以“氧化數(shù)”取代“化合價(jià)”有利于中學(xué)化學(xué)教學(xué)

以“氧化數(shù)”取代“化合價(jià)”有利于中學(xué)化學(xué)教學(xué)以“氧化數(shù)〞取代“化合價(jià)〞有利于中學(xué)化學(xué)教學(xué)

文章編號：1005-6629(2022)10-0074-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

“化合價(jià)〞這一概念，在我國中學(xué)化學(xué)教學(xué)中已經(jīng)使用多年，被廣闊教師和學(xué)生廣為接受，但“化合價(jià)〞在中學(xué)階段過早出現(xiàn)，會(huì)帶來一些問題。

1、課程規(guī)范對“化合價(jià)〞的規(guī)定

義務(wù)教育化學(xué)課程規(guī)范規(guī)定，“化合價(jià)〞的內(nèi)容規(guī)范是：①說出幾種常見元素的化合價(jià)。②能用化學(xué)式表示某些常見物質(zhì)的組成?？梢?，中學(xué)階段學(xué)習(xí)“化合價(jià)〞，是為了用化合價(jià)來書寫化學(xué)式。

基于課程規(guī)范編寫的實(shí)驗(yàn)教材，體現(xiàn)了課標(biāo)的這個(gè)意圖，淡化了化合價(jià)的定義，比方人教版教材，僅用“化學(xué)上用‘化合價(jià)’表示原子之間相互化合的數(shù)目〞這句話，來描述“化合價(jià)〞的定義，除了舉例以外，沒有進(jìn)一步解釋“化合價(jià)〞到底是什么。但緊接著，較為詳細(xì)地給出了確定化合價(jià)的3條規(guī)那么，其實(shí)，這是氧化數(shù)的運(yùn)算規(guī)那么?？梢?，“判斷和運(yùn)用元素的化合價(jià)〞比“理解化合價(jià)概念〞更為重要。從教材的編排順序來看，“化合價(jià)〞緊跟在“化學(xué)式〞內(nèi)容的后面，表明教材引入“化合價(jià)〞是出于書寫化學(xué)式的需要，而對“理解化合價(jià)概念〞并不作要求。

化學(xué)中考對“化合價(jià)〞的考核遵循了課標(biāo)和教材的設(shè)計(jì)意圖，比方，南京市近幾年的化學(xué)中考指導(dǎo)書中闡明的“化合價(jià)〞的考點(diǎn)有兩個(gè)：①說出幾種常見元素的化合價(jià)，其目標(biāo)水平是了解水平，即“知道、記住、說出、例舉、找到〞，“初步學(xué)會(huì)〞，“體驗(yàn)、感受〞。②能用化學(xué)式表示某些常見物質(zhì)的組成，其目標(biāo)水平是理解水平，即“認(rèn)識、了解、看懂、辨認(rèn)、能表示〞，“初步學(xué)會(huì)〞，“意識、體會(huì)、認(rèn)識、關(guān)注、遵守〞。

2、“化合價(jià)〞概念引起的教學(xué)困境

課標(biāo)、教材、考綱引領(lǐng)著教學(xué)實(shí)踐，中學(xué)關(guān)于化合價(jià)的教學(xué)也是重在讓學(xué)生通過口訣記憶常見元素的化合價(jià)，對于化合價(jià)的概念一般都是淡化處理。教師反映，學(xué)生能夠很熟練地背誦化合價(jià)的定義和常見元素的化合價(jià)，但根本不能理解化合價(jià)的真實(shí)概念，甚至老師自己也沒弄分明“化合價(jià)〞到底是什么。把“化合價(jià)〞說成“化學(xué)價(jià)〞的學(xué)生不在少數(shù)。

從教學(xué)文件中可以看出，“理解化合價(jià)概念〞在中學(xué)階段并不是很重要。則，教材中是否可以避而不談，甚至把它刪除呢《研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有化合價(jià)的概念，化合價(jià)的運(yùn)算規(guī)那么就不足鋪墊，化學(xué)式的書寫就無法進(jìn)行，高中階段氧化復(fù)原反饋的配平也沒有了根底。

現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中還是出現(xiàn)了“化合價(jià)〞的概念，同時(shí)也不可防止地產(chǎn)生了下列自相矛盾的現(xiàn)實(shí)問題：

①根據(jù)教材給出的定義，既然化合價(jià)表示原子數(shù)目，那就應(yīng)該是正整數(shù)，而不能是負(fù)數(shù)、分?jǐn)?shù)或零。但是化合價(jià)不為正整數(shù)的例子在中學(xué)有很多，比方Fe3O4、C6H6O、Pb3O4、KO2、CH2CI2等等，特別是CH2C12中，碳的零價(jià)與定義十分矛盾。所以，教材中化合價(jià)的定義與化合價(jià)計(jì)算規(guī)那么自相矛盾。如果用“平均化合價(jià)〞來解釋，是在用“氧化數(shù)〞的概念進(jìn)行解釋。

