楊季冬 王后雄??

摘要： 化合價是化學(xué)學(xué)科中的一個重要概念，通過對15名中學(xué)教師的訪談發(fā)現(xiàn)： （1）中學(xué)教師對于化合價的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學(xué)課程標準對學(xué)生的要求上；（2）教師易混淆化合價與氧化值的概念，但是對此混淆情況教師自身很難察覺。針對結(jié)果建議： （1）師范生培養(yǎng)階段應(yīng)加強核心概念、重要概念的深入學(xué)習(xí)；（2）教師職后發(fā)展階段要有問題意識，注重多渠道提高化學(xué)學(xué)科理解能力；（3）教師在理解基礎(chǔ)上階段性把握相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)教師； 化合價； 氧化值； 化學(xué)概念教學(xué)

文章編號： 10056629（2018）8002005 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

開展基于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)，對化學(xué)教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高的要求，要求教師進一步增進對化學(xué)學(xué)科的理解[1]。增進對化學(xué)學(xué)科的理解既包括對化學(xué)知識的理解，還包括對具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解?；蟽r是化學(xué)學(xué)科中的一個重要概念，進行化學(xué)學(xué)習(xí)、從事化學(xué)相關(guān)工作都離不開化合價。本文通過訪談?wù){(diào)查教師對于化合價概念的理解，以此提出關(guān)于增進教師對化學(xué)學(xué)科理解的建議。

1 相關(guān)概念

1.1 化合價

化合價是解決分子性質(zhì)的一個關(guān)鍵因素，探討化合價有著悠久的歷史。第一個明確提出相關(guān)概念的是英國化學(xué)家弗蘭克蘭。后來，凱庫勒、庫帕（Kolbe）、邁爾（Meyer）等人都為化合價的發(fā)展做出了貢獻。19世紀末到20世紀初，隨著人們對化學(xué)鍵本質(zhì)理解的深入，關(guān)于化合價的理解也因此加深。路易斯在他所著的《化合價與原子分子結(jié)構(gòu)》中提到在有機化學(xué)中，原子的化合價被定義為該原子與其他原子所形成的鍵的數(shù)目，這也可以應(yīng)用于無機化合物[2]。西奇威克（Sidgwick）在其出版的《化合價的電子理論》（The Electronic Theory of Valency）中寫到：“化合價是一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的一個術(shù)語?！辈⒖偨Y(jié)說： 總的來看，關(guān)于化合價最好的定義是某原子的化合價是其參與成鍵形成分子時所使用的電子數(shù)[3]。鮑林在他所著的《化學(xué)》中對原子價（共價）的定義為： 一種元素的原子價（共價）是指它的1個原子和其他原子形成的共價鍵數(shù)[4]。

根據(jù)上述內(nèi)容，在本文中化合價理解為一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的術(shù)語，具體的取值方式為： （1）離子化合物中各離子的電價，在數(shù)值上等于該離子所帶的電荷數(shù)，得電子取負，失電子取正；（2）共價鍵相對應(yīng)的化合價為共價，其數(shù)值為該原子形成化合物時，與其他原子所形成的鍵的數(shù)目。

1.2 氧化值

根據(jù)上述對化合價的定義，要想確定分子中某元素的化合價，則先需要知道該分子的結(jié)構(gòu)。在分析氧化還原反應(yīng)時，有些復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)不易確定，這樣也就難以確定原子成鍵形成分子時所使用的電子數(shù)，即難以確定化合價。于是，格拉斯通（S. Glasston）在1948年提出用氧化值代替氧化還原反應(yīng)配平時的價數(shù)。1970年，國際化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）定義了氧化值的概念： 氧化值是某元素1個原子的電荷數(shù)，這種電荷數(shù)由假設(shè)把每個鍵中的電子指定給電負性更大的原子而求得[5]。

