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(2016-07-10 16:10:45)
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大山教师元素观化学观念化学学习 |
分类： 专业发展（论文、职评） |
元素观
梳理化学元素观内涵的基础上，探讨化学元素观建构的价值及其建构的基本策略。
1．化学元素观的基本内涵
1．1物质都是由元素组成的
物质世界是巨大的、丰富的。种类浩繁的物质世界只是一百多种元素组合而成的。每种物质只是由少数几种基本元素按照不同的方法组合而成。100多种元素中，有些元素很稀少，有些元素很丰富，大部分元素要与其他的元素结合，只有少量元素在发现时是纯元素。
1．2物质可以按照元素组成进行分类
根据所含物质的种类物质可以分为纯净物和混合物。纯净物通常指具有固定组成和独特性质的物质。纯净物又分为单质和化合物。由同种元素构成的物质称单质。单质是元素存在的一种形式。某些元素可以形成几种单质，称为同素异形体。由不同种元素构成的物质称化合物。化合物是由两种或两种以上元素组成的纯净物，一个化合物分子中至少包含两种或两种以上不同的原子。
每种化合物都有确定的化学性质和物理性质，化学家可以通过这些性质把各化合物同所有其他化合物相区分。实验室合成出来的化合物与自然界中发现的化合物，不管来源有什么不同，一种纯的化合物，不管它的量的多少，其组成和性质都应该相同。因为不论是化学家合成出来的还是自然界发现的，同种化合物都是由相同的元素在同样的法则之下形成的。如果两种物质的组成和性质不同，它们一定是由不同的化合物组成的或它们的纯度不同。
根据是否含碳元素，化合物可以分为无机化合物和有机化合物（碳的氧化物和碳酸盐除外）。无机化合物按照组成可以分为酸、碱、盐。化合物水溶液，在电离时生成的阳离子全部是氢离子的化合物叫做酸，电离时生成的阴离子全部是氢氧根离子的化合物叫做碱，电离时生成金属离子和酸根离子的化合物叫做盐。
组成有机化合物的元素并不多，除了碳元素外，主要有氢、氧、硫、氮、卤素等元素，但是有机化合物的数量却多得惊人，占已发现的纯物质中的绝大部分。碳是有机化合物的基本元素。碳原子与碳原子之间可以以不同的方式结合形成碳链或者碳环。碳原子少则几个，多则成千上万个，此外，即使是碳原子数目相同，由于碳原子与碳原子的连接方式多种多样，因而可以组成许多结构不同的化合物。
1．3化学式表示物质的元素组成
利用元素符号表示物质组成的式子叫化学式。化学式代表一种物质的组成。一个化学式中的符号代表这一种物质中存在的元素。一种纯化合物的不同样品总是含有相同质量比的相同元素，这就是化合物组成的定比定律或定组成定律。
1．4物质间的转化本质是元素原子间的重新组合
质量守恒定律说明，在化学反应中元素是守恒的。物质间的转化本质是元素原子之间的重新组合。化学方程式表示在化学反应中每种元素的原子数是不变的，即恒定的。所以，可以根据化学方程式进行物质转化的定量计算和研究。
在自然条件下，地球上的各种物质及元素等有它们各自的循环途径。如碳元素存在着碳循环，氮元素存在着氮循环。磷、钙、臭氧等都有各自的循环途径，在大自然中共同形成了一个良好的生态系统，支持着地球上生物体的生长和繁衍。物质及元素的循环系统是大自然不可分割的一部分。
1．5元素是同一类原子的总称
原子是由原子核和核外电子构成的。原子核是由质子和中子构成的。具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子叫做元素。具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子叫做核素。同一种元素的不同核素之间互为同位素。中子具有与质子完全相同的质量，但是中子不带电荷。虽然中子对原子的相互作用影响甚微，但是，它们却影响着原子核的质量和稳定性。组成我们熟悉的物质的各种元素，都是以两种或多种原子质量不同而化学性质几乎完全相同的原子组成的同位素。许多元素相对原子质量远非整数就是缘于同位素的存在。
