元素化合价与氧化值含义的探析及教学策略

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摘要：探析了元素化合价和氧化值的含义，针对在中学教学中这两个概念易被混淆的现象，建议在教学中采用螺旋式教学策略，逐步甄别两者的差异，并以实际例子作为佐证，阐明这两个概念的作用是相辅相成的。

关键词：元素化合价；氧化值（数）；教学策略；化学教学

文章编号：1005–6629（2015）4–0089–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

“元素化合价”概念的出现是在义务教育课程标准实验教科书《化学》（九年级上册）[1]，其表述为：化合物是由两种或两种以上元素组成的，各种化合物中组成元素的原子个数比是一定的；化学家在研究大量的化合物中不同元素原子数目比值关系的基础上，总结出了体现这种关系的数值——元素的化合价。实际应用上要求根据元素化合价书写化学式，由此衍生出了常见的初中化合价口诀：一价钾钠氯氢银，二价氧钙钡镁锌，三铝四硅五价磷，二三铁、二四碳、三五氮，二四六硫都齐全，铜汞二价最常见。进入高中，对“元素化合价”应用的要求显得更加突出，苏教版高中化学必修1体现在氧化还原反应及配平的熟练应用，必修2体现在元素周期律中元素化合价的变化规律的归纳以及原电池和电解池工作原理的分析应用。北师大等校所编的无机化学教材[2]中关于“元素化合价”的表述是：氧化还原反应的基本特征是反应前后元素的“化合价”发生变动。这种“化合价”是带正负号的，可称为“正负化合价”。1970年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）建议将这种“正负化合价”改称为“氧化值（数）”。在中学化学的教学中，我们重在应用的元素化合价实际上就是氧化值的应用，对于“什么是元素化合价”我们知之甚少，很少有教师能准确地说明元素化合价的含义，也让学生感到困惑：化合价与氧化值（数）的概念在大学和中学阶段差别巨大。究竟什么是元素化合价？通过中国知网查阅，发现在《化学教学》、《化学教育》、《中学化学教学参考》三种期刊中，已发表了十多篇相关研究的文章，对化合价和氧化值含义进行了比较和论述。但是，对于如何解决新课程形势下氧化值与化合价相互关系的教学欠缺了必要的衔接和教学策略。为此，本文从中学化学角度提出了可行的教学策略，使两者关系相辅相成，有利于新教材的教学和学生的可持续学习。

2 元素化合价与氧化值含义的探析

元素化合价的本质及相关理论的提出历经了两百年，许多科学家进行了认真的思考[3]。1852年英国化学家弗兰克兰提出了“原子化合能力”，如N、P、As等原子总是倾向于与3个或5个其他原子化合；1857年德国化学家凯库勒提出“原子价数”概念；1857年德国化学家柯尔柏和英国化学家库珀提出“亲合力单位数”概念，即后来所说的化合价（或称为原子价），如亲合力单位数为1的元素：H、Cl、Na、Br等，亲合力单位数为2的元素O、S等；1864年德国化学家迈尔建议用“原子价或化合价”代替原子数或亲合力单位数；1893年瑞士科学家维尔纳提出配位场理论，指出金属有“主价和副价”，如[Cu（NH3）4]SO4中，金属铜离子的主价为外界的硫酸根阴离子，副价为内界的4个氨分子配位；1914～1919年美国科学家路易斯和朗缪尔、德国科学家柯塞尔、英国科学家西奇威克等提出“原子价可以分为共价和电价”、“价层电子对互斥理论”和“八隅律”等理论，不断完善化合价（原子价）概念；1927年德国科学家海特勒和伦敦提出了现代化学键理论——价键理论和分子轨道理论，进一步完善化合价中的结构含义；1948年美国化学家格拉斯顿首次明确提出用氧化值（数）代替氧化还原反应配平的化合价数。1970年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）严格定义了氧化值的概念：氧化值是某元素1个原子的电荷数，这种电荷数由假设把每个键中的电子指定给电负性更大的原子而求得。定性规则如下：（1）在离子化合物中，元素原子的氧化值就等于该原子的离子的电荷数；（2）在共价化合物中，把2个原子共用电子对指定给电负性较大的原子后，而在2个原子中留下的电荷数就是它们的氧化值；（3）在单质中元素原子的氧化值等于零；（4）在分子（离子）中各元素原子的氧化值之和等于零（或所带的电荷数）。现在这个规则已被化学界普遍接受并广泛使用。1973年后，元素化合价已分裂出几个新概念：（1）共价；（2）离子价；（3）配位数；（4）氧化值（数）或氧化态。 1975年美国科学家鲍林提出共价定义：一种元素的原子价（共价）是指它的一个原子和其他原子形成的共价键数。1983年，美国化学家科比那雷等提出原子价的量子化学定义。1982～1987年中国化学家徐光宪提出原子价新概念，含有氧化态、配位数、共价等。纵观历史，化合价的概念及含义还在发展、完善中，体现了与时俱进的特征。

