| 标题 | 中学化学教师对化合价概念理解的访谈研究 |
| 范文 | 杨季冬 王后雄?? 摘要： 化合价是化学学科中的一个重要概念，通过对15名中学教师的访谈发现： （1）中学教师对于化合价的理解并不深刻，许多教师的理解停留在化学课程标准对学生的要求上；（2）教师易混淆化合价与氧化值的概念，但是对此混淆情况教师自身很难察觉。针对结果建议： （1）师范生培养阶段应加强核心概念、重要概念的深入学习；（2）教师职后发展阶段要有问题意识，注重多渠道提高化学学科理解能力；（3）教师在理解基础上阶段性把握相关问题。 关键词： 中学化学教师； 化合价； 氧化值； 化学概念教学 文章编号： 10056629（2018）8002005 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 开展基于学生化学学科核心素养发展的课堂教学，对化学教师的专业素养提出了更高的要求，要求教师进一步增进对化学学科的理解[1]。增进对化学学科的理解既包括对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解。化合价是化学学科中的一个重要概念，进行化学学习、从事化学相关工作都离不开化合价。本文通过访谈调查教师对于化合价概念的理解，以此提出关于增进教师对化学学科理解的建议。 1 相关概念 1.1 化合价 化合价是解决分子性质的一个关键因素，探讨化合价有着悠久的历史。第一个明确提出相关概念的是英国化学家弗兰克兰。后来，凯库勒、库帕（Kolbe）、迈尔（Meyer）等人都为化合价的发展做出了贡献。19世纪末到20世纪初，随着人们对化学键本质理解的深入，关于化合价的理解也因此加深。路易斯在他所著的《化合价与原子分子结构》中提到在有机化学中，原子的化合价被定义为该原子与其他原子所形成的键的数目，这也可以应用于无机化合物[2]。西奇威克（Sidgwick）在其出版的《化合价的电子理论》（The Electronic Theory of Valency）中写到：“化合价是一个用来描述原子相互作用形成分子的能力的一个术语。”并总结说： 总的来看，关于化合价最好的定义是某原子的化合价是其参与成键形成分子时所使用的电子数[3]。鲍林在他所著的《化学》中对原子价（共价）的定义为： 一种元素的原子价（共价）是指它的1个原子和其他原子形成的共价键数[4]。 根据上述内容，在本文中化合价理解为一个用来描述原子相互作用形成分子的能力的术语，具体的取值方式为： （1）离子化合物中各离子的电价，在数值上等于该离子所带的电荷数，得电子取负，失电子取正；（2）共价键相对应的化合价为共价，其数值为该原子形成化合物时，与其他原子所形成的键的数目。 1.2 氧化值 根据上述对化合价的定义，要想确定分子中某元素的化合价，则先需要知道该分子的结构。在分析氧化还原反应时，有些复杂化合物的结构不易确定，这样也就难以确定原子成键形成分子时所使用的电子数，即难以确定化合价。于是，格拉斯通（S. Glasston）在1948年提出用氧化值代替氧化还原反应配平时的价数。1970年，国际化学联合会（IUPAC）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[5]。 仅从定义来看，确定氧化值依然不是很方便，因此人们据此提出了更为具体实用的规则。惯例是[6]： （1） 先确定阳离子，然后是阴离子； （2） 单质中元素的氧化值是0； （3） 单原子离子的氧化值等于离子的电荷； （4） 化合物中氢的氧化值通常是+1； （5） 化合物中氧的氧化值通常是-2； （6） IA族元素的氧化值为+1； （7） IIA族元素的氧化值为+2； （8） VIIA族元素的氧化值为-1，除非这种元素与一种具有更高电负性的元素相结合； （9） 中性化合物中所有原子的氧化值之和为0； （10） 在一个原子团中各元素的氧化值的和等于离子的电荷。 1.3 化合价与氧化值的区别 1.3.1 意义不同 虽然化合价的确定规则有所变迁，但其意义的内核没有改变，即化合价是一个用来描述原子相互作用形成分子的能力的术语，不同的定义只是从不同的角度来阐释它。从西奇威克的定义可以看出，化合价是研究分子的一个重要的量，因为它能反映出原子在成键过程中所使用的电子数。