研究教材模糊表述，提高教师专业素质——以“元素的性质与原子结构”内容为例，本文主要内容关键词为：原子结构论文,为例论文,提高教师论文,元素论文,模糊论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
教师在备课、上课、为学生答疑等教学活动中，或者在钻研化学教材时，经常会碰到教材对某些比较复杂的化学问题多采取模糊性表述，而不过分追求知识的科学性。这是基于中学生的知识储备、学习经验和认知能力，在编写教材时所采取的一种策略。这样处理有利于中学化学教学，也能保证化学知识在中学阶段的合理性和适应性。但作为教师，我们不应将认识停留在教材呈现的水平上，不仅要知其然，更要知其所以然。积极研究教材模糊表述，结合课程标准和教材对相应知识进行深入研究，做到对知识的来龙去脉心中有数，这不仅有助于教师准确、深刻地理解知识，恰当地把握教学过程，也有助于教师强化自身的学科知识和学科思想，提高自身专业素质[1]。
一、问题的提出
在进行《化学2（必修）》元素周期表第2课时“元素的性质与原子结构”的教学过程中，学生提出了这样几个问题：什么叫金属性，什么叫非金属性？金属性是不是就是金属活动性的简称？非金属性是不是和氧化性一样？本文以“元素的性质与原子结构”内容为例，探讨教材（包括教师教学用书）中的几处模糊表达。
鉴于课程标准中对元素金属性与非金属性并未规定过高的要求，笔者当时并没有向学生解释金属性、非金属性的概念，而是建议有兴趣的同学可以课下查阅资料，只是澄清了上述后两个问题。《化学2（必修）》中有关“元素的性质与原子结构”的内容是这样叙述的（有省略）[2]：
“随着核电荷数的增加，碱金属元素原子的电子层数逐渐增多，原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的引力逐渐减弱。所以，碱金属元素的性质也有差异，从锂到铯金属性逐渐增强，如它们与氧气或水反应时，钾比钠的反应剧烈，铷、铯的反应更剧烈……
随着核电荷数的增加，卤素单质的氧化性强弱顺序为：
氧化性逐渐减弱。
通过比较碱金属单质与氧气、水的反应，以及卤素单质与氢气的反应、卤素单质问的置换反应，我们可以看出，元素性质与原子结构有密切的关系，主要与原子核外电子的排布，特别是最外层电子数有关。原子结构相似的一族元素，它们在化学性质上表现出相似性和递变性。
在元素周期表中，同主族元素从上到下原子核外电子层数依次增多，原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱。所以金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。”
在认真分析了教材中的表述后，我们得到了以下信息：
(1)同主族元素从上到下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱；
(2)由钠、钾、铷、铯等碱金属的活泼性顺序推知，金属元素的单质越活泼，其金属性越强；
(3)由等卤素单质的氧化性强弱顺序推知，非金属单质的氧化性越强，该元素的非金属性越强。
我们知道，元素金属性与非金属性是原子的性质，而还原性、活泼性、氧化性等则是分子（单质）的性质。从结构和能量的角度看，物质参加化学反应的过程都是旧键断裂和新键生成的过程，因此，原子的结构和性质直接影响着分子的结构和性质，这是不容置疑的。但是，确切地说，分子的性质毕竟不能等同于原子的性质[1]。事实果真如此吗：金属单质的活泼性与该元素的金属性强弱趋势相同？非金属单质的氧化性强弱与该元素的非金属性强弱趋势相同？笔者又查阅了配套的教师教学用书，《化学2（必修）教师教学用书》中是这样解释的（节选）[3]：
“我们常用电离能来表示气态原子失电子的难易，并用电子亲和能来表示气态原子与电子结合的难易。
电离能的数据表明，同主族元素从上到下电离能减小，即越向下，元素越易失去电子。同周期元素从左到右，电离能增大。一般说来，元素的电离能数值越大，它的金属性越弱。
原子的电子亲和能是元素的一个气态原子获得1个电子成为一价气态阴离子时所放出的能量。电子亲和能越大，元素的原子就越容易跟电子结合。一般说来，元素的电子亲和能越大，它的非金属性越强。