②根據(jù)教材給出的定義，在Na2O2和H2O2中，其本質(zhì)Na和H的化合價(jià)應(yīng)該是2，為什么卻都是+1？如果根據(jù)化合價(jià)定義寫化學(xué)式，結(jié)果應(yīng)該是NaO，HO才對。所以，教材中化合價(jià)的定義與化學(xué)事實(shí)有時(shí)候也是矛盾的。

③嚴(yán)格來講，CH3C1、CH2CI2和CH3C]中，碳的-2，0，+2等價(jià)態(tài)不是碳的化合價(jià)，而是碳的氧化數(shù)。這些化合物中碳的化合價(jià)應(yīng)該是+4價(jià)。氧化復(fù)原配平所用的化合價(jià)其實(shí)就是氧化數(shù)。

這就產(chǎn)生了兩難困境：“化合價(jià)〞概念的定義與一些化學(xué)事實(shí)相互矛盾，并且這個(gè)概念對于學(xué)生來講太難理解，似乎可以從教材中刪掉。但是如果沒有它，化學(xué)式的書寫就無法進(jìn)行。

以上兩難困境的產(chǎn)生原因在于，多年來中學(xué)教材其實(shí)―直是在誤用“化合價(jià)〞的概念，借“化合價(jià)〞之名，行“氧化數(shù)〞之實(shí)。如果改用“氧化數(shù)〞替代“化合價(jià)〞，那么定義與化學(xué)事實(shí)就不相矛盾了，并且“氧化數(shù)〞的概念比“化合價(jià)〞更簡單明了，用處也更多。

3、“化合價(jià)〞與“氧化數(shù)〞概念的區(qū)別與聯(lián)系

3.1兩個(gè)概念的開展歷史

“化合價(jià)〞的確是一個(gè)很難理解的概念，對學(xué)生如此，對古代的化學(xué)家也是一樣。人類對“化合價(jià)〞的認(rèn)識經(jīng)歷了波折而漫長的過程。最早是1799年，法國藥劑師普羅斯特提出了定比定律：兩種或兩種以上的元素相化合成某一化合物時(shí)，其重量之比例是天然一定的，人力不能增減。他的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是，天然碳酸銅的組成與人造的完全相同。這一認(rèn)識是“化合價(jià)〞概念的早期萌芽。但在當(dāng)時(shí)，定比定律遭到了法國化學(xué)界權(quán)威貝托雷的劇烈反對，兩人展開了長期劇烈的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，貝托雷的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是鉛、銅、錫等金屬在空氣中灼燒，可以連續(xù)地吸收氧氣，得到連續(xù)的一系列不同顏色的氧化物，比方Pb2O3、PbO、Pb4O4，用稀硝酸處理Pb3O4?？梢缘玫絇bO2等，金屬與氧氣之比基本不是固定的，這個(gè)比例―直可以增加，直至到達(dá)一個(gè)固定限度。普羅斯特成認(rèn)氧和鉛可以形成不同氧化物，但指出，每一種化物的組成是固定不變的，貝托雷的錯(cuò)誤在于，將混合物與化合物混為―談。后來，道爾頓的倍比定律和原子學(xué)說證明了定比定律的正確性。1804年，道爾頓分析了沼氣(甲烷)和油氣(乙烯)中的碳?xì)浔?，發(fā)現(xiàn)與同量碳相化合的氫重量之比是2：1，于是提出倍比定律：當(dāng)相同的兩元素可生成兩種或兩種以上的化合物時(shí)，假設(shè)其中一種元素的質(zhì)量恒定，那么另一種元素在化合物中的相對質(zhì)量有簡單的倍數(shù)之比。1808年，道爾頓提出原子學(xué)說，指出不同元素的原子是以簡單數(shù)目的比例相結(jié)合，形成化合物。

不同元素的原子以簡單數(shù)目的比例相結(jié)合是“化合價(jià)〞概念成立的前提條件。接下來的問題‘比例是多少《〞就是“化合價(jià)〞的概念了“比例多少〞的問題顯然比“知道比例存在〞的問題要難得多。因?yàn)檫@牽涉到物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題，而當(dāng)時(shí)科學(xué)家們不僅不知道化合物的結(jié)構(gòu)，甚至連物質(zhì)的化學(xué)式、元素的原子量、分子概念、化學(xué)鍵概念等還都不明白，所以科學(xué)家們探索這個(gè)原子比例問題走了很多彎路。比方道爾頓認(rèn)為水的組成是HO，氨氣的組成是NH。

