苑凌云　岳文虹　 楊吉

摘要： 通過梳理初、高中教材“對角線規(guī)則”相關知識，明確各階段學生需達到的進階目標和思維層級;簡述“對角線規(guī)則”在近年高考試題中的應用，說明對角線規(guī)則對推理預測陌生元素性質(zhì)的重要作用。補充教材中位于對角線上的元素“鋰-鎂、鈹-鋁、硼-硅”性質(zhì)的相似之處，并拓展至“碳-磷、氮-硫、氧-氯”元素，于深度和廣度上挖掘和拓展“對角線規(guī)則”，幫助學生建立完整的元素周期律體系，培養(yǎng)基于“位-構-性”認知模型分析復雜問題的能力。

關鍵詞： 元素周期律; 對角線規(guī)則; 位-構-性

文章編號： 1005-6629（2020）03-0080-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

1869年，俄國化學家門捷列夫通過對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素進行詳盡地分析和考察，依原子量的相對大小按序排列，并把相似性質(zhì)的元素放于同一縱行，編制出了第一張較為系統(tǒng)的元素周期表。恩格斯稱這一發(fā)現(xiàn)“完成了科學史上的一個勛業(yè)，這個勛業(yè)恐怕可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道居于同等地位”[1]。編制元素周期表時，門捷列夫大膽地為尚未發(fā)現(xiàn)的元素留下空位，隨著科學技術的進步，這些元素一一被發(fā)現(xiàn)，充分證明了元素周期表的推理預測功能。

元素周期表不僅可以反映原子的位置結構，更揭示了眾多元素間的內(nèi)在聯(lián)系和遞變規(guī)律，是化學發(fā)展史上的重要里程碑，“對角線規(guī)則”即為元素周期律的重要應用之一。“對角線規(guī)則”是人教版化學選修3《物質(zhì)結構與性質(zhì)》第一章第二節(jié)“科學探究”欄目中的一則內(nèi)容，教材敘述較為簡單，很多教師在授課時也只是一語帶過，但筆者通過分析近幾年高考試題，發(fā)現(xiàn)很多考題中都潛藏了對角線規(guī)則的拓展應用;另外，腦科學證明： 零散、孤立的知識點很難在大腦中留下長久印象，只有掌握了系統(tǒng)的分析方法，才能夠對信息進行加工處理，從而內(nèi)化到自己的認知系統(tǒng)中。元素周期律旨在幫助學生建立“位置-結構-性質(zhì)”的系統(tǒng)思維框架，從而培養(yǎng)學生基于元素周期律的推理演繹能力;“對角線規(guī)則”則豐富了學生的認知系統(tǒng)，提供了更多的邏輯判據(jù)，對更全面地詮釋元素周期律、發(fā)揮元素周期表的功能大有裨益。

2? “對角線規(guī)則”教學內(nèi)容的挖掘與拓展

2.1? “對角線規(guī)則”對應知識層級梳理

“對角線規(guī)則”從屬于“元素周期律”這一核心概念，是對元素在同周期以及同族呈現(xiàn)周期性遞變規(guī)律的補充，即在元素周期表中，某些主族元素與其右下方主族元素的有些性質(zhì)是相似的，主要體現(xiàn)在第二、三周期的鋰和鎂、鈹和鋁、硼和硅之間。2017年版《普通高中化學課程標準》對此部分的學習活動建議為：“查閱有關元素的電負性資料，解釋元素的‘對角線規(guī)則，列舉實例予以說明”。課標對此部分內(nèi)容的要求是希望學生能夠應用原有的元素化合物知識和電負性規(guī)律對“對角線規(guī)則”進行解釋和演繹。顯然，課本上涉及到的六種元素中，學生對“鎂、鋁、硅”是非常熟悉的，“鋰、鈹、硼”相對來說則有些陌生，為了落實課標的學習活動建議，教師需要梳理學生解決對角線規(guī)則相關問題的知識儲備及其對應目標，以大局觀統(tǒng)籌教學設計，把控好知識的層級關系及教學序列的跨學段、跨模塊設計。

表1? 初、高中教材“對角線規(guī)則”對應知識層級編排表

學習階段核心知識進階目標思維層級

初中1. 原子的結構;

2. 簡單金屬、非金屬，常見酸、堿、鹽的性質(zhì)。認識原子結構，掌握生活中常見化學物質(zhì)的性質(zhì)，初步學會以分類觀學習元素化合物知識。實驗、觀察、分類、比較