元素的原子在化合物分子中对电子的吸引能力大小的度量叫做元素的电负性。元素的电负性与电离能和电子亲和能有一定的联系。我们可以把电负性的数值作为元素金属性或非金属性的综合度量。金属的电负性较小，金属的电负性越小，它的活动性越强。非金属的电负性较大，非金属的电负性越大，它的活动性也越强。”
教师教学用书想告诉我们：
(1)可以用电离能的数据来比较元素金属性的强弱，元素的电离能数值越大，其金属性越弱；
(2)可以用电子亲和能来比较元素非金属性的强弱，元素的电子亲和能越大，其非金属性越强；
(3)可以把元素的电负性作为元素金属性或非金属性的综合度量，元素的电负性越小，金属性越强；反之，电负性越大，非金属性越强。
电离能、电子亲和能、电负性度量的金属性、非金属性结果是一致的吗？此处不仅没有明确“何为金属性、何为非金属性，元素性质与单质性质间的关系”，并且还出现了概念的混淆：“金属的电负性越小，它的活动性（应为金属性）越强。非金属的电负性越大，它的活动性（应为非金属性）也越强。”
由此可见，金属性、非金属性、氧化性、还原性、活动性等概念错综复杂，内涵丰富，相似却又不同。不仅学生容易将其混淆，教师也经常不能准确理解和把握这些概念的内涵及其适用范围。
二、相似概念的分析与讨论
下面以碱金属和卤族元素为例，比较它们发生反应的能量效应（△G或△H），用自由能变△G或焓变△H的大小来说明它们性质的强弱关系，对几组相似的概念及其应用进行讨论。
1.金属性、还原性、金属活动性
(1)金属性
元素的金属性是元素原子失去电子的能力，通常可以用电离能（这里指第一电离能）或电负性的数值来度量元素金属性的强弱。
从元素基态气态原子中去掉1个电子成为+1价气态阳离子时所需消耗的能量叫该元素的第一电离能，碱金属元素的第一电离能数据见表1。从表1中数据可以看出，从Li到Cs第一电离能逐渐减小，即随着原子半径增大，原子失去电子需要吸收的能量逐渐减小，失电子能力逐渐增强，碱金属元素金属性逐渐增强。
表1 碱金属元素的第一电离能和电负性[4,5]
电负性是元素的原子在分子中吸引电子的能力（Pauling定义），电负性越小，原子失电子能力越强。碱金属元素的电负性数据见表1。从电负性数据可知，碱金属电负性都很小，并依次减小（K、Rb接近），即原子失电子能力很强且逐渐增强，元素金属性逐渐增强。
(2)还原性
还原性是物质（这里是单质）在反应中失去电子的能力。下面比较不同条件下碱金属单质发生化学反应的自由能变△G，用△G的大小说明其还原性的强弱。
①在水溶液中反应形成水合阳离子
碱金属单质在水溶液中反应形成水合阳离子，其自由能变△G可由热化学循环讨论[5]，见图1和表2（本文中M代表碱金属元素，X代表卤族元素，U代表晶格能，B E.代表键能，下脚标s代表升华，i代表电离，h代表水合，d代表解离，a代表亲和，f代表生成，r代表反应）。
图1
从表2数据可以看出，尽管碱金属的升华能和电离能依次降低（即碱金属的失电子能力逐渐增强），但由于
半径明显小于其他碱金属离子，对水分子的吸引作用非常大，其水合能很大（比
还大100.5kJ/mol），一定程度上补偿了升华和电离过程中所吸收的能量，所以Li(s)在水溶液中生成水合阳离子需要吸收的能量最少，即Li(s)生成水合阳离子的趋势最大，还原性最强。显然，碱金属的还原性强弱顺序与其金属性强弱顺序不同。
表2 碱金属单质在水溶液中形成水合离子时的能量效应（单位：kJ/mol）[5]
②与非金属单质反应
碱金属与非金属单质反应，主要生成离子化合物。以生成碱金属氯化物为例进行的分析见图2和表3。
图2
从表3的数据可以看出，碱金属与
化合生成氯化物释放的能量逐渐增大，即碱金属在生成同类型离子化合物的反应中，从Li到Cs，单质的还原性逐渐增强，这与碱金属的金属性强弱顺序相一致。
表3 碱金属与非金属化合时的能量效应（单位：kJ/mol）[5]
(3)金属活动性
金属的活动性是反映金属在水溶液里失去电子形成水合离子倾向的大小，也就是金属在水溶液里起氧化反应的难易程度，它是以金属的标准电极电势为依据的，见表4。
表4 碱金属的标准电极电势[5]
从表4数据可知，Li的标准电极电势最负，其金属活动性最强（标准电极电势是化学热力学问题，Li在水中反应速率较慢，这是化学反应动力学问题，不能因，Li与水反应慢而认为其活动性弱），其他碱金属的金属活动性顺序也和金属性顺序不同。从能量角度分析；金属的标准电极电势除了与电离能有关外，同时还与金属的升华能（固态单质变为气态原子时所要吸收的能量）、水合能（金属阳离子与水化合时所放出的能量）等多种因素有关。