后來，蓋呂薩克、阿伏伽德羅、康尼查羅等人提出并確認(rèn)了分子假說，貝采里烏斯、杜隆、米希爾里希、杜馬等對一些原子量做了測定，大量無機(jī)化合物的組成被弄分明了，人們開始關(guān)注原子相互化合時(shí)的比例問題。最早發(fā)現(xiàn)化合價(jià)規(guī)律的是英國化學(xué)家弗蘭克蘭，他在廣泛研究金屬與烷烴基化合反饋和無機(jī)化合物化學(xué)式后發(fā)現(xiàn)，N、P、As等原子總是傾向于與3個(gè)或5個(gè)其他原子相結(jié)合，當(dāng)處于這種比例時(shí)，原子的化合能力得到最好滿足。弗蘭克蘭用quantiva-lenee或valency來表示這種化合能力?？梢哉f，那時(shí)起，人們知道了N、P、As的化合價(jià)。

1857年，德國化學(xué)家凱庫勒和美國化學(xué)家?guī)炫灵_展了弗蘭克蘭的見解，指出“不同元素的原子相化合時(shí)總是傾向于遵循親和力單位數(shù)相等價(jià)的原那么〞。這是化合價(jià)概念的重要突破。他們根據(jù)這一原那么，把當(dāng)時(shí)已知的元素分為3組：①親和力單位數(shù)等于1的元素，示例H、Cl、Br、K等。②親和力單位數(shù)等于2的元素，示例O、S等。③親和力單位數(shù)等于3的元素，示例N、P、As等。他們兩人還分別獨(dú)立地提出了碳原子的四價(jià)學(xué)說。1864年，德國化學(xué)家邁爾又倡議，以“原子價(jià)〞這一術(shù)語代替“原子數(shù)〞或“原子親和力單位〞。至此，原子價(jià)學(xué)說(化合價(jià)理論)根本形成了，這一學(xué)說大大推動(dòng)了有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)理論和整個(gè)有機(jī)化學(xué)的開展。

但是，凱庫勒當(dāng)時(shí)犯了一個(gè)錯(cuò)誤，他認(rèn)為一種元素的親和力單位數(shù)(又稱原子價(jià)數(shù))是固定的，只有一種。示例，磷的原子價(jià)數(shù)是3，五氯化磷的化學(xué)式是PCI2C12。

隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的開展，原子價(jià)(化合價(jià))的經(jīng)典概念已經(jīng)不能正確地反映化合物中原子相互結(jié)合的真實(shí)情況，比方，按照化合價(jià)的經(jīng)典定義，“表示元素原子能夠化合或置換一價(jià)原子(H)或一價(jià)基團(tuán)(0H-)的數(shù)目〞，NH4+離子中N與4個(gè)H結(jié)合，N的化合價(jià)應(yīng)該為4，可我們知道，N的化合價(jià)其實(shí)是-3，同樣的例子還有，K2SiF4中si是+4價(jià)，卻有6根共價(jià)鍵。PCIS中P的化合價(jià)是+5，但結(jié)構(gòu)上卻是[PCI4]+[PCI6]-，含有+4價(jià)和+6價(jià)。

于是，1938年，w．M．Latimer首先引入了氧化態(tài)的概念。1948年，在價(jià)鍵理論和電負(fù)性的根底上，美國化學(xué)教授格拉斯頓首先提出用“氧化數(shù)〞這一術(shù)語來說明物質(zhì)中各元素的氧化態(tài)。1952年日本化學(xué)教授桐山良一，1975年美國馳名化學(xué)家鮑林等人分別對確定元素氧化數(shù)的辦法制定了一些規(guī)那么。

20世紀(jì)60年代以前，正負(fù)化合價(jià)和氧化數(shù)的概念在許多情況下是混用的。70年代初，國際純正和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)在?無機(jī)化學(xué)命名法》中，進(jìn)一步定義了氧化數(shù)概念，并對氧化數(shù)的求法作出一些規(guī)定。這些規(guī)定比擬嚴(yán)格，但在求算化合物中元素的氧化數(shù)時(shí)不夠方便。現(xiàn)在化學(xué)界普遍接受的氧化數(shù)計(jì)算規(guī)那么是：①在單質(zhì)中，元素的氧化數(shù)為零。②在單原子離子中，元素的氧化數(shù)等于離子所帶的電荷數(shù)。③在大多數(shù)化合物中，氫的氧化數(shù)為+1；只有在金屬氫化物(如NaH、Call2)中氫的氧化數(shù)為-1。④通常氧的氧化數(shù)一般為-2，但是，在H2O2、Na2O：、BaO：等過氧化物中，-氧的氧化數(shù)是1；在OF2中是+2，O2F2：中是+1。⑤氟在其所有化合物中氧化數(shù)都為-1。⑥堿金屬和堿土金屬在化合物中的氧化數(shù)分別為+1和+2。在中性分子中，各元素氧化數(shù)的代數(shù)和為零。在多原子離子中，各元素氧化數(shù)的代數(shù)和等于離子所帶電荷數(shù)。