大部分同位素不稳定。一种不稳定的同位素的半衰期，是指同位素衰减到原来质量的一半时所用的时间。不同同位素的半衰期大不相同。任何一种同位素的半衰期都是恒定的，不受温度和压力等物理条件的影响。利用半衰期可以估算时间的演变。
1．6元素化合价与元素原子的最外层电子有关
元素的原子之间结合形成物质时，是按一定数目关系进行的，这种数目关系反映了元素的化合价性质。元素的原子与别的原子结合的本质是为了使原子的最外层电子达到相对稳定的结构。元素的化合价与元素原子的最外层电子有着密切的关系。一般来说，原子之间通过两种作用方式构成物质。一种是通过共用电子对的方式，一种是通过电子得失的方式。以共用电子对方式形成原子间的结合时，如果电子对没有偏移，则化合价为零；如果电子对偏向元素的原子，则显负化合价；如果电子对偏离元素的原子，则显正化合价。以电子得失的方式形成原子之间的结合时，得到电子的原子显负化合价，失去电子的原子显正化合价。
在一个化合物中原子和离子的正化合价与负化合价的代数和等于零。
在许多物质的转化反应过程中，核心元素的化合价会发生变化，化学上将该类型反应称为氧化还原反应。氧化还原反应是一类重要的化学反应，与我们的生活密切相关，例如化学电源、电解、金属的腐蚀与防护的基本原理都是基于氧化还原反应。
1．7元素性质呈周期性变化
每种元素有其特性。元素的性质主要取决于它们的原子结构。有一些元素具有类似的性质，元素的性质随着元素原子序数的递增呈周期性的变化。元素性质的周期性变化本质上是元素原子的核外电子排布的周期性变化。根据元素周期律，把电子层数目相同的各种元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成行，再把不同横行中做外层的电子数相同的元素，按电子层数递增的顺序排成纵行，就得到元素周期表。在每一周期（除第一周期和稀有气体），从左到右，元素的金属性依次减弱，非金属性依次增强。在主族元素中，从上到下，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。
2．化学元素观建构的价值
2．1有利于对物质世界形成有序的认识
化学研究的成果使人类对物质世界形成了条理有序的认识。依据化学组成，物质可以分为纯净物和混合物；依据元素组成，纯净物可以分单质和化合物；单质分为金属单质和非金属单质；化合物分为无机化合物和有机化合物；无机化合物分为氧化物、酸、碱、盐；氧化物分为酸性氧化物和碱性氧化物；酸分为含氧酸和无氧酸；盐分为酸式盐、碱式盐和正盐。在单质、氧化物、酸、碱和盐之间有一定的转化关系，利用物质之间的转化关系，人们可以研究物质的性质、制备以及鉴别和提纯物质。
如果没有人类对化学元素的认识，人类对物质世界的认识也是物质变化现象之网，是一片混沌。同样，如果一个学生没有建立起元素观，他对物质世界的认识也是混乱无序的。而在具有化学元素观的学生大脑中，物质世界是有序的。学生通过化学元素观的建立，理解了有限的元素是怎样组成庞大的物质世界的。在学习和研究物质时，不是简单的学习和研究具体物质的知识，而是通过核心元素建立相关物质之间的关系。在面对一个陌生的具体物质时，能自觉地对物质进行分类，根据其与各类物质之间的相互关系，预测该物质的性质，并在此基础上对物质进行有序的学习和研究。
2．2有利于形成化学的思维方法
（1）了解物质化学式确定的方法。物质化学式的确定，一般来说，要经过以下三个步骤：
①进行元素分析。每种元素的原子都有其自己特征的线装光谱，可以根据谱线所对应的波长确定样品中含有哪些元素，根据谱线的相对强度来确定样品中各组成元素的相对含量。对于有机化合物，可以通过燃烧的产物可以判断物质的元素组成。