综上所述，“元素化合价”是一个与物质结构和化学键有关的概念，反映原子间的化合能力、化学键类型（共价、离子、配位、金属）、成键数和原子间的空间结构等固有性质。化合价中的数值必为不为零的正整数，表示的是共价键数目或配位数目。人们对化合价应用的角度不同，会出现相对地、独立性地使用某方面内容，如在学习化学键时只讨论现代价键理论或分子结构，很难与化合价联系起来。而历史上道尔顿、凯库勒这样伟大的化学家对“化合价”概念的认识中都犯过致命的根本性错误。这反映出“化合价”丰富的内涵和难度，所以不易被人接受且使用。教师若不能全面把握化合价内涵的话，自然体会不到化合价内涵之间相辅相成的作用，片面的认识会使教师在教学“化合价”时出现策略失效问题。

“氧化值”是按照一定规则和经验人为指定的一个数值，完全可由分子式或化学式推算出来，表示元素在化合状态时的形式电荷，表示元素在化合物中所处的氧化还原状态，不考虑物质的结构，其数值可以为整数、零和分数。氧化值可用于定义氧化剂、还原剂及氧化还原反应的配平，而氧化还原问题是贯穿初三至高三的重要概念，因此其应用广泛，较易被人接受和使用。这个“氧化值”正是中学教学中常出现的“正负化合价”概念。

元素化合价和氧化值含义的区别以含硫元素的各种物质作为分析对象，如表1所示（括号内表示某元素或原子）。

例1 20世纪60年代维尔纳大学古特曼研究小组报道，三原子分子A可由SF4和NH3反应合成；A被AgF2氧化得到沸点为27℃的三元化合物B。A和B分子中的中心原子与同种端位原子的核间距几乎相等；B分子有一根三重轴和3个镜面。画出A和B的结构式（明确表示出单键和重键，不在纸面上的键用楔形键表示，非键合电子不必标出）。

解析：由题给的四种元素可知，H、F元素化合价的成键数均为1，N元素化合价的成键数为3，S元素化合价的成键数分别为2、4、6。由题意可以确定A、B两种分子式的元素组成为N、S、F，应用N、S、F成键数目和分子结构的对称元素可以推导出NSF和NSF3的结构式。结构式中S原子化合的价键数分别为4和6，N原子化合的价键数为3，F原子化合的价键数为1。A、B的结构式如下：

评析：这是一道深刻考查化合价内涵的高中化学竞赛题。由于所求的分子式是未知的，所以氧化值概念无法应用，而常见元素的化合价的成键数与分子结构却可以用之解题，是解决这道难题的关键，是对化合价内涵深刻理解的表现，也是“化合价解决分子结构”的新应用。此道题很好地揭示了“元素化合价”和“氧化值”这两者无法相互替代的、但是可以相辅相成的作用。

例2 某硫酸厂废气中SO2的回收利用方案如下图所示。下列说法不正确的是（ ）

A.X可能含有2种盐

评析：中学化学常用的“元素化合价”实质是氧化值的应用，与原子、分子的结构关系不大。但谈到元素的最高化合价和最低化合价却是与原子结构的最外层电子数目有关系，是元素化合价含义中所指的成键数值。如S元素最高化合价为6，等于S原子的最外层电子数目；S元素最低化合价为2，等于S原子达到8e-稳定结构还差的2个电子数。

3 元素化合价与氧化值的教学策略

明确了化合价和氧化值的含义，我们就要根据化合价的含义重新整合并充实教材内容，形式上称为“元素化合价”，实质上应用的却是“氧化值”，教学策略上从不同学段、不同层面进行认识建构这两个概念，并体现新教材内容与时俱进的发展理念和“螺旋式”上升的学习理念。应用时仍然采用传统、习惯的“氧化值”去解决大部分的问题，但在关于化合价的疑难问题和《物质结构与性质》新教材（苏教版）中适当拓展元素化合价与原子、分子、晶体结构紧密联系的含义，丰富化合价的内涵，应用已知化合价规律预测推导未知物质的结构，发现化合价的新价值，为竞赛和高校的后续学习起到正确的导向作用。见表2。

这样分层次的螺旋式教学，既可以使氧化值的教学呈现出熟练应用的层次，又可以逐步过渡到元素化合价与结构、价键理论紧密联系的本质含义。由此可见，明确了氧化值和元素化合价的真正含义，就可以使化合价的教学达到深入浅出、通俗易懂的效果，教师对概念的把握、教学的设计能更加从容不迫、泾渭分明。

参考文献：

[1]中学化学国家课程标准研制组.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级·上册）[M].上海：上海教育出版社，2004：79～80.

[2]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室编.无机化学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2002：350.

[3]朱玉军，李宗和.化合价的历史演变[J].化学教育，2009，（11）：80～82.