必修1八種核心元素（鈉、鋁、鐵、銅、硅、氯、硫、氮）的單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)及應用?；谠赜^和分類觀認識物質(zhì)，建立“價類二維”模型，能從物質(zhì)的類別及核心元素的化合價分析物質(zhì)的化學性質(zhì)。實驗、建模、分析、推理

必修21. 元素周期表的結構及編排原則;

2. 元素周期律： 元素的原子半徑、化合價、金屬性及非金屬性隨原子序數(shù)遞增呈現(xiàn)周期性的遞變規(guī)律;

3. 元素周期表（律）的應用。基于“位-構-性”認識元素性質(zhì)，基于“構-性-用”認識物質(zhì)性質(zhì)。建模、分析、科學抽象、預測

選修31. 構造原理與核外電子填充規(guī)則及表示方法;

2. 元素周期律： 電離能、電負性隨原子序數(shù)遞增呈現(xiàn)周期性的遞變規(guī)律。進一步認識原子結構，豐富表征原子性質(zhì)的概念名詞，逐步完善對元素周期律的認識。解釋、比較、預測、論證

由表1“對角線規(guī)則”對應知識層級編排表不難看出，初、高中階段對元素化合物及其規(guī)律的學習整體呈歸納方式。學習初期，通過對簡單元素化合物知識的學習，培養(yǎng)學生觀察、實驗、比較、表征（宏觀、微觀、符號、曲線）等科學思維方法;高中必修1階段，通過八種典型元素及對應物質(zhì)的學習，初步構建系統(tǒng)科學的元素化合物知識網(wǎng)絡，建立“價類二維”模型，使學生能從價態(tài)和物質(zhì)類別的角度去推導物質(zhì)間可能發(fā)生的反應;必修2、選修3階段通過元素周期表（律）的學習，使學生基于此前以部分元素化合物為載體的科學探究、現(xiàn)象描述、性質(zhì)總結、原理歸納等經(jīng)驗，由點及線再延伸至面，將零散的知識系統(tǒng)化，把元素化合物的知識整合至“位-構-性”的思維系統(tǒng)中，從而培養(yǎng)應用這一認知模型解釋、預測、論證未知物質(zhì)性質(zhì)的高階思維。教材編排整體上由淺入深，呈螺旋式上升，在知識橫向和縱向上都進行了擴充和加深，注重學科核心內(nèi)涵的總結與歸納，符合科學概念的建立過程，也有效順應了學生心理和智力的發(fā)展特點。

2.2? “對角線規(guī)則”在高考試題中的應用

近幾年高考題的整體態(tài)勢是以真實情境為背景，呈現(xiàn)實際問題，注重學生接收、整合信息，分析和解決問題等能力的考查。筆者通過分析高考真題發(fā)現(xiàn)，很多考題常常以學生未系統(tǒng)學過的化學元素作為考查點，旨在考查學生的知識遷移能力，判斷他們是否可以應用化學學科特征的思維習慣和邏輯系統(tǒng)去處理陌生問題。在這些考題里，有一些題目可以應用對角線規(guī)則進行推理和預測，現(xiàn)總結如下。

2019年課標全國卷Ⅰ第26題和2015年課標全國卷Ⅰ第27題都以硼酸作為題目背景進行物質(zhì)制備、分離提純等知識的考查。硼酸是一種重要的化工原料，廣泛應用于生產(chǎn)實踐，比如： 玻璃工業(yè)，硼酸可改善玻璃的耐熱性和透明性，提高機械強度，縮短熔融時間;搪瓷、陶瓷工業(yè)，硼酸可提高制品的光澤和堅牢度、增強耐久性和耐磨性;冶金工業(yè)，硼酸可做添加劑、助溶劑，使硼鋼具有高強度和良好的軋延性;醫(yī)藥工業(yè)，硼酸可用于生產(chǎn)硼酸軟膏，有抑菌、收斂、防腐的功效[2]……基于硼酸對人類生產(chǎn)生活的重要意義，因此近幾年很多高考題都以硼酸作為情境素材，不僅測試了學生分析、整合信息解決復雜任務的能力，還增強了學生對于化學學科的認同感。

例1? （2019課標全國卷Ⅰ-26）H3BO3是一種重要的化工原料，廣泛應用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工藝。一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、 SiO2及少量Fe2O3、 Al2O3）為原料生產(chǎn)硼酸及輕質(zhì)氧化鎂的工藝流程如下：