由此也可看出，化合价与物质的组成与结构有关，要确定原子的化合价不能仅根据化合物的分子式，而是需要确定化合物合理的分子结构。而氧化值则是根据一定的规则计算出来的，它避开了具体物质结构，也不必考虑化学键的类型，反映的是化合物中元素整体的形式上的电荷数，为解决很多氧化还原问题提供了便利。 1.3.2 取值不同 在一些情况下，原子的化合价取值可能恰好等于它的氧化值（指的均为绝对值，以下同），但实际上在很多情况下，这种“等值”不成立。化合价与氧化值在以下情况下不一致： （1）相同的原子成键；（2）配体原子（非中心原子）具有相反的电荷；（3）分子（基团）本身带有电荷，而配位原子视为阳离子；（4）由二者取值范围引起的差異，化合价表示原子成键时所使用的电子数，因此只能为非零整数，而氧化值关注的形式电荷，可以为整数或分数。具体情况及举例可见表1。 表1 化合价与氧化值不一致的原因及举例 原 因举 例 （1） 相同的原子成键N2中N的化合价为3价，氧化值为0；Me4C中C的化合价为4价，氧化值为0 （2） 配体原子（非中心原子）具有相反的电荷CH2Cl2中C的化合价为4价，氧化值为0 （3） 分子（基团）中有配位键[NH4]+中N的化合价为5价，氧化值为-3 （4） 由二者取值范围引起的差异Fe3O4中Fe的化合价为+2、+3价，氧化值为+8/3 1.3.3 应用不同 化合价的产生源于人们对物质结构的研究，随着人们对物质结构、化学键本质认识加深，化合价的概念也随之发展，因此化合价对于分析分子结构、分子性质等问题较为有效。而氧化值的概念则是由化合价发展而来的，它的提出主要是为氧化还原反应相关问题的解决提供便利。 例如，NH3中N的化合价为3价，这表明N在成键过程中使用了3个电子。而N的价层电子数是5，说明有两个未成键的孤对电子，所以NH3还能额外成键，在配位化学中它是一个很好配体。 若某原子的化合价大于其价层电子数，要么其分子式错误，要么就是不能用“两中心两电子”的共价键表示。比如B2H6，若将其电子式表示为如图1所示，则B的化合价为4价，大于B的价层电子数3，因此这种结构有误，实际上其中包含两个“三中心两电子”的氢桥键。 又如，根据氧化值的取值规则，C元素的氧化值可由-4到+4，比如CH4中C的氧化值为-4，而CCl4中C的氧化值为+4，而氧化值是否能说明它们分子性质的差异呢？例如我们一般不会把CH4作为还原剂，也不会把CCl4作为氧化剂，因为造成这种差异是H的氧化值取了+1， Cl的氧化值取了-1。再比如Me4C和CH2Cl2都含有氧化值为0的碳，但两者的化学性质没有多少共同点。这些例子都表明氧化值并不能使我们深入了解分子性质。 再如，S2O2-3+2H+SO2+S+H2O，此化学方程式的计量数是客观事实，在解决配平问题时根据氧化值的规则，将反应物中S的氧化值视为+2可使这个问题简化。若用化合价解决该问题，由于硫代硫酸根中两个S的结构不同，化合价也不同，虽然也能解决问题，但过程相对复杂，逻辑也会变得复杂。可见，氧化值正是绕过了结构问题，关注整体的电荷，因此让相关问题变得简洁。 2 研究设计 本研究采用访谈法探究教师对化合价和氧化值的混淆情况，具体情况如下。 2.1 研究对象 本研究选择了15名化学教师作为访谈对象，其中初中教师7人，高中教师8人，男教师5人，女教师10人。 2.2 访谈设计 访谈内容主要是根据前文分析的化合价与氧化值的区别来设计的，其目的是探查教师对两者是否混淆以及如何混淆。访谈的问题主要包括： （1） 你能说出化合价的定义吗？ （2） 请标出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的化合价。你取值的依据是什么？ （3） 你能说出化合价在化学领域中的作用吗？ （4） 你还记得氧化值（数）的概念吗？请说明。 （5） 请标出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的氧化值。 2.3 数据收集 本研究中數据的收集主要是在访谈过程中进行及时的纸笔记录，另外，也运用了录音笔来记录语音信息。数据整理好后与参与者进行了确认。之后，主要依靠归纳对数据进行分析。 3 研究结果 3.1 化合价的定义问题 在被问及化合价定义时，教师的回答可以分为三种情况（见表2）。第一种情况是不知道定义是什么。