一、 从元素的视角看物质的分类与转化

《普通高中化学课程标准(实验)》中指出,高中生应认识分类思想对化学研究的作用,并能根据物质的组成和性质对物质进行分类。物质分类与转化是化学的核心问题,对物质进行分类和研究物质转化的规律,既符合化学科学的发展规律,也符合学生认知规律。

1. 化学的核心问题——物质及其转化

化学的核心问题是物质及其相互转化,化学科学认识活动对其基本问题“物质及其转化”的认识有2大基本任务:一是探寻“物质及其转化”基本规律,二是建构“物质及其转化”的科学理论。

为了认识丰富多彩的化学物质及其转化规律,化学学科采取了独特的认识视角——元素视角。物质是由元素组成的,物质按照元素组成可以进行分类;组成相似的物质,其化学性质也相似,各类物质的相似性,就是各类物质的性质研究模型。

为了解释“物质及其转化”的事实和规律性,化学科学在认同分子、原子等微观粒子存在的基础上建构相关的化学科学理论。从内容上说,化学科学理论有分子论、原子论、原子结构理论、化学键理论、有效碰撞理论和碳共价键理论等。如图1所示。

2. 物质的分类

在自然界中,100多种元素形成了数千万种组成、形态、性质各异的单质和化合物。面对种类繁多、变化复杂的物质世界,化学家需要将众多的物质进行分类,需要探索各类物质间转化的条件和转化所遵循的规律。从元素的视角看物质的分类。如图2所示。

3. 物质性质的研究模型

同一类物质在组成和性质方面往往具有一定的相似性,对物质进行合理的分类,有助于我们按物质的类别进一步研究物质的组成、结构和性质。高中无机物性质研究的2个重要视角,一是物质的类别;二是核心元素的化合价。如图2所示。

金属单质、非金属单质、酸碱盐各类物质都有其相似的性质,如酸性氧化物的化学通性,如图4所示。

二、 “硫和含硫化合物间的相互转化”教学内容分析

“硫和含硫化合物相互转化”是苏教版《化学1》专题4的教学内容,从教科书的编排来看,这一内容安排在“二氧化硫性质和作用”、“硫酸的制备和性质”之后,是对硫和常见含硫化合物知识的一次归纳和整理,初步形成硫和含硫化合物间相互转化的知识网络关系。其教学价值在于:一是为了印证专题1中“物质的分类与转化”的化学家研究视角,二是为了建构“物质是可以相互转化的、物质之间的相互转化是有一定规律的”基本观念。

“含硫物质多种多样,它们在一定条件下可以相互转化。通过氧化还原反应可以实现含有不同价态硫元素的物质之间的转化。通过非氧化还原反应可以实现含有相同价态硫元素的物质之间的转化。”教材已经为我们揭示了物质间相互转化的基本思想、以及研究或学习的方法,从无机物性质研究的2个视角(物质类别和核心元素价态)认识“物质转化”的内在规律,建构“物质转化”的基本观念。

“通过氧化还原反应可以实现含有不同价态硫元素的物质之间的转化”。学生对“不同价态硫元素间转化”已有3个角度的认识:一是实验室中(二氧化硫被双氧水氧化、浓硫酸被铜还原)不同价态硫元素间的转化;二是酸雨形成及其防治中不同价态硫元素间的转化;三是硫酸工业生产中不同价态硫元素间的转化。教学是将这些已有的知识提高到观念建构的认识上来,使学生的学习不再停留在仅仅关注物质的性质,而是要利用氧化还原反应的知识,认识元素价态变化与含硫物质转化的关系。

“通过非氧化还原反应可以实现含有相同价态硫元素的物质之间的转化”。学生从“物质类别变化”和“复分解反应”的角度认识了二氧化硫、亚硫酸和硫酸性质,如SO2是酸性氧化物,具有酸性氧化物的通性;亚硫酸是一种较强酸、硫酸是一种强酸,具有酸的通性。教学是将研究各类物质之间的相互反应关系,提升到研究它们之间的相互转化的意义,从“物质类别变化”的高度认识物质类别与含硫物质转化的关系。

从上述2个角度对硫及其化合物进行分类,以物质类别和价态变化为坐标的二维转化关系如下图5所示。

三、基于物质分类与转化的教学设计

教学目标:(1)元素观的建构:能够认识硫元素在自然界以多种物质形式存在,从元素视角对含硫物质进行分类;(2)转化观的建构:从物质类别和价态变化2个视角建构物质性质的研究模型,在学生头脑中建构以类别和价态为坐标的二维转化关系概念图,依据转化关系分析重要物质的性质;(3)转化观的应用:能够将转化关系概念图工具化,解决生产生活中的实际问题。