回答下列問題：

（3） 根據(jù)H3BO3的解離反應： H3BO3+H2OH++B（OH）-4， K=5.81×10-10，可判斷H3BO3是? ? ? ? 酸;在“過濾2”前，將溶液pH調(diào)節(jié)至3.5，目的是? ? ? ? 。

答案： 一元弱;轉化為H3BO3，促進析出

通過生產(chǎn)工藝流程及題給信息，學生很容易推知H3BO3是一元弱酸，但在說明調(diào)節(jié)pH為3.5的目的時，由于學生平時很少接觸H3BO3，不了解H3BO3的溶解性，很多學生想不到或者不敢答。若考慮對角線規(guī)則，由于硼元素和硅元素電負性相近，因此有很多相似的性質(zhì)，于是可以合理推知： H3BO3類似于H2SiO3也是溶解度較小的弱酸，因此把pH調(diào)至3.5主要是促進硼酸析出。

此外，通過此題我們發(fā)現(xiàn)，硼酸的酸性不同于其他酸，它的電離方式體現(xiàn)了含硼化合物的缺電子特點，因此可以接受水中OH-提供的孤電子對，是非常典型的路易斯酸。另外資料顯示，在利用硼鎂礦石生產(chǎn)硼酸時，酸化后的料漿經(jīng)過固液分離，得到含硼酸的濾液，利用硼酸溶解度隨溫度降低逐漸減小的特性，在結晶罐中經(jīng)過降溫、過濾、洗滌、干燥即可得到硼酸晶體，但這一過程必須通過對條件的精密控制才能得到較純的硼酸晶體。通過反復實踐，工業(yè)上發(fā)現(xiàn)當濾液中硫酸為0.3%時（即題中控制pH為3.5左右時），硼酸析出的速度和純度都比較高[3]。

例2? （2015課標全國卷Ⅰ-27）硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦（主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、 FeO、 CaO、 Al2O3和SiO2等）為原料制備硼酸（H3BO3）的工藝流程如圖所示：

回答下列問題：

（6） 單質(zhì)硼可用于生產(chǎn)具有優(yōu)良抗沖擊性能的硼鋼，以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼，用化學方程式表示制備過程? ? ? ? 。

答案： 2H3BO3△B2O3+3H2O; B2O3+3Mg△2B+3MgO

學生在答此題時，往往習慣一步寫出硼酸和金屬鎂反應的化學方程式，忽略了此反應發(fā)生的合理性。實際上以硼酸和金屬鎂為原料制備單質(zhì)硼的過程是置換反應，中學階段如果以反應環(huán)境作為分類標準，學生通常會接觸到兩類置換反應： 一類是水溶液中的置換反應，比如金屬和酸生成氫氣的反應，濕法煉銅等;一類是在加熱或高溫條件下的置換反應，比如焦炭還原氧化銅，鎂和二氧化碳的反應等。但是，不論是何種轉化，在學生的知識體系中，都不存在單質(zhì)置換非金屬含氧酸中非金屬元素的反應。倘若學生可以聯(lián)想到硼元素和硅元素處于對角線上，結合含硅化合物的化學性質(zhì)： H2SiO3△SiO2+H2O， SiO2+2C高溫Si+2CO，也就不難類比推演出本題答案了。

例3? （2018課標全國卷Ⅰ-7）磷酸亞鐵鋰（LiFePO4）電池是新能源汽車的動力電池之一，采用濕法冶金工藝回收廢舊磷酸亞鐵鋰電池正極片中的金屬，其流程如下：

下列敘述錯誤的是

A. 合理處理廢舊電池有利于保護環(huán)境和資源再利用

B. 從“正極片”中可回收的金屬元素有Al、 Fe、 Li

C. 沉淀反應的金屬離子為Fe3+

D. 上述流程中可用硫酸鈉代替碳酸鈉

答案： D

磷酸亞鐵鋰電池相比傳統(tǒng)鎳氫電池有很大優(yōu)勢，比如壽命長、安全性高等，能量密度可以達到鎳氫電池的3倍之多，因此被廣泛應用于電動汽車。資料顯示，2013～2017年間，磷酸亞鐵鋰電池正極材料產(chǎn)量龐大，電池的使用壽命大約為3～5年，因此2020年預計會有三萬多噸磷酸亞鐵鋰電池正極材料需要回收。本題以濕法冶金工藝回收廢舊磷酸亞鐵鋰電池正極材料為背景，提出需要解決的真實的社會熱點問題，考查學生接受、整合、分析信息以及解決實際問題的能力。

