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学好元素无机化学必须抓住的几条主线

2016-01-09杨光

中国教育技术装备 2015年22期

杨光

摘 要 提出学好元素无机化学课程必须抓住的几条主线:掌握并熟练运用元素周期表;要深刻理解和熟练运用“结构决定性质”的科学思想;正确运用元素电势图;清楚把握各章节的知识结构。

关键词 元素无机化学;元素周期律;元素电势图

中图分类号:G642.4 文献标识码:B

文章编号:1671-489X(2015)22-0102-03

A Few Lines in Studying Elemental Part of Inorganic Chemistry//

YANG Guang

Abstract This article shows you several lines you must have in studying the elemental part of inorganic chemistry: understand and apply the periodicity of element properly; learn to use Properties are Decided by Structures; use element potential diagram correctly; make clear knowledge framework of each unit.

Key words elemental part of inorganic chemistry; periodicity of element; element potential diagram

1 前言

化学是一门中心学科,已经渗透到社会发展的各大领域,如能源、材料、医药、农业、环境、信息、生命、交通以及公安系统等,在人们的日常生活占据越来越重要的地位[1]。基于化学学科的重要性,很多高校在全校范围内开设了与化学相关的基础课、公共选修课等提高学生对化学基础知识的认识、理解,提高学生的化学基本素质,增强化学安全意识。

无机化学是四大基础化学的重要分支,它是研究无机物的组成、结构、性质和变化规律的一门学科。其中元素无机化学是无机化学的重要组成部分,其内容涉及元素周期表中所有元素单质(放射性元素除外)及其化合物的存在、物理性质、化学性质、制备以及用途,是化学从事者以及爱好者必须学习和掌握的重要内容之一。然而这部分内容庞杂,头绪繁多,掌握起来难度较大。

针对这个问题,国内很多学者对元素无机化学的教学方法进行了很多的探索和改革,对无机化学爱好者起到很好的指导作用,而涉及元素无机化学学习方法的研究却较少[2-3]。作为一名长期从事无机化学学习和研究的爱好者,笔者在学习和研究元素无机化学的过程中,总结了几条贯穿于元素无机化学整个课程的主线。掌握和运用好这几条主线,会大大促进初学者对元素无机化学内容的学习和掌握,特和大家分享。

2 学好元素无机化学必须抓住的几条主线

掌握并熟练运用元素周期律 元素周期表是俄国科学家门捷列夫对科学发展的重大贡献,是近代化学发展史上一座光辉夺目的里程碑。元素周期表蕴涵着丰富和深刻的内涵,对整个化学和自然科学的发展都具有非常普遍的指导意义[4]。

元素周期律是元素周期表的一个直观表现,它的基本内容是:随核内质子数递增,核外电子呈现周期性排布,元素性质呈现周期性递变。元素的基本性质主要包括原子半径、(第一)电离能、(第一)电子亲和能和电负性四部分内容,它们在周期表中的递变规律如表1所示[5]。掌握好这四个基本性质在元素周期表中的递变规律,有助于更好地学习、理解和掌握同族、同周期单质或化合物性质的递变规律。

其中,原子半径的周期性是四个基本性质变化规律中最基本和最重要的。结合核电荷数、原子的电子层结构等因素,原子半径的周期性决定着其他三个基本性质在周期表中的变化规律。从表1不难看出,(第一)电离能、(第一)电子亲和能、电负性在周期表中的变化规律与原子半径恰恰相反。

掌握了上述四个基本性质的周期性,可以很轻松地理解、掌握元素周期表中很有规律的一些内容,并同时学会举一反三,起到事半功倍的学习效果。例如,含氧酸酸性强弱取决于酸分子中质子转移倾向的强弱:

R-O-H+H2O→RO-+H3O+

质子的转移倾向越大,含氧酸的酸性越强,反之越弱。那么,质子转移的程度又取决于什么因素呢?质子转移的难易主要取决于与氧相连的R(即含氧酸中心原子)吸引羟基氧原子的电子的能力。具体来讲,主要取决于R的三方面因素:半径、电负性和氧化数。很明显,R的半径越小、电负性越大、氧化数越高,R吸引氧原子上电子的能力就越强,含氧酸的酸性就越强。因此,只要掌握了原子半径、电负性在周期表中的变化规律,非金属含氧酸酸性在周期表中的变化规律就很容易理解和掌握了。

要深刻理解和熟练运用“结构决定性质”的科学思想 “结构决定性质”是化学学科的重要科学思想。深刻理解和掌握这个思想在元素无机化学中的运用,对促进此部分内容学习具有非常重要的意义。结构可以理解为两层含义。

第一层含义:“结构”代表的原子结构,即核外电子的排布。如s区金属,它的价层电子组态为ns1-2,因此,s区元素很容易失去一个或两个电子,达到8电子稳定结构,也就是s区金属表现出非常强的金属性,在形成化合物时,主要以离子键为主。而ds区元素的价层电子组态为(n-1)d10ns1-2,虽然它们的最外层电子数与s区金属相同,但是次外层却是18电子构型;由于18电子构型对核的屏蔽效应较小,使得原子核对最外层电子的吸引力增强,因此,ds区金属较s区金属的金属性要弱得多。同时,具有18电子构型的金属离子具有很强的极化力和变形性,因此,ds区金属很容易形成共价化合物。

再如稀有气体由于具有8电子稳定结构,因此它们很难发生化学反应而生成具有化学键的物质。直到1962年,英国科学家巴特列敏锐地观察到PtF6和Xe的第一电离能大小接近,一个史无前例的尝试打破了稀有气体完全惰性的神话。此后,很多氙的化合物被合成出来。对于这一新生事物,初学者乍掌握起来觉得很难,无法从众多的反应方程式中把握住氙化合物的总体反应特征。利用“结构决定性质”的科学思想,就会发现这类化合物表现出强氧化性。为什么呢?当稳定的8电子构型被打破,它们力求恢复到原来的稳定结构,因此,氙的化合物均表现出非常强的氧化性,且还原产物多数为单质。endprint