3?應用物質的性質

學習物質的性質，是為了更好地應用物質，體現化學學科的價值。在物質的轉化認識模型中，“指出”的箭頭表示物質的性質，“指進”的箭頭表示物質的制備。根據物質的轉化認識模型可認識物質的制備、保存、檢驗、預測反應或性質等。例如： 根據硫及其化合物的轉化模型，可指出產生酸雨的轉化關系、工業制硫酸的轉化關系、推寫SO2通入氯化鐵水溶液中反應的離子方程式。理解了硫及其化合物的轉化關系就可以知道酸雨的產生、硫酸的制備、預測SO2的反應，這正是構建物質的轉化認識模型的價值所在。

用“模型認知”的核心素養指導元素化合物教學，不僅教給了學生內在的、結構化的元素化合物知識，還教會了學生用化學學科特有的思維方式認識物質的性質、物質的轉化、化學反應規律等。隨著新一輪課改的推進，“模型認知”作為一種科學方法和學習工具必將受到越來越多的重視和運用，是值得教師深入研究的重要課題。

參考文獻：

[1]陳群，董軍.高三化學復習中建模思想滲透的實踐與研究[J].中學化學教學參考，2013，（4）： 37～39.

[2]張軍.復分解反應原理認知困境的成因與對策探析[J].化學教育，2017，38（7）： 35～39.

[3]管凌云.氧化還原反應核心思想的形成與應用[J].中學化學教學參考，2017，（11）： 23～26.