②测定相对分子质量。对于气体的相对分子质量测定，可以在标准状况下测定质量和体积来进行确定。利用溶液的一些依数性质如沸点升高、凝固点下降、蒸汽压降低和渗透压等都可以测定溶质的相对分子质量。对于有机化合物可以通过质谱来测定其相对分子质量。
③确定化学式。
（2）掌握元素性质研究的方法。可以利用元素的性质、它在周期表中的位置和它的原子结构三者之间的密切关系，指导化学的学习和研究。元素在周期表中的位置，反映了该元素的原子结构和一定的性质。因此，可以根据某元素在周期表中的位置，推测它的原子结构和某些性质。元素的性质主要指元素金属性或非金属性。从微观上来说，元素的金属性或非金属性与元素的原子得失电子能力强弱有关。从宏观上来说，元素金属性的强弱，可以从它的单质跟水（或酸）反应置换出氢气的难易程度，以及它的氧化物的水化物——氢氧化物的碱性强弱来判断。元素非金属性的强弱，可以从它的最高氧化物的水化物的酸性强弱，或跟氢气生成气态氢化物的难易程度以及氢化物的稳定性来判断。
（3）掌握基于元素观的相关计算方法。中学阶段与元素观有关的计算包括：
①根据某元素天然同位素原子所占百分数和有关核素的相对原子质量，计算该元素的相对原子质量。
②在实验的基础上，通过定量计算未知元素的相对原子质量推断未知元素。
③根据元素的相对原子质量计算已知物质的相对分子质量或摩尔质量。
④从化合物的化学式计算化合物每种元素的质量百分数。
⑤根据元素的守恒性进行化学反应的相关计算。
（4）利用元素化合价知识和氧化还原反应知识解决相关的问题
①物质制备方法的设计。物质制备方法的设计一般经历以下思考过程：拟制备的物质所含元素是什么？拟制备的物质所含元素在自然界中主要存在形态（即原料）是什么？原料中的元素化合价与拟制备物质中元素化合价之间的关系是什么？实现原料到拟制备物质的主要过程是氧化还是还原，需要氧化剂还是还原剂？如绝大多数金属在自然界以化合物形式存在于各种矿石中，只有极少数金属以游离态存在于自然界。化合态的金属在矿石中均呈现正化合价，从中提取金属必须采用还原的方法。
②物质检测原理的设计。物质的简易检测一般是选择有颜色变化的方法，而有颜色变化的反应一般涉及过渡元素的高低价态之间的转化。如酒后驾车检测方法的设计就是基于这样的思维。要检测的乙醇具有容易被氧化的性质，在选择反应物时应该选择氧化剂，且该氧化剂在反应前后最好有明显的颜色变化，具有这样特点的物质只能在过渡元素中寻找，而且是氧化态和还原态的物质颜色有明显差异。在这样的思维指导下，经过实验研究，选择了强氧化剂三氧化铬。
③未知物质的推断。许多物质发生的反应属于氧化还原反应。所以反应后的产物可以利用元素化合价和氧化还原反应知识来帮助判断。例如，某研究小组将一定量的AgCl,Se和NaOH在一定条件下，得到难溶于水的晶体A和溶于水的物质B。现代物理方法证实A由银和硒两种元素组成，Se的质量几近原料的2/3，在此基础上，根据元素化合价知识和氧化还原反应知识，经过一系列思维，初步判断B是Na2SeO3。
（5）了解同位素的应用。放射性同位素广泛地作为示踪原子应用于跟踪化学反应。有些元素不能得到放射性同位素，也可以用稳定同位素作为示踪。例如，18O（稳定同位素）作为示踪原子，可以证明当酯生成时，酸的碳—氧键断裂。
通过测定14C的含量，可以确定含碳物质的年龄。14C的半衰期为5720年。通过14C的吸收和放射性的自然平衡，活的有机体内的14C与12C的恒态比达到与大气中的比相等，也就是相应于每克碳每分钟进行15.3次衰变。当动物或植物死亡，碳的吸收停止，放射性碳的含量由于衰变开始逐渐减少，在5720年后，放射性碳减少到原来的一半，所以其衰变速度将降到7.65次/分•每克碳，这样通过测定木材、纸、纤维、化石等样品中碳的衰变速度，就可以确定有机体死亡的时间。
此外，利用放射性同位素可以检测空气的污染，可以应用于脑瘤的造影，可以用在治疗癌症，用于破坏有害的细胞等。