第二种情况是把化合价理解为元素间相互化合时所表现出来的一种性质，比如有教师说：“我记得好像是描述元素间相互化合的性质。”第三种情况是教师在第二种情况的基础上还给出了化合价取值的方式，比如有一名教师提到：“化合价是以一个H原子为单位，其他原子结合H原子个数是化合价。” 实际上，上述三种答案是递进的。大多数教师能从化合价基本功能的角度给出化合价定义，这也可以看作是将初中教科书上的说法进行了延伸。而如何取值这部分内容在教科书上是以举例的方式给出的，因此只有少数的教师能够较为科学地描述取值依据。 3.2 化合价的取值问题 让教师对具体化合物中的元素化合价进行标注有助于我们了解他们对化合价的具体理解情况。教师给出的结果如表3所示。六个化合物中，NaCl、 CCl4、 CH4、 N2这四个物质他们给出的答案是一致的。CH2Cl2教师给出的答案则不太确定，而Fe3O4则出现两种答案。根据化合价的定义NaCl中Na为+1， Cl为-1， Fe3O4中Fe化合价为+2和+3， CCl4、 CH2Cl2、 CH4中C化合价为4， N2中N化合价为3，由此看出教师大多数的回答存在问题。而这些问题均可以用教师“混淆了化合价与氧化值的取值方式”来解释。比如所有的教师都认为N2中N的化合价为0，根 据化合价的定义应该为3，而根据氧化值的取值方式才为0；再比如有教师认为Fe3O4中Fe的化合价为+8/3，这是典型的按照氧化值取值方式的结果。 由于在询问定义的阶段许多教师并没说明化合价该如何取值，因此结合这些具体的例子我们补充询问了教师取值的依据。其中有10名教师的依据是“背化合价表”，比如有教师说：“我是根据背的价态表，我认为这些值是人为的。”由此可以看出这种取值依据实际上是氧化值的取值惯例，而他们并不会主动从物质的结构来考虑。 3.3 化合价的应用问题 关于化合价应用的问题，根据15位教师的回答可以总结出以下几点： （1）书写化学式；（2）解决氧化还原反应的相关问题，比如判断电子转移情况、谁是氧化剂、谁是还原剂等；（3）解释物质的性质。具体情况及人数见表4。其中“书写化学式”所有的教师均提到此点，这是对化合价应用的基本要求；而回答“解决氧化还原反应问题”的有11名教师，实际上这一点应当是氧化值的应用。有3名教师提到化合价可以“解释预测物质性质”，比如有教师举例说：“比如Cl2处于中间价态，因此可以发生歧化反应，再比如可以解释一些归中反应。” 结合前文对化合价应用的分析可以看出，教师对化合价的应用了解的并不丰富，大多数教师能够想到的应用只是中学里的要求，这是教师对化合价理解不深的必然结果。 3.4 氧化值的访谈情况 关于“氧化值”的访谈结果如表5所示。其中12名教师直接表示并不知道氧化值（数），1名教师表示：“听过氧化值，但中学不用，所以说不了概念。”而有2名教师则认为氧化值和化合价是一样的，没什么区别。基于这种情况，接受访谈的教师实际上均未直接回答访谈设计中的问题（5），因为对于几乎不知道氧化值是什么的教师，则无法回答，对于认为氧化值就是化合价的教师，则在回答化合价时已经回答。对此查阅了一些大学教材，比如由北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学共同编著的《无机化学》中指出：“我们在高中化学里学到过，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，国际化学联合会（IUPAC）建议将这种‘正负化合价改称为‘氧化值。[7]”可见，中学的“化合价”并不是真正意义上的化合价，而是“正负化合价”，而之后被称为氧化值。对于这些概念的产生及来源不明晰的教师而言，会从这段文字中产生一种氧化值和化合价本质相同的错觉，只是说法不同而已。这可能是造成许多教师本科阶段学习了氧化值，但之后对氧化值没印象的原因。 4 结论 上述结果表明： （1）中学教师对于化合价的理解并不深刻，许多教师的理解停留在化学课程标准对学生的要求上。也就是说，教师在化合价概念的理解方面并不比经过相关内容学习的学生深刻。其主要表现为： 大多数教师只能定性地描述化合价的定义，在化合价的取值方面教师主要是使用背“化合价”口诀的方法来取值，而应用方面表现为教师最多能想到的是书写化学式以及解决氧化还原反应相关问题。