2.非金属性、氧化性
(1)非金属性
元素的非金属性是元素原子得到电子的能力，非金属性的强弱可以用原子的电子亲和能或元素电负性数值的大小来衡量。
电子亲和能是元素的气态原子获得1个电子成为—1价气态阴离子时所放出的能量，卤族元素的第一电离能数据见表5。从表5中数据可以看出，从F到I卤族元素的电子亲和能不是呈现F＞Cl＞Br＞I的变化规律。这是因为，F的原子半径较小，一方面对电子的吸引作用较大，但另一方面，过小的原子半径导致其电子云密度过大，对外来电子产生了更大的排斥力，故其电子亲和能反而降低；对Cl、Br和I元素而言，前者是主要因素。所以卤素的电子亲和能大小顺序为C1＞F＞Br＞I。可以看出，依据电子亲和能推断出的元素非金属性，Cl甚至强于F，这明显与中学教材中的元素周期律和非金属性强弱规律不符。
表5 卤族元素的电子亲和能和电负性[5]
从表5的电负性数据可知，卤族元素的电负性都较大（F的电负性在所有元素中最大），是典型的非金属元素。由F至I电负性依次减小，即卤素原子得电子能力逐渐减弱，元素非金属性逐渐减弱。可见，由电负性数据度量的元素非金属性强弱与中学教材相一致。
(2)氧化性
氧化性是物质（这里是单质）在化学反应中得到电子的能力。下面从卤素分子在水溶液中反应形成水合卤离子、卤素分子与金属单质反应形成离子化合物、卤素分子与非金属单质反应形成共价化合物这3个方面分析不同条件下卤素单质发生化学反应的能量效应。
卤素分子在水溶液中形成水合卤离子的能量效应可由热化学循环讨论，见图3和表6。
图3
由于
的半径很小，其水合能
远远大于其他卤素离子的，这在很大程度上补偿了它的电子亲和能，加之其解离能较小，使得
在水溶液中反应放出的能量最多，氧化性最强。从表6中的
数据可以看出，从到
，卤素单质形成水合卤离子放出的能量逐渐减少，即卤素分子在水溶液中反应时氧化性逐渐减弱。
表6 卤素单质形成水合离子时的能量效应（单位：kJ/mol）[5]
卤素分子与金属单质反应生成离子化合物，与非金属单质反应生成共价化合物，分别以生成卤化钠和卤化氢为例的热化学循环见图4和图5，数据见表7。
图4
图5
表7中的数据说明，在同类型的反应中，参加反应的倾向远强于其他卤素单质，显示出超强的氧化性（反应中放出的能量远高于其他卤素单质）。从到，卤素分子的氧化性逐渐减弱。
表7 卤素单质形成离子化合物和共价化合物时的能量效应（单位：kJ/mol）[5]
这是由于生成同类型的离子化合物时，卤离子的半径逐渐增大，对阳离子的静电引力作用逐渐减弱，生成离子化合物的晶格能逐渐减小，使得反应放出的总能量逐渐减小，卤素分子的氧化性逐渐减弱。同样，生成同类型的共价化合物时，卤族元素的原子半径逐渐增大，共价键键长逐渐增加，形成共价键释放的能量逐渐减少，使得反应放出的总能量逐渐减少，卤素分子的氧化性逐渐减弱。
三、结论与收获
1.结论
从上面的分析讨论可以得到以下结论：
(1)元素的金属性和非金属性是原子的性质，还原性和氧化性是分子（单质）的性质，金属活动性是金属单质在水溶液中反应时还原性强弱的体现；
(2)元素金属性可以用其电离能或电负性数值度量，与元素周期律推断的趋势基本相同；
(3)元素非金属性可以用其电子亲和能或电负性数值衡量，但电子亲和能得到的结果与元素周期律推断的结果有差别；
(4)分子与原子的性质相互关联，但不等同，分子的还原性和氧化性强弱顺序和元素金属性和非金属性强弱顺序并不完全相同，但在中学阶段允许以分子在化学反应中表现出的性质和原子结构推断元素的性质。
(5)建议使用元素的电负性数据理解和解释元素金属性和非金属性的强弱，这样得到的结果与元素周期律推断的结果相符，简单而又不失其科学性。
2.收获
作为一名基层的中学化学教师，面对课程标准和新教材留给教师的创造空间，如何才能在实践中充分发挥教学的主动性和创造性，既教会了学生学化学用化学，又提高了自身专业素质，是我们必须考虑的问题。在日常的化学教学过程中，应当洞察和思考教材对一些特殊化学知识运用的编写策略，深刻理解教材的编写意图，避免“一竿子插到底”的做法，加重学生的负担，影响学生对其他知识的学习。研究教材对某些化学知识所采取的模糊表述，明确知识的内涵及适用范围，重视知识的科学性，合理、科学乃至艺术地将其传授给学生，是提高教师自身专业素质的有效途径。
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