（6）了解新化学元素发现的方法。科学家从“幻数”稳定结构出发，统计了各种核稳定性规律，提出了“稳定岛”假说。该假说认为具有幻数的中子数或质子数，形成稳定的同位素，在一定的区间出现，组成一个稳定的同位素区。它的四周被不稳定的同位素如“海洋”一样包围着，因此稳定同位素在不稳定同位素中形成如屹立在“海洋”中的“山脉”、“山峰”或“孤岛”。目前，找新元素主要从人工合成及在自然界中两方面进行。人工合成新元素，主要利用高能中子长期照射，核爆炸和重离子加速器等方法进行工作，由于“稳定岛”中新元素可能长期在自然界中存在，因而近年来分别从宇宙射线中，从陨石和月岩中寻找“稳定岛”元素。
3．化学元素观建构的基本原则及教学策略
化学元素观的建构应该遵循以下三个基本原则：
理解性原则
化学元素观形成的基础是理解，标志是表现出迁移性学习指导。化学元素观中需要理解的核心要点是：百十余种元素组成丰富的物质世界，主要在于元素的原子之间存在着结合力，元素的性质与原子结构有关。只有对微观世界形成较好的理解，才能理解元素的原子之间如何形成物质，理解元素性质的周期性，从而真正建构元素观。不论是利用元素观解释物质的有序性，还是指导物质变化的研究，都必须建立在理解的基础上。没有理解性学习，就谈不上科学观念的形成，更谈不上观念的指导价值。所以，化学元素观的建构应该注重理解性。
观念形成和具体事实学习相结合原则
具体事实的学习是化学元素观形成和发展的基础，没有一定的事实积累，很难形成一定的化学元素观。一定层次的化学元素观又能指导物质组成及性质的学习和研究。化学元素观不是一个简单的概念，具有丰富的内涵。化学元素观的建构不可能一次形成，需要经过螺旋式递进，在事实积累和化学元素观发展的交互过程中形成。
结构化原则
从化学元素观的内涵可以看出，化学元素观是一个不断深化、有机联系的结构化内容，因此学生的化学元素观建构应该注重认识和理解的完整性。完整性认识和理解是一个相对状态，不仅是最后一个阶段的任务，而是在各个阶段不断结构化的过程。
根据化学元素观的内涵以及上述建构原则，结合教学实践，提出化学元素观建构的以下教学建议：
3．1在元素概念基础上形成物质的基本分类
元素概念是化学科学的一个基本概念，是中学生化学学习中的一个核心概念。通过元素概念的学习，使学生形成物质的元素性认识，认识到几千万种物质只是百十余种元素的基本组合。从元素组成的角度学习物质的分类，对物质世界形成有序的认识，纯净物可以分为单质和化合物，化合物可以分为氧化物、酸、碱、盐等。在物质的元素性认识和基于元素组成的物质分类基础上使学生建立元素与物质的基本关系。通过酸、碱、盐通性的学习，使学生认识到物质的性质与物质的组成有关，物质组成的相似性可能导致物质性质的相似性。通过单质、氧化物、酸、碱和盐之间关系的学习，使学生了解各类物质之间的转化关系。在此基础上进一步体会按照元素组成对物质进行分类的意义。
3．2在原子结构认识的基础上理解元素是如何形成物质的
在元素概念的基础上，形成了对元素与物质关系的基本了解，但要真正理解元素与物质的基本关系，必须理解元素是怎样组成物质的以及一种元素为什么能组成不同的物质。而要达到这样的理解，必须从原子结构的角度进行认识。原子是由原子核和核外电子构成的，原子核又是由质子和中子构成的。在化学反应中，原子核本身并不发生变化，只是发生了原子核外电子运动状态的变化，从而造成物质组成与性质的变化。一种原子的核外电子数与该种原子的质子数（核电荷数）相等，因此具有相同质子数的原子在化学反应中就具有几乎完全相同的性质，所以将具有相同核电荷数的不同种原子看作同一类原子，并叫做元素。可以说，直到人们认识了原子的内部结构以后，才对元素有了进一步的理解。元素的原子通过转移或共用最外层电子进行相互作用。元素化合价和原子结构的关系的建立，可以使学生初步理解元素是如何形成物质的。通过离子键和共价键的学习，可以深化理解元素是如何形成物质的。通过碳元素的家族有机化合物的学习，进一步丰富学生对元素形成物质的理解。因此，理解性建立元素性质与原子结构的关系，是理解元素与物质之间关系的基础。