僅從定義來看，確定氧化值依然不是很方便，因此人們據(jù)此提出了更為具體實用的規(guī)則。慣例是[6]：

（1） 先確定陽離子，然后是陰離子；

（2） 單質(zhì)中元素的氧化值是0；

（3） 單原子離子的氧化值等于離子的電荷；

（4） 化合物中氫的氧化值通常是+1；

（5） 化合物中氧的氧化值通常是-2；

（6） IA族元素的氧化值為+1；

（7） IIA族元素的氧化值為+2；

（8） VIIA族元素的氧化值為-1，除非這種元素與一種具有更高電負性的元素相結(jié)合；

（9） 中性化合物中所有原子的氧化值之和為0；

（10） 在一個原子團中各元素的氧化值的和等于離子的電荷。

1.3 化合價與氧化值的區(qū)別

1.3.1 意義不同

雖然化合價的確定規(guī)則有所變遷，但其意義的內(nèi)核沒有改變，即化合價是一個用來描述原子相互作用形成分子的能力的術(shù)語，不同的定義只是從不同的角度來闡釋它。從西奇威克的定義可以看出，化合價是研究分子的一個重要的量，因為它能反映出原子在成鍵過程中所使用的電子數(shù)。由此也可看出，化合價與物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)有關(guān)，要確定原子的化合價不能僅根據(jù)化合物的分子式，而是需要確定化合物合理的分子結(jié)構(gòu)。而氧化值則是根據(jù)一定的規(guī)則計算出來的，它避開了具體物質(zhì)結(jié)構(gòu)，也不必考慮化學(xué)鍵的類型，反映的是化合物中元素整體的形式上的電荷數(shù)，為解決很多氧化還原問題提供了便利。

1.3.2 取值不同

在一些情況下，原子的化合價取值可能恰好等于它的氧化值（指的均為絕對值，以下同），但實際上在很多情況下，這種“等值”不成立?；蟽r與氧化值在以下情況下不一致： （1）相同的原子成鍵；（2）配體原子（非中心原子）具有相反的電荷；（3）分子（基團）本身帶有電荷，而配位原子視為陽離子；（4）由二者取值范圍引起的差異，化合價表示原子成鍵時所使用的電子數(shù)，因此只能為非零整數(shù)，而氧化值關(guān)注的形式電荷，可以為整數(shù)或分數(shù)。具體情況及舉例可見表1。

表1 化合價與氧化值不一致的原因及舉例

原 因舉 例

（1） 相同的原子成鍵N2中N的化合價為3價，氧化值為0；Me4C中C的化合價為4價，氧化值為0

（2） 配體原子（非中心原子）具有相反的電荷CH2Cl2中C的化合價為4價，氧化值為0

（3） 分子（基團）中有配位鍵[NH4]+中N的化合價為5價，氧化值為-3

（4） 由二者取值范圍引起的差異Fe3O4中Fe的化合價為+2、+3價，氧化值為+8/3

1.3.3 應(yīng)用不同

化合價的產(chǎn)生源于人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，隨著人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵本質(zhì)認識加深，化合價的概念也隨之發(fā)展，因此化合價對于分析分子結(jié)構(gòu)、分子性質(zhì)等問題較為有效。而氧化值的概念則是由化合價發(fā)展而來的，它的提出主要是為氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題的解決提供便利。

例如，NH3中N的化合價為3價，這表明N在成鍵過程中使用了3個電子。而N的價層電子數(shù)是5，說明有兩個未成鍵的孤對電子，所以NH3還能額外成鍵，在配位化學(xué)中它是一個很好配體。

若某原子的化合價大于其價層電子數(shù)，要么其分子式錯誤，要么就是不能用“兩中心兩電子”的共價鍵表示。比如B2H6，若將其電子式表示為如圖1所示，則B的化合價為4價，大于B的價層電子數(shù)3，因此這種結(jié)構(gòu)有誤，實際上其中包含兩個“三中心兩電子”的氫橋鍵。

又如，根據(jù)氧化值的取值規(guī)則，C元素的氧化值可由-4到+4，比如CH4中C的氧化值為-4，而CCl4中C的氧化值為+4，而氧化值是否能說明它們分子性質(zhì)的差異呢？例如我們一般不會把CH4作為還原劑，也不會把CCl4作為氧化劑，因為造成這種差異是H的氧化值取了+1， Cl的氧化值取了-1。再比如Me4C和CH2Cl2都含有氧化值為0的碳，但兩者的化學(xué)性質(zhì)沒有多少共同點。這些例子都表明氧化值并不能使我們深入了解分子性質(zhì)。

