非金屬元素及其化合物的知識建構(gòu)策略——以氮元素及其化合物的復習為例

河南 熊建飛 吳利敏

在氮元素及其化合物的復習中，以氮元素化合價為中心，須貫穿氧化還原反應、物質(zhì)分類兩個觀念，從氧化還原反應的角度分析各物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從物質(zhì)分類的角度，利用同類物質(zhì)的共性進行類比分析，然后再同中求異，分析特殊性。

建構(gòu)主義學習理論認為，學習是學生在一定的情景中，借助教師或?qū)W習伙伴的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得知識的過程。教學不僅是知識的傳遞，也是知識的處理和轉(zhuǎn)換，教師要引導學生從原有的知識經(jīng)驗中，生出新的知識經(jīng)驗。本文擬引導學生用已有的知識對非金屬元素及其化合物進行知識建構(gòu)，以氮元素及其化合物的復習為例，幫助學生建立起一種有效的學習方法。根據(jù)非金屬元素及其化合物的特點，提出了“一中心兩觀念”的建構(gòu)策略。

一、以化合價為中心，構(gòu)建關(guān)系圖

繪制類—價二維坐標圖，以氮元素化合價為縱坐標，以物質(zhì)類別為橫坐標。引導學生在相應的位置上寫出物質(zhì)的化學式，根據(jù)所掌握的知識，用箭頭標出各物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。通過坐標圖，可以清晰地看到規(guī)律：從最低價的氫化物(NH3)到最高價的含氧酸(HNO3)，化合價呈逐漸上升趨勢，讓學生從整體上對氮元素及其化合物有一個感性的認識。

注：NH4NO3中氮元素有兩種化合價，但其為銨鹽，故將其放在化合價為-3的位置

二、依據(jù)氧化還反原應原理，尋找轉(zhuǎn)化關(guān)系引導學生對類—價二維坐標圖進行探究

驅(qū)動性問題1：從圖中，能夠發(fā)現(xiàn)哪些氧化還原反應規(guī)律？

思考交流：NH3中氮元素處于最低價，只具有還原性；HNO3中氮元素處于最高價，只具有氧化性；N2、NO、NO2中氮元素均處于中間價態(tài)，既有氧化性又有還原性。可以得出，氧化還原反應規(guī)律為最低價具有還原性，最高價具有氧化性，中間價態(tài)既有氧化性又有還原性。

驅(qū)動性問題2：根據(jù)氧化還原反應規(guī)律，用已有的知識寫出類—價二維坐標圖中轉(zhuǎn)化關(guān)系1～7的化學方程式。

思考交流：完成化學方程式的書寫，書寫依據(jù)為氧化還原反應規(guī)律。

驅(qū)動性問題3：N2能反應生成NH3、NO，思考NH3、NO能生成N2嗎？

思考交流：從氧化還原反應規(guī)律來看，可以。但教材中只給出N2與H2反應生成NH3是可逆反應，NH3能分解生成N2。

教師趁機引導：從氧化還原反應規(guī)律來看，NH3和NO可以反應生成N2，只不過需要特定的條件，例如在一定條件下，用氨氣可將氮氧化合物轉(zhuǎn)化為無毒氣體。寫出NH3分別與NO、NO2反應的化學方程式。

驅(qū)動性問題4：稀硝酸與銅、濃硝酸與銅反應產(chǎn)物有何不同，可以說明什么問題？

思考交流：化學反應與反應條件有關(guān)，當反應條件發(fā)生改變時化學反應可能發(fā)生改變。

教師趁機引導濃硝酸在常溫下能使鐵、鋁等鈍化，在加熱條件下呢？此時教師可安排學生動手實驗或觀看實驗視頻，觀察實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論，并用化學方程式表示所發(fā)生的反應，教師引導學生總結(jié)氧化還原反應方程式的書寫方法，加深對反應條件對反應影響的理解。

三、依據(jù)物質(zhì)分類，尋找共性，同中求異

根據(jù)物質(zhì)分類，可以把氮元素及其化合物分為六個種類：氫化物、單質(zhì)、氧化物、酸、堿、鹽。同類物質(zhì)具有相似的性質(zhì)，如HNO3屬于無機含氧酸，具有酸的性質(zhì)；NH3·H2O屬于堿，具有堿的性質(zhì)。同類物質(zhì)除了具有相似的性質(zhì)外，每種物質(zhì)還具有自己的特性，如HNO3的氧化性較強與活潑金屬反應不能生成H2。因此在復習的時候，可以采用類比思想，尋找相似性，注意特殊性質(zhì)。

