化合价是初中化学学习中的难点,这是大家公认的事实。那么,化合价的知识到底难学在哪里?如何理解化合价的概念?基于个体的认识过程以必然的形式重演人类的认识过程,下面我们通过对化合价概念的历史演变分析,探讨化合价的学习难点,并提出解决化合价学习困难的教学策略。
一、化合价概念的历史演变
化合价概念从提出到现在,已经一个半世纪,随着人们对分子及分子结构的认识越来越深入,早期那种认为可用整数定量量度化学元素性质的化合价概念已经过时,化学家的注意力已转向用分子轨道理论来讨论化学键的本质。从历史发展的角度来看,化合价概念的演变与发展经历了四个重要阶段:化合价的提出、化合价概念的发展、化合价的电子理论阶段和分子轨道理论阶段。
1.化合价概念的提出
1852年,英国化学家弗兰克兰在研究金属有机化合物时提出了化合价的思想,认为金属或其他元素的每一个原子在化合时具有一种特殊的性质——化合力,即任何一个原子都有和一定数目的其他原子结合的性质。“化合力”概念的提出揭示了元素化合力与基团化合力之间的联系,“化合力”后来被德国化学家凯库勒翻译为“价”,得到欧洲各国的普遍认可;我国早期使用的术语是“原子价”,1991年公布的《化学名词》中译为化合价,并给出定义:一定数目的一种元素的原子只能跟一定数目的其他元素的原子化合,这种性质叫做化合价。
2.“化合价”概念的发展
化合价的概念提出后,在较长的时间内并没有相应的理论去解释原子间结合的原因,直到化学家们把研究重点从化合价的本质转移到原子结合的数量关系上。21世纪,原子结构理论的建立为揭示化合价的本质奠定了基础。1861年,俄国有机化学家特列洛夫首先提出“化学架构”的概念,并指出物质的化学性质决定于它的化学结构,通过化学性质的研究可以推测化学结构,反之,根据化学结构又可预见物质的化学性质。随着有关分子结构理论的不断充实,原子间结合为分子的空间取向等问题逐步被解释了,但是人们无法回答分子间作用力的实质问题,1916年美国化学家路易斯在《原子和分子》中阐释了化合价的电子理论,解释了分子间作用力的实质,提出:原子失去或获得电子后形成稳定的电子结构,金属原子易失电子,非金属原子易得电子形成负离子,正、负离子间的静电库伦力是离子间形成化合价的本质。
3.电子理论的发展
1927年,英国化学家海特勒和德国化学家伦敦把量子力学理论应用到分子结构中来,后来又经过美国化学家鲍林等人的发展,建立了现代价键理论(简称VB法,又叫电子配对法),1931年,由鲍林和斯莱托创立了杂化轨道理论。价键理论和杂化轨道理论都认为,原子的化合价与原子核外电子层中未配对的电子数目相等。因为有几个未配对电子,就可以借电子对的形式来形成几个共价键,从而生成具有一定稳定结构的分子。例如:H、F、O、N、He、Ne基态时原子核外未配对电子数分别是1、1、2、3、0、O,所以它们的化合价也分别为1、1、2、3、0、0。
4.分子轨道理论阶段
化合价的电子理论虽然对解释化学键的本质起了重要作用,但是它无法解释后来逐步发现的缺电子分子、夹心面包型分子或分子片等实验事实。
1931年鲍林提出了杂化轨道理论和电价配键、共价键的配合物价键理论,1932年美国化学家密立根和德国化学家洪特等人创立了分子轨道理论(简称MO理论),以及随后提出的单电子键、三电子键和缺电子键等概念,使化学家们对原子间相互化合的形式、结构、性质等的认识进一步深化和发展,同时也使化合价的传统概念暴露出来这样那样的缺陷。1938年,鲍林出版了《化学键本质》一书,宣告了用整数定量量度化学元素性质的化合价的消亡,并引导化学家们将注意力转到探索化学键的本质上来。至此,人们开始清醒地认识到用化学键数目来计算原子的化合价的方法是行不通的,至少在有些类型的化合物中是无法应用的。这类化合物中的化学键及化合价需要用量子化学理论来讨论,在这些分子中原子的化合价不再是整数,而可能是分数或小数。