此題D選項中，學生需要判斷硫酸鈉能否沉淀Li+從而將鋰元素分離出來，一種判斷方法是根據(jù)題意發(fā)現(xiàn)含磷酸亞鐵鋰濾渣用硫酸處理后鋰元素仍然存在于濾液中，由此判斷硫酸鋰可溶;另一種判斷方法是結合對角線規(guī)則，鋰元素和鎂元素在某些性質(zhì)上有相似之處，通過硫酸鎂可溶推斷硫酸鋰也可溶。此外，本題沉鋰采用的碳酸鈉也可以從對角線規(guī)則中得到解釋，碳酸鎂難溶，因此推知碳酸鋰也難溶。

在實際工業(yè)中，濕法回收硫酸浸過的磷酸亞鐵鋰電池中的鋰元素通常有三種方法： （1）采用碳酸鈉沉淀鋰元素;（2）加入磷酸或磷酸鹽沉淀鋰元素;（3）加入生石灰除去硫酸根，生產(chǎn)氫氧化鋰。本題正是采用了第一種方法[4]。

2.3? “對角線規(guī)則”中主題內(nèi)容和學習任務的選取與組織

基于學生已有的概念知識和高考試題的反撥作用，筆者通過深入挖掘對角線規(guī)則的知識內(nèi)涵，引導學生探究其本質(zhì)原理，并適當演繹拓寬，讓學生對對角線規(guī)則產(chǎn)生更加深刻清晰的認識，完善元素周期律知識體系，培養(yǎng)學生大膽思維，勇于思考，自覺利用“位-構-性”思維系統(tǒng)解決陌生問題的能力（見表2）。

表2? “對角線規(guī)則”中主題內(nèi)容和學習任務的選取與組織

教學環(huán)節(jié)教學內(nèi)容

1. 溫故知新主題內(nèi)容復習元素周期表（律）。

學習任務回憶元素周期表的結構，回憶元素的原子半徑、化合價、金屬性及非金屬性、電離能、電負性隨原子序數(shù)遞增而呈現(xiàn)的周期性的遞變規(guī)律。

2. 問題聚焦主題內(nèi)容為什么“LiMg、 BeAl、 BSi”之間有些性質(zhì)是相似的？

學習任務右下方對角線——半徑相近（元素周期表中“靠上靠右半徑減小”）——電負性相近——性質(zhì)相似（位-構-性）。

3. 演繹拓展主題內(nèi)容1“鋰和鎂、鈹和鋁、硼和硅”之間除了課本上提及的相似點還有哪些相似的性質(zhì)？

學習任務（此部分內(nèi)容僅做拓展，具體教學內(nèi)容請自行選?。?/p>

鋰和鎂：

1. 在過量氧氣中燃燒，均形成普通氧化物，其共價性較強，能溶于有機溶劑，如乙醚等;

2. 它們的氫氧化物都為中強堿，而且在水中的溶解度都不大，在加熱時，均分解為相應的普通氧化物，如Li2O和MgO;

3. 它們的碳酸鹽均不穩(wěn)定，加熱生成相應的氧化物和CO2;

4. 它們的一些鹽類，如氟化物、碳酸鹽和磷酸鹽等均難溶于水;

5. Li+和Mg2+的水合能力較強;

6. Li和Mg直接和N2反應生成氮化物，而其他堿金屬不能直接和N2作用：

6Li+N22Li3N; 3Mg+N2Mg3N2;

續(xù)? 表

教學環(huán)節(jié)教學內(nèi)容

7. 它們都有一系列烷基和芳基化合物，其作用相近，如： Mg的格氏試劑，相應的有機鋰試劑等。

鈹和鋁：

1. 兩者都是活潑金屬，其標準電極電勢相近： Eθ（Al3+/Al）=-1.67V， Eθ（Be2+/Be）=-1.7V;

2. 在空氣中它們的表面均形成致密的氧化膜而不易被腐蝕，與酸的作用比較慢，均與濃硝酸發(fā)生鈍化作用;

3. 氧化鈹和氧化鋁都是高熔點、高硬度;

4. 鈹和鋁以及它們的氫氧化物均為兩性，在適當條件下可與酸、堿反應;

