论文部分内容阅读
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學键的物质。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。 第二层含义：“结构”为分子中原子在空间的排布，即分子结构。同时，还必须考虑分子其他特殊结构，如孤对电子、大∏键等对物质性质的影响。以NH3为例来说明“结构”是如何决定性质的，如表2所示。
理解了上述两层结构的含义，结合键长、键角、键的极性、分子间作用力、电负性、原子半径等因素，很多问题均可迎刃而解（表3）[7-8]。
正确运用元素电势图 发生氧化还原反应是元素单质与化合物化学性质的重要表现之一。最高氧化态化合物可具有氧化性，最低氧化态化合物可具有还原性，中间价态化合物既可具有氧化性，也可具有还原性。除此之外，还需要掌握以下两点内容。
第一，通过电极电势的大小，会判断氧化性物质、还原性物质氧化还原能力的强弱。电极电势越大，氧化性物质的氧化能力越大，还原性物质的还原能力越小，反之亦然。
第二，氧化还原反应的方向是最强的氧化剂与最强的还原剂发生反应，生成两对电极中另外两个物种。
什么是元素电势图呢？如果一种元素具有多種氧化态，将这些氧化态按照由高到低的顺序排列，两物种间以“—”相连，并且在线上方标出相邻两物种组成电对的电极电势值，这种图被称为元素电势图。利用元素电势图可以判断元素的氧化还原特性，判断歧化反应的发生。
1）判断歧化反应的发生：以酸性介质中Cu元素电势图为例来说明。
由φθ（Cu /Cu）=0.521 V和φθ（Cu2 /Cu ）=0.153 V可知，最强的氧化剂和还原剂均为Cu ，所以会有以下反应：
2Cu →Cu2 Cu
即在酸性条件下，Cu 会发生歧化反应。即对某一物种，如果φθ右>φθ左，则该物种会发生歧化反应，生成两端的物种。这样就很容易记忆并理解Cu2O与H2SO4的化学反应方程式了。
2）利用元素电势图，判断元素的氧化还原特性。以酸性介质中Fe元素的元素电势图为例来说明（表4所示为铁的化学反应类型）。
φθA Fe3 ——Fe2 ——Fe
当然了，电极电势和元素电势图仅能反映出某元素物种进行氧化还原反应的特性。其他类型的化学反应，应具体情况具体对待。
清楚把握各章节的知识结构 元素无机化学知识点零散，系统性差。因此，把握好每章的知识结果对于从总体上把握本学科知识具有非常重要的意义。
纵观本课程各章节，会发现每章节的大致知识结构如图1所示。每章基本上均以本族的通性开始，介绍该族化合物在自然界中的存在、元素的一些性质和元素电势图。在分析该族元素原子结构的基础上，得出该族化合物的成键特征，每个成键特征会对应某一类具体物质（单质和化合物）。随后，本章会针对这些单质或化合物的存在、制备、性质（物理性质、化学性质）和用途等几方面逐渐展开介绍。
3 结语
总之，一个好的学习方法犹如大海灯塔，它能指引学生在知识的海洋中遨游。学好元素无机化学，应该在总体把握每章知识框架的基础上，熟练掌握并运用好元素周期律、元素电势图这两个基本工具，深刻理解结构决定性质这一重要科学思想，这必将促进对元素无机化学的学习和掌握，有助于进一步攀登知识高峰。■
参考文献
[1]陈平初，李武客，詹正坤.社会化学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]王振民.怎样学好无机化学的元素部分[J].化学教育，
1987（6）：39-40.
[3]刘海燕，孙红梅.浅谈学习无机化学的方法[J].绥化师专学报，2003，23（3）：133-134.
[4]王彦广.化学与人类文明[M].杭州：浙江大学出版社，
2001.
[5]宋天佑，程鹏，王杏乔.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2004.
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學键的物质。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。 第二层含义：“结构”为分子中原子在空间的排布，即分子结构。同时，还必须考虑分子其他特殊结构，如孤对电子、大∏键等对物质性质的影响。以NH3为例来说明“结构”是如何决定性质的，如表2所示。
理解了上述两层结构的含义，结合键长、键角、键的极性、分子间作用力、电负性、原子半径等因素，很多问题均可迎刃而解（表3）[7-8]。
正确运用元素电势图 发生氧化还原反应是元素单质与化合物化学性质的重要表现之一。最高氧化态化合物可具有氧化性，最低氧化态化合物可具有还原性，中间价态化合物既可具有氧化性，也可具有还原性。除此之外，还需要掌握以下两点内容。
第一，通过电极电势的大小，会判断氧化性物质、还原性物质氧化还原能力的强弱。电极电势越大，氧化性物质的氧化能力越大，还原性物质的还原能力越小，反之亦然。
第二，氧化还原反应的方向是最强的氧化剂与最强的还原剂发生反应，生成两对电极中另外两个物种。
什么是元素电势图呢？如果一种元素具有多種氧化态，将这些氧化态按照由高到低的顺序排列，两物种间以“—”相连，并且在线上方标出相邻两物种组成电对的电极电势值，这种图被称为元素电势图。利用元素电势图可以判断元素的氧化还原特性，判断歧化反应的发生。
1）判断歧化反应的发生：以酸性介质中Cu元素电势图为例来说明。
由φθ（Cu /Cu）=0.521 V和φθ（Cu2 /Cu ）=0.153 V可知，最强的氧化剂和还原剂均为Cu ，所以会有以下反应：
2Cu →Cu2 Cu
即在酸性条件下，Cu 会发生歧化反应。即对某一物种，如果φθ右>φθ左，则该物种会发生歧化反应，生成两端的物种。这样就很容易记忆并理解Cu2O与H2SO4的化学反应方程式了。
2）利用元素电势图，判断元素的氧化还原特性。以酸性介质中Fe元素的元素电势图为例来说明（表4所示为铁的化学反应类型）。
φθA Fe3 ——Fe2 ——Fe
当然了，电极电势和元素电势图仅能反映出某元素物种进行氧化还原反应的特性。其他类型的化学反应，应具体情况具体对待。
清楚把握各章节的知识结构 元素无机化学知识点零散，系统性差。因此，把握好每章的知识结果对于从总体上把握本学科知识具有非常重要的意义。
纵观本课程各章节，会发现每章节的大致知识结构如图1所示。每章基本上均以本族的通性开始，介绍该族化合物在自然界中的存在、元素的一些性质和元素电势图。在分析该族元素原子结构的基础上，得出该族化合物的成键特征，每个成键特征会对应某一类具体物质（单质和化合物）。随后，本章会针对这些单质或化合物的存在、制备、性质（物理性质、化学性质）和用途等几方面逐渐展开介绍。
3 结语
总之，一个好的学习方法犹如大海灯塔，它能指引学生在知识的海洋中遨游。学好元素无机化学，应该在总体把握每章知识框架的基础上，熟练掌握并运用好元素周期律、元素电势图这两个基本工具，深刻理解结构决定性质这一重要科学思想，这必将促进对元素无机化学的学习和掌握，有助于进一步攀登知识高峰。■
参考文献
[1]陈平初，李武客，詹正坤.社会化学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]王振民.怎样学好无机化学的元素部分[J].化学教育，
1987（6）：39-40.
[3]刘海燕，孙红梅.浅谈学习无机化学的方法[J].绥化师专学报，2003，23（3）：133-134.
[4]王彦广.化学与人类文明[M].杭州：浙江大学出版社，
2001.
[5]宋天佑，程鹏，王杏乔.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2004.