二、化合价的学习困难分析
通过对化合价概念的演变与发展的历史回顾,我们可以看到,在第一阶段的化合价概念仅仅回答了原子间相互化合的数量关系。第二阶段则将化合价的数值与共价键数目或原子中未配对电子数目画上等号,从而使化合价这一起初比较抽象的概念变得具体起来。第三阶段,化合价的分子轨道理论为揭示化学键的本质提供了理论基础,同时说明用整数定量度量原子化合价的概念已经过时,对于奇数电子的分子、缺电子分子和夹心面包型分子中原子的化合价,必须用分子轨道理论来阐述才能得到满意的解释。这不断变化的含义,让化合价披上了一层神秘的面纱,也导致了学生化合价学习的困难。
首先,从化合价的发展历程可以看出,化合价这一概念的含义不断在发生变化,而并不是我们现在教材中给出的化合价的含义,所以这就导致了学生学习了化合价概念之后,按照所学的化合价知识去判断其他物质中元素的化合价时,常常会遇到解释不通的时候,比如说四氧化三铁中铁的化合价、过氧化氢中氧的化合价。这样就导致学生难以理解化合价这个概念。
初三学生在学习化合价之前头脑中没有与“化合价”相连接的先行组织者,化合价知识很难与学生的已有知识经验相连接,学生只能靠死记硬背老师教给的口诀,这样学到的知识在练习应用中又频频出错,这对学生来说更是雪上加霜,化合价的学习更加困难。
其次,化合价如此复杂的发展史,对于很多的初中教师也是陌生的,教师在理解化合价时都不能给出其确切的含义,如果要传授给学生,讲到什么程度、怎样讲合适,这对教师来说本身就是一个挑战,所以很多教师则干脆不讲,直接告诉学生一个“化合价记忆口诀”,学生们只会记住这些口诀,而对于化合价什么含义、怎么用,则是一塌糊涂。
三、解决化合价学习困难的教学建议
以上从化合价发展史的角度分析了初中化合价难学的主要原因,在教学中为帮助学生理解化合价的概念,教师要注意以下两个方面:
1.深入挖掘教材内容,注重化合价本质的理解
化合价的内容理论性较强,需要学生的逻辑思维和抽象思维能力强。鲁教版初中化学教科书很好地利用了化合价发展史,教材中在化合价之前先安排原子的构成、元素等章节,让学生先了解了原子的构成、分子的形成以及原子的八电子稳定结构等知识,学生初步具有了从微观的视角来分析问题的能力。然后在“物质组成的表示”一节中提出了“化合价”概念。从教科书内容来看,教科书给出的“化合价”的解释处在了“化合价”历史发展的第二个阶段:在元素化合物中,元素的化合价是由这种元素的一个原子得到或失去电子的数目决定的。这样的编写顺序便于学生理解。
教师应充分利用教科书,对于化合价的教学可以从原子结构等微观入手,利用学生已知的“原子的稳定结构是最外层八个电子”,而大部分的原子的最外层都没有达到八个电子稳定结构,所以在相互化合时元素原子为了达到稳定结构,必然要得到或失去电子,所以元素的化合价与原子的最外层电子数有关,是由原子的结构决定的,是元素的一种属性。学生在理解化合价本质的基础上可以更好的理解化合价的定义。
2.挖掘化学史的趣味性,提高学生化学学习兴趣
布鲁纳说过:“学习最好的刺激,是对所学材料的兴趣”。化合价内容的学习与学生的已有知识经验联系不是很大,所以在学习这节课的内容时,学生必然会觉得内容抽象、难学、枯燥无味,所以如何提高“化合价”学习的趣味性是非常重要的。在本节课的学习中,教师可以根据本节课的特点,寓教于乐组织学生游戏,分配学生扮演一种原子,然后进行找朋友的游戏,教师也可以给学生简单地讲一下“化合价”的发展史,让学生意识到科学也是不断地在发展前进的,这样不仅可以提高学生的学习兴趣、学习信心,更有助于培养学生的科学价值观。
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