3.2兩個(gè)概念的區(qū)別

由“化合價(jià)〞和“氧化數(shù)〞概念的形成歷史可以看出，“化合價(jià)〞是一個(gè)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵有關(guān)的概念，它反映原子結(jié)合成化合物時(shí)形成離子的電荷數(shù)(電價(jià))或者形成共價(jià)鍵的個(gè)數(shù)(共價(jià))，因此，只能是整數(shù)。而“氧化數(shù)〞那么是根據(jù)人為制定的規(guī)那么計(jì)算出來的，它反映的是化合物中各元素的表觀電荷數(shù)(或者形式電荷數(shù))，而不必考慮分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的類型。因此，氧化數(shù)可以為整數(shù)、分?jǐn)?shù)和零。比方Fe3O4，確定鐵元素的化合價(jià)要考慮到電子得失情況：鐵原子與氧原子結(jié)合時(shí)，鐵原子分別失去兩個(gè)電子形成Fe2+以及失去3個(gè)電子形成Fe3+，氧化鐵中鐵元素的化合價(jià)就分別為+2和+3價(jià)。而考慮氧化數(shù)時(shí)，只需要根據(jù)氧化數(shù)的計(jì)算規(guī)那么：“各元素氧化數(shù)的代數(shù)和為零〞，“通常氧的氧化數(shù)一般為-2〞，從而算出鐵元素的氧化數(shù)為+8／3。

從用途來看，“化合價(jià)〞一般在解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題時(shí)會(huì)用到，“氧化數(shù)〞一般在解決氧化復(fù)原問題時(shí)會(huì)用到。

3.3兩個(gè)概念的聯(lián)系

由開展史可以看出，“氧化數(shù)〞概念由“化合價(jià)〞概念開展而來，人為制定的氧化數(shù)計(jì)算規(guī)那么繼承了前人對化合價(jià)的研究成果并加以補(bǔ)充，所以“氧化數(shù)〞概念也含有“化合價(jià)〞概念的根本含義：表示元素原子化合時(shí)的個(gè)數(shù)比。但它繞開了具體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，只關(guān)注整體的形式電荷，使很多與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的化合價(jià)問題變得更加簡單。

4、研究結(jié)論

4.1概念的必要性

前文述及，“化合價(jià)〞概念的學(xué)習(xí)水平僅為了解水平，引入目的主要是為了書寫化學(xué)式的需要。而“氧化數(shù)〞概念保持了“化合價(jià)〞概念所表示的原子個(gè)數(shù)比的含義，而且比“化合價(jià)〞概念更加簡單。現(xiàn)行教材中給出的化合價(jià)計(jì)算規(guī)那么其實(shí)就是氧化數(shù)的計(jì)算規(guī)那么。可見，“氧化數(shù)〞概念及其運(yùn)算規(guī)那么完全能夠到達(dá)中學(xué)化學(xué)的教學(xué)要求和考試要求。所以，從概念在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的作用來看，“化合價(jià)〞可以被“氧化數(shù)〞替代。

4.2概念的重要性

從概念的起源來看，“化合價(jià)〞概念的提出與開展是為了解決原子化合時(shí)的個(gè)數(shù)問題，這決定了“化合價(jià)〞概念在解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題時(shí)的重要性。然而在中學(xué)階段，尤其是“化合價(jià)〞概念剛才出現(xiàn)的初三階段，物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的化學(xué)知識很少，有關(guān)“化合價(jià)〞問題的解釋用“氧化數(shù)〞足以代替。初三階段出現(xiàn)“化合價(jià)〞概念，反而會(huì)引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生一些物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的疑問，這類疑問用中學(xué)階段有限的知識又難以解釋分明。

“氧化數(shù)〞概念的提出與“氧化’’概念有關(guān)，因此特別適用于分析解釋氧化復(fù)原的有關(guān)概念以及氧化復(fù)原反饋的配平問題。氧化復(fù)原的問題是貫通初三至高三的重要概念，其重要性遠(yuǎn)勝于化合價(jià)所能解釋的物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題。

從概念在中學(xué)化學(xué)知識體系中的地位與作用來看，“氧化數(shù)〞比“化合價(jià)〞更加重要。

4.3概念的學(xué)習(xí)難度

歷史上人們對“化合價(jià)〞概念的認(rèn)識過程是漫長而波折的，充斥了劇烈的學(xué)術(shù)爭論。像道爾頓、凱庫勒這樣偉大的化學(xué)家，對“化合價(jià)〞概念的認(rèn)識中都犯過致命的基本性錯(cuò)誤。這反映出“化合價(jià)〞的確是一個(gè)比擬難的概念。教材中過早地出