3．3在元素周期律学习的基础上形成元素性质研究的基本模型
元素周期律归纳了看似杂乱无章的化学元素之间的相互联系和内在变化规律，揭示了元素周期律的实质是元素原子的结构呈周期性变化。元素周期表是元素周期律的具体表现形式。元素在周期表中的位置反映了该元素原子结构的特点以及由此决定的元素的性质，因此，可以根据某元素在元素周期表中的位置，推测它的原子结构和有关性质。元素的金属性或非金属性与元素的相关物质的性质存在着基本的关系。从元素的原子结构或在周期表中的位置可以预测其金属性或非金属性，进一步预测相关物质的性质。如对于金属元素，可以预测其单质的还原性、金属氧化物的被还原性、氢氧化物的碱性；对于非金属元素，可以预测其单质的氧化性、单质与氢气反应的难易程度、气态氢化物的稳定性、最高氧化物对应水化物的酸性等。可以根据同主族元素性质的相似性和递变性规律来预测某种元素的单质及化合物的性质。
3．4在专题性学习中建构化学元素观
化学元素观的内涵极其丰富，其中涉及许多化学概念的学习和化学事实的学习，但是由概念和事实转化为观念并不是一个自动的过程，需要通过“观念为本”的专题性学习帮助核心观念的形成和建构。美国学者艾里克森（L.Lynn
Erickson）提出了“观念为本的教学”设计方法[2]：（1）把核心观念转化为一些期望学生形成的基本理解；（2）把基本理解以“基本问题”的形式表达，以问题驱动教学和学习，促进学生的基本理解；（3）根据基本问题设计教学活动、学习活动和评价活动，让学生在参与基于问题的讨论和学习中达到基本的理解，形成核心观念。我国学者王磊教授带领她的课题组进行了基于化学核心观念建构的专题性教学设计研究[3]。首先，将元素观转化为基本理解：所有的物质都是由最基本的成分“化学元素”组成的；通常我们见到的物质千变万化，只是化学元素的重新组合，在化学反应中元素不变；对物质进行科学的分类，把握物质的本质属性和内在联系，寻找规律，分门别类地研究物质是科学研究的基本方法。然后，将基本的理解以基本的问题，如元素与物质之间具有怎样的关系？有限元素是怎样组成庞大的物质世界的？为什么要了解元素与物质之间的关系？我们是怎样对物质进行分类的？各类物质之间具有怎样的关系？为什么要研究物质的分类？在这些问题的驱动下，学生进行专题性研究和学习，形成相对完整的核心观念。由于化学元素观贯穿初中化学和高中化学，所以，可以根据概念学习的阶段性和事实学习的积累程度进行相应水平的专题性学习。
3．5在元素观指导下的应用性学习中丰富元素观
化学元素观建构的价值就在于形成化学的思维方法，指导化学的学习和研究。因此，在学生的化学元素观达到一定水平的时候，就要充分利用已经形成的元素观指导新的相关内容的学习，通过应用性学习进一步丰富化学元素观。例如，在具体元素的学习中，运用元素的观点来寻找该元素的物质家族。对该种元素的相关物质按照物质分类进行有序的整理。按照物质之间的关系整理相关物质的性质及其转化。在具体物质的学习和研究中，运用元素的观点考察组成物质的元素是什么？该物质的类别是什么？该物质的核心元素是什么？该元素的可能价态有哪些？该该物质的相关转化是什么？理解该元素为什么能够形成相关的物质？上述思维方式不仅能够指导具体元素或具体物质的学习和研究，而且能够进一步丰富化学元素观。
此外，可以通过介绍相关的化学史，让学生了解科学家是如何应用化学元素观解决相关问题的，从中领会化学元素观的思维方式及其学习价值。
3．6利用概念图技术帮助化学元素观的建构概念图技术是科学观念建构的一种有效技术，教师可以在不同的学习阶段，利用概念图技术，使学生对于化学元素观的理解不断发展和深化，并能够表现出内化的完整性、结构性
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