再如，S2O2-3+2H+SO2+S+H2O，此化學(xué)方程式的計量數(shù)是客觀事實，在解決配平問題時根據(jù)氧化值的規(guī)則，將反應(yīng)物中S的氧化值視為+2可使這個問題簡化。若用化合價解決該問題，由于硫代硫酸根中兩個S的結(jié)構(gòu)不同，化合價也不同，雖然也能解決問題，但過程相對復(fù)雜，邏輯也會變得復(fù)雜。可見，氧化值正是繞過了結(jié)構(gòu)問題，關(guān)注整體的電荷，因此讓相關(guān)問題變得簡潔。

2 研究設(shè)計

本研究采用訪談法探究教師對化合價和氧化值的混淆情況，具體情況如下。

2.1 研究對象

本研究選擇了15名化學(xué)教師作為訪談對象，其中初中教師7人，高中教師8人，男教師5人，女教師10人。

2.2 訪談設(shè)計

訪談內(nèi)容主要是根據(jù)前文分析的化合價與氧化值的區(qū)別來設(shè)計的，其目的是探查教師對兩者是否混淆以及如何混淆。訪談的問題主要包括：

（1） 你能說出化合價的定義嗎？

（2） 請標出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的化合價。你取值的依據(jù)是什么？

（3） 你能說出化合價在化學(xué)領(lǐng)域中的作用嗎？

（4） 你還記得氧化值（數(shù)）的概念嗎？請說明。

（5） 請標出NaCl、 Fe3O4、 CCl4、 CH4、 CH2Cl2、 N2的氧化值。

2.3 數(shù)據(jù)收集

本研究中數(shù)據(jù)的收集主要是在訪談過程中進行及時的紙筆記錄，另外，也運用了錄音筆來記錄語音信息。數(shù)據(jù)整理好后與參與者進行了確認。之后，主要依靠歸納對數(shù)據(jù)進行分析。

3 研究結(jié)果

3.1 化合價的定義問題

在被問及化合價定義時，教師的回答可以分為三種情況（見表2）。第一種情況是不知道定義是什么。第二種情況是把化合價理解為元素間相互化合時所表現(xiàn)出來的一種性質(zhì)，比如有教師說：“我記得好像是描述元素間相互化合的性質(zhì)?！钡谌N情況是教師在第二種情況的基礎(chǔ)上還給出了化合價取值的方式，比如有一名教師提到：“化合價是以一個H原子為單位，其他原子結(jié)合H原子個數(shù)是化合價。”

實際上，上述三種答案是遞進的。大多數(shù)教師能從化合價基本功能的角度給出化合價定義，這也可以看作是將初中教科書上的說法進行了延伸。而如何取值這部分內(nèi)容在教科書上是以舉例的方式給出的，因此只有少數(shù)的教師能夠較為科學(xué)地描述取值依據(jù)。

3.2 化合價的取值問題

讓教師對具體化合物中的元素化合價進行標注有助于我們了解他們對化合價的具體理解情況。教師給出的結(jié)果如表3所示。六個化合物中，NaCl、 CCl4、 CH4、 N2這四個物質(zhì)他們給出的答案是一致的。CH2Cl2教師給出的答案則不太確定，而Fe3O4則出現(xiàn)兩種答案。根據(jù)化合價的定義NaCl中Na為+1， Cl為-1， Fe3O4中Fe化合價為+2和+3， CCl4、 CH2Cl2、 CH4中C化合價為4， N2中N化合價為3，由此看出教師大多數(shù)的回答存在問題。而這些問題均可以用教師“混淆了化合價與氧化值的取值方式”來解釋。比如所有的教師都認為N2中N的化合價為0，根