5. 無水氯化鈹和氯化鋁都是雙聚體，并顯示共價性，可以升華，能溶于有機溶劑;

6. 它們的鹽易水解，且有許多高價陰離子的鹽難溶;

7. 鈹和鋁的碳化物屬于同一類型，水解后都產(chǎn)生甲烷：

Be2C+4H2O2Be（OH）2+CH4↑; Al4C3+12H2O4Al（OH）3+3CH4↑;

注意： 鈹和鋁盡管有很多相似的性質(zhì)，但兩者在人體內(nèi)的生理作用卻大相徑庭，人體內(nèi)能攝入少量的鋁，卻不能有一點鈹，否則有生命危險。

硼和硅：

1. 硼酸、硅酸在水中的溶解度都較小，且受熱易分解;

2. 自然界中多以氧化物形式存在，B—O鍵、 Si—O鍵比較穩(wěn)定;

3. 硼與同周期的金屬元素鋰、鈹相比，原子半徑小，電離能高，電負性大，與硅類似，傾向于形成共價型分子;

4. 硼烷在組成上與烷烴類似，低級硼烷在室溫下為氣體，隨著相對分子質(zhì)量的增加，逐步變成揮發(fā)性的液體或固體;

5. BX3和SiX4相似，極易水解。另外，BX3的制法也和SiX4相似，可以用單質(zhì)與鹵素或氧化物與HF反應得到;

6. HBF4與H2SiF6一樣都是強酸，Cu、 Fe等金屬的氟硼酸鹽用于電鍍，鍍層質(zhì)量好，效率高且省電[5，6]。

主題內(nèi)容2其他處于對角線上的元素有相似的化學性質(zhì)嗎？

學習任務第二、三周期中，其他位于對角線上的元素對為“C-P、 N-S、 O-Cl”，它們是典型的非金屬元素，電負性差值相比前幾組較大，因此性質(zhì)上不盡相同，但仍然部分表現(xiàn)出對角線規(guī)則。如： C—H、 P—H鍵極性相近，磷元素也可以形成多種氫化物，并且有機磷化學也是有機化學中非常重要的一個分支;S在性質(zhì)上與同族的O有很大差異，但與對角線左上方的N有些許類似，例如： 單質(zhì)比較穩(wěn)定，表現(xiàn)出一定的惰性，且有強烈的成鏈傾向等[7，8]。

4. 歸納提升主題內(nèi)容1. 元素周期表的“位-構-性”認知模型;

2. 元素周期表（律）的推理預測功能。

學習任務根據(jù)元素周期表同周期、同族、對角線等特殊位置關系，能夠對已有知識進行合理解釋，對未知元素的化學性質(zhì)進行預測與論證，豐富使用元素周期表的邏輯判據(jù)，形成自主的“位-構-性”的思維邏輯系統(tǒng)。

5. 訓練反饋主題內(nèi)容高考真題演練。

（2015課標全國卷Ⅰ-27， 2018課標全國卷Ⅰ-7， 2019課標全國卷Ⅰ-26）

學習任務對角線規(guī)則的應用。

注： 實際上，影響金屬陽離子性質(zhì)的主要參數(shù)是離子勢，指離子電荷數(shù)（Z）和離子半徑（r）的比值（用Ф表示），即Ф=Z/r。離子勢的大小影響著某些離子化合物的溶解性、水解性、某些氫氧化物的酸堿性及含氧酸鹽的熱穩(wěn)定性等。影響非金屬元素性質(zhì)的主要參數(shù)是電負性，電負性綜合考慮了電離能和電子親和能，表征元素的原子對鍵合電子的吸引能力，一定程度上代表元素非金屬性的強弱。中學階段，主要通過電負性數(shù)據(jù)解釋對角線規(guī)則。

3? 結語

高考命題以真實合理的情境創(chuàng)設為測試載體，以不同復雜程度的實際問題為測試任務，考查學生接收、整合信息，分析和解決問題等能力。本文通過“對角線規(guī)則”教學內(nèi)容的挖掘和拓展，有利于幫助學生建立較完整的元素化合物和元素周期律體系，完善“位-構-性”認知模型，促使學生將知識轉化為能力，為應對高考中的復雜陌生任務提供解題思路，培養(yǎng)學生靈活運用結構化知識解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]劉則淵. 紀念門捷列夫元素周期表150周年[J]. 科學文化評論， 2019， 16（1）： 5～21.