教学策略:一是以价态变化为线索,如自然界中硫循环、酸雨形成、硫酸工业生产中不同价态硫元素间的转化,建构的转化关系;二是以物质类别转化为线索,如“氢化物或氧化物→酸→盐”的转化关系。

教学过程:凸显硫和含硫化合物间“转化观”的建构与应用。

(1)硫和含硫化合物间“转化观”的建构

事实材料一:自然界中的硫

展示自然界中含硫物质的图片或实物标本,如天然硫单质、辰砂、雄黄、雌黄、黄铁矿、芒硝、重晶石、石膏等,并对其进行分类。

展示“自然界中硫循环”的图片。大气中的H2S、SO2主要来自岩石的风化、有机物的分解、矿物燃料的燃烧,SO2在大气中受O2、H2O(g)、阳光等影响被氧化成SO3,SO2和SO3溶解于水,分别生成H2SO3或H2SO4,随雨水降落地面,与地表的矿物质反应生成可溶性硫酸盐和亚硫酸盐进入土壤,经过土壤微生物作用,含硫化合物转化成能被植物根系所吸收的可溶性盐类,再经过动物、微生物的传递,最后又返回到土壤和大气中。火山喷发的熔硫在地下形成黄铁矿(FeS2)、辰砂(HgS)等含硫矿物和化石燃料。认识自然界中不同价态硫元素间的转化。

事实材料二:酸雨的形成与防治

再现教材中“硫酸型酸雨的形成”图片,化石燃料(含S)燃烧→SO2→SO3→H2SO4,或化石燃料燃烧→SO2→H2SO3→H2SO4,再次认识酸雨形成的反应过程,建构的转化关系。

再现教材中“用化学方法减轻酸雨对树木和土壤的危害”的图片,再次认识酸雨水中的二氧化硫、亚硫酸和硫酸与石灰的反应,建构“酸性氧化物→酸→盐”或“酸性氧化物→盐”转化关系。

事实材料三:硫酸工业生产中不同价态硫元素间的转化

再现教材中“硫酸制备流程”图片,再次认识FeS2或S→SO2→SO3→H2SO4的转化过程,建构的转化关系。

事实材料四:实验室中不同价态硫元素间的转化

再现教材中“铜与浓硫酸反应实验装置”图片,回顾SO2被H2O2水溶液氧化的实验,补充SO2与H2S反应生成硫的实验,进一步认识H2SO4→SO2→S转化过程。

根据“自然界中硫的循环”、“酸雨的形成与防治”、“硫酸工业生产”和“实验室中”等不同价态含硫物质间转化的事实材料,组织学生讨论、总结硫和含硫化合物间的转化关系,如图6所示。

(2)硫和含硫化合物间“转化观”的应用

设计将硫酸厂尾气中的SO2转化为石膏(CaSO4·2H2O)的反应,并说明思维过程。从二氧化硫到石膏的转化涉及价态和物质类别变化,因此该转化过程既要用到氧化剂又要用到碱。至少有3条途径:SO2→H2SO3→CaSO3→CaSO4·2H2O;SO2→SO3→H2SO4→CaSO4→CaSO4·2H2O;SO2→CaSO4→CaSO4·2H2O;如图7所示。工业上选择最合适的反应途径,并写出有关的化学方程式。

四、教学反思

教学设计的基本观点是能有效帮助学生建立“物质分类与转化”的基本思想、一般研究方法和思路,认识物质及其转化的两大基本任务,从“元素观”认识物质的分类,从“转化观”认识物质性质的研究模型。教学的关键是有效地帮助学生建立结构化的物质转化关系,“通过氧化还原反应可以实现含有不同价态硫元素的物质之间的转化;通过非氧化还原反应可以实现含有相同价态硫元素的物质之间的转化”两条线索,帮助学生在头脑中建构物质类别转化和元素价态转化二维转化的概念图式,并利用概念图解决实际问题。

参考文献

[1] 王祖浩. 普通高中课程标准实验教科书:化学1 [M]. 南京:江苏教育出版社,2011:93-94

[2] 梁永平. 化学科学理解的基本视角及其核心观念 [J]. 化学教育,2011,(6):4-7

[3] 支瑶,王磊等. “物质的分类”促进高中生无机物性质学习的功能价值分析及其教学实现[J]. 化学教育,2012,(4):28-35