據(jù)化合價的定義應(yīng)該為3，而根據(jù)氧化值的取值方式才為0；再比如有教師認為Fe3O4中Fe的化合價為+8/3，這是典型的按照氧化值取值方式的結(jié)果。

由于在詢問定義的階段許多教師并沒說明化合價該如何取值，因此結(jié)合這些具體的例子我們補充詢問了教師取值的依據(jù)。其中有10名教師的依據(jù)是“背化合價表”，比如有教師說：“我是根據(jù)背的價態(tài)表，我認為這些值是人為的?！庇纱丝梢钥闯鲞@種取值依據(jù)實際上是氧化值的取值慣例，而他們并不會主動從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來考慮。

3.3 化合價的應(yīng)用問題

關(guān)于化合價應(yīng)用的問題，根據(jù)15位教師的回答可以總結(jié)出以下幾點： （1）書寫化學(xué)式；（2）解決氧化還原反應(yīng)的相關(guān)問題，比如判斷電子轉(zhuǎn)移情況、誰是氧化劑、誰是還原劑等；（3）解釋物質(zhì)的性質(zhì)。具體情況及人數(shù)見表4。其中“書寫化學(xué)式”所有的教師均提到此點，這是對化合價應(yīng)用的基本要求；而回答“解決氧化還原反應(yīng)問題”的有11名教師，實際上這一點應(yīng)當是氧化值的應(yīng)用。有3名教師提到化合價可以“解釋預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)”，比如有教師舉例說：“比如Cl2處于中間價態(tài)，因此可以發(fā)生歧化反應(yīng)，再比如可以解釋一些歸中反應(yīng)?！?/p>

結(jié)合前文對化合價應(yīng)用的分析可以看出，教師對化合價的應(yīng)用了解的并不豐富，大多數(shù)教師能夠想到的應(yīng)用只是中學(xué)里的要求，這是教師對化合價理解不深的必然結(jié)果。

3.4 氧化值的訪談情況

關(guān)于“氧化值”的訪談結(jié)果如表5所示。其中12名教師直接表示并不知道氧化值（數(shù)），1名教師表示：“聽過氧化值，但中學(xué)不用，所以說不了概念。”而有2名教師則認為氧化值和化合價是一樣的，沒什么區(qū)別?；谶@種情況，接受訪談的教師實際上均未直接回答訪談設(shè)計中的問題（5），因為對于幾乎不知道氧化值是什么的教師，則無法回答，對于認為氧化值就是化合價的教師，則在回答化合價時已經(jīng)回答。對此查閱了一些大學(xué)教材，比如由北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)共同編著的《無機化學(xué)》中指出：“我們在高中化學(xué)里學(xué)到過，氧化還原反應(yīng)的基本特征是反應(yīng)前后元素的‘化合價發(fā)生變動。這種‘化合價是帶正負號的，可稱為‘正負化合價。1970年，國際化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）建議將這種‘正負化合價改稱為‘氧化值。[7]”可見，中學(xué)的“化合價”并不是真正意義上的化合價，而是“正負化合價”，而之后被稱為氧化值。對于這些概念的產(chǎn)生及來源不明晰的教師而言，會從這段文字中產(chǎn)生一種氧化值和化合價本質(zhì)相同的錯覺，只是說法不同而已。這可能是造成許多教師本科階段學(xué)習(xí)了氧化值，但之后對氧化值沒印象的原因。

4 結(jié)論

上述結(jié)果表明： （1）中學(xué)教師對于化合價的理解并不深刻，許多教師的理解停留在化學(xué)課程標準對學(xué)生的要求上。也就是說，教師在化合價概念的理解方面并不比經(jīng)過相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)的學(xué)生深刻。其主要表現(xiàn)為： 大多數(shù)教師只能定性地描述化合價的定義，在化合價的取值方面教師主要是使用背“化合價”口訣的方法來取值，而應(yīng)用方面表現(xiàn)為教師最多能想到的是書寫化學(xué)式以及解決氧化還原反應(yīng)相關(guān)問題。（2）教師極易混淆化合價與氧化值，主要體現(xiàn)在取值方面，教師對化合價的取值實際運用的是氧化值的取值規(guī)則，因此運用“化合價”解決問題實際上是運用“氧化值”解決問題，而多數(shù)教師并不熟悉氧化值，少部分教師認為氧化值和化合價是一回事。可見，教師對混淆情況不易察覺。