（2）教师极易混淆化合价与氧化值，主要体现在取值方面，教師对化合价的取值实际运用的是氧化值的取值规则，因此运用“化合价”解决问题实际上是运用“氧化值”解决问题，而多数教师并不熟悉氧化值，少部分教师认为氧化值和化合价是一回事。可见，教师对混淆情况不易察觉。 5 对增进教师化学学科理解的建议 中学教师不熟悉氧化值，所使用的化合价概念其实更接近于氧化值概念，主要原因在于： 不同阶段对同一概念的要求，出现很大偏差，客观上造成理解困难。大学阶段对于氧化值的介绍较为简单，对化合价的介绍则几乎没有，因此没有为加深理解创造足够条件。针对这一情况，提供如下建议以供参考。 （1） 师范生培养阶段应加强核心概念、重要概念的深入学习。一名学生在初中时就会接触到“化合价”的术语，考虑到学生的接受能力，不会涉及其概念问题，但之后的高中阶段、本科阶段、研究生阶段实际上也都没有谈及化合价的概念问题，而本科阶段所提出的氧化值的概念又与中学的“化合价”类似，因此师范生毕业后走上工作岗位对这些相关概念就会有混淆。在师范生的培养阶段可以有意识地加入核心概念、重要概念发展过程的教学内容，师范生学习这部分内容既能够对概念的内涵、变迁有详细的了解，也能在概念的发展过程中领悟到化学学科的思维方式方法，从而在职前增进教师对化学学科的理解。 （2） 教师职后发展阶段要有问题意识，注重多渠道提高化学学科理解能力。教师入职以后直接参与学习的机会远少于在校期间，但在工作中实际上也会有许多的资源来促使教师提高对化学的学科理解，而这需要教师具有问题意识，注重反思。教科书上描述模糊其实是一个很好的抓手，作为教师应当注重反思，然后查阅相关内容进行学习，除了获取相关知识外，也应该结合学生情况充分思考教科书描述是否合理；可以充分发挥备课组的优势，集体有针对性地对学科知识理解进行探讨；通过“名师工作室”、“学科教研基地”等形式开展教研活动，以提升化学教师学科理解能力。 （3） 教师应在理解基础上阶段性把握相关问题。化合价的研究历史悠久，许多化学大师都对化合价的问题进行过探讨，要全面理解化合价并非易事。《义务教育化学课程标准》中“化合价”的内容标准是： 能说出几种常见元素的化合价；能用化学式表示某些常见物质的组成[8]。由此可见，中学阶段把化合价视为工具性概念，以应用为主，而淡化对其概念的掌握。而教科书也是配合课标进行的描述，符合课标的要求，使用这些概念及运算方式基本上能解决中学阶段的各种问题。因此，教师应当充分地了解相关概念，但在教学中则需要阶段性地把握该问题，让所授内容在学生的认知范围以内，以帮助学生顺利处理相关问题。 参考文献： [1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017版）[S].北京： 人民教育出版社，2018： 76. [2]Lewis， G.N.. Valence and The Structure of Atoms and Molecules [M]. New York： The Chemical catalog company， 1923： 104. [3]Gerard Parkin. Valence， Oxidation Number， and Formal Charge： Three Related but Fundamentally Different Concepts [J]. Journal of Chemical Education， 2006，（5）： 791～799. [4]Pauling L， Pauling P. Chemistry [M]. San Francisco： w.H. Freeman Company， 1975： 141. [5][10][13]乔国才.化合价概念的变迁研究[J].中学化学教学参考，2014，（5）： 43～46. [6]大连理工大学无机化学教研室.无机化学（第五版）[M].北京： 高等教育出版社，2006： 180. [7]北京师范大学等无机化学教研室.无机化学（第四版）[M].北京： 高等教育出版社，2002： 350. [8]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京： 北京师范大学出版社，2012： 25. |
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