5 對增進教師化學(xué)學(xué)科理解的建議

中學(xué)教師不熟悉氧化值，所使用的化合價概念其實更接近于氧化值概念，主要原因在于： 不同階段對同一概念的要求，出現(xiàn)很大偏差，客觀上造成理解困難。大學(xué)階段對于氧化值的介紹較為簡單，對化合價的介紹則幾乎沒有，因此沒有為加深理解創(chuàng)造足夠條件。針對這一情況，提供如下建議以供參考。

（1） 師范生培養(yǎng)階段應(yīng)加強核心概念、重要概念的深入學(xué)習(xí)。一名學(xué)生在初中時就會接觸到“化合價”的術(shù)語，考慮到學(xué)生的接受能力，不會涉及其概念問題，但之后的高中階段、本科階段、研究生階段實際上也都沒有談及化合價的概念問題，而本科階段所提出的氧化值的概念又與中學(xué)的“化合價”類似，因此師范生畢業(yè)后走上工作崗位對這些相關(guān)概念就會有混淆。在師范生的培養(yǎng)階段可以有意識地加入核心概念、重要概念發(fā)展過程的教學(xué)內(nèi)容，師范生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容既能夠?qū)Ω拍畹膬?nèi)涵、變遷有詳細的了解，也能在概念的發(fā)展過程中領(lǐng)悟到化學(xué)學(xué)科的思維方式方法，從而在職前增進教師對化學(xué)學(xué)科的理解。

（2） 教師職后發(fā)展階段要有問題意識，注重多渠道提高化學(xué)學(xué)科理解能力。教師入職以后直接參與學(xué)習(xí)的機會遠少于在校期間，但在工作中實際上也會有許多的資源來促使教師提高對化學(xué)的學(xué)科理解，而這需要教師具有問題意識，注重反思。教科書上描述模糊其實是一個很好的抓手，作為教師應(yīng)當注重反思，然后查閱相關(guān)內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，除了獲取相關(guān)知識外，也應(yīng)該結(jié)合學(xué)生情況充分思考教科書描述是否合理；可以充分發(fā)揮備課組的優(yōu)勢，集體有針對性地對學(xué)科知識理解進行探討；通過“名師工作室”、“學(xué)科教研基地”等形式開展教研活動，以提升化學(xué)教師學(xué)科理解能力。

（3） 教師應(yīng)在理解基礎(chǔ)上階段性把握相關(guān)問題。化合價的研究歷史悠久，許多化學(xué)大師都對化合價的問題進行過探討，要全面理解化合價并非易事。《義務(wù)教育化學(xué)課程標準》中“化合價”的內(nèi)容標準是： 能說出幾種常見元素的化合價；能用化學(xué)式表示某些常見物質(zhì)的組成[8]。由此可見，中學(xué)階段把化合價視為工具性概念，以應(yīng)用為主，而淡化對其概念的掌握。而教科書也是配合課標進行的描述，符合課標的要求，使用這些概念及運算方式基本上能解決中學(xué)階段的各種問題。因此，教師應(yīng)當充分地了解相關(guān)概念，但在教學(xué)中則需要階段性地把握該問題，讓所授內(nèi)容在學(xué)生的認知范圍以內(nèi)，以幫助學(xué)生順利處理相關(guān)問題。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標準（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]喬國才.化合價概念的變遷研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，（5）： 43～46.

[6]大連理工大學(xué)無機化學(xué)教研室.無機化學(xué)（第五版）[M].北京： 高等教育出版社，2006： 180.

[7]北京師范大學(xué)等無機化學(xué)教研室.無機化學(xué)（第四版）[M].北京： 高等教育出版社，2002： 350.

[8]中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標準[S].北京： 北京師范大學(xué)出版社，2012： 25.