1.氫化物——NH3

NH3在教材中占有重要的地位，無論物理性質(zhì)還是化學性質(zhì)都是高頻考點。引導學生從物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途的角度梳理出以NH3為中心的思維導圖。然后聯(lián)系常見的氫化物H2O、H2S、HF、CH4的性質(zhì)，找出相似性與特殊性質(zhì)。

驅(qū)動性問題1：同學們經(jīng)常聽老師說“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”，到底結(jié)構(gòu)是怎樣決定性質(zhì)，性質(zhì)怎樣決定用途的呢？請同學們展開豐富的聯(lián)想，用已有的知識完成思維導圖①～⑤空。

驅(qū)動性問題2：通過以上分析，找出氫化物的相似性，從分子極性、還原性等角度考慮尋找NH3與H2O、H2S、HF、HCl、CH4的相似性質(zhì)。

思考交流：NH3與H2O、H2S、HF都是極性分子而CH4為非極性分子，NH3、H2O、HF分子間能形成氫鍵，沸點比同族氫化物的高；NH3、H2S、CH4及濃鹽酸都具有還原性。

驅(qū)動性問題3：尋找NH3的特殊性，與其他氫化物相比有什么特殊性質(zhì)？怎樣利用其特殊性質(zhì)檢驗NH3？

思考交流：NH3是中學階段唯一的一種堿性氣體。檢驗氨氣可利用氨氣的特征反應和特殊現(xiàn)象，氨氣與濃鹽酸反應產(chǎn)生白煙、氨氣能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍。

2.單質(zhì)——N2

同學們對非金屬單質(zhì)了解的比較多，如O2、H2、Si、S、Cl2等，以上幾種單質(zhì)化學性質(zhì)各不相同，各有各的特殊性質(zhì)。因此在復習N2時，重在了解它的特性。

驅(qū)動性問題1：從氧化還原反應的角度思考O2、H2、Si、S、Cl2、N2應具有什么樣的相似性？

思考交流：因為以上幾種單質(zhì)化合價都為0，處于中間價態(tài)，在一定條件下既具有氧化性，又具有還原性。

驅(qū)動性問題2：比較以上幾種單質(zhì)，思考N2具有哪些特殊性質(zhì)？

思考交流：N2的化學性質(zhì)不活潑，但在一定條件下能發(fā)生某些化學反應，如與H2在催化劑加熱條件下可以合成NH3，即工業(yè)合成氨；在放電或高溫條件下可以與O2反應生成NO。

3.氧化物——NO、NO2

學生對非金屬氧化物也比較熟悉，如CO、CO2、SO2、SO3、SiO2等。其中CO2和SO2的某些性質(zhì)極為相似，如都可以使澄清的石灰水變渾濁；CO2、SO2、SO3均為酸性氧化物，都能與水反應生成相應的酸，而NO2雖然也能與水反應，但其不是酸性氧化物。SO2、NO、NO2都是空氣污染物，能形成酸雨。相比較而言，學生應掌握的NO、NO2更多的是特殊性質(zhì)。

驅(qū)動性問題1：氮的氧化物有哪些物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，找出它們的特性。

思考交流：物理性質(zhì)方面，NO為無色無味的氣體，NO2在高溫下為紅棕色氣體，常溫下NO2與N2O4混合而共存；化學性質(zhì)方面，NO與O2反應生成NO2，有紅棕色氣體生成，NO2與水反應可生成HNO3及NO。

驅(qū)動性問題2：大氣污染物有哪些，對環(huán)境會產(chǎn)生怎樣的影響？

思考交流：首先，SO2、氮氧化合物NOx(主要有NO、NO2、N2O等)可以形成酸雨。其次，氮氧化合物與碳氫化合物在紫外線作用下發(fā)生一系列光化學反應，產(chǎn)生一種有毒的光化學煙霧。

4.酸、堿、鹽——HNO3、NH3·H2O、銨鹽

HNO3、NH3·H2O、銨鹽在高中化學中占有極其重要的地位。同學們對酸、堿、鹽的概念了解比較多，HNO3、NH3·H2O、銨鹽都具有其所屬類別的性質(zhì)，但它們都具有很多特殊性。

(1)HNO3硝酸

驅(qū)動性問題：對比其他酸，思考HNO3具有哪些特殊性質(zhì)？

思考交流：教師從濃硫酸、濃鹽酸性質(zhì)的角度加以引導，與硝酸對比分析。首先，硝酸具有強氧化性，濃H2SO4、HNO3都具有強氧化性，相似點為濃硫酸、濃硝酸常溫下都能使Fe、Al鈍化；不同點為稀H2SO4不具有氧化性，而稀HNO3具有強氧化性，HNO3能與不活潑金屬反應，而且HNO3與活潑金屬反應不生成H2，氧化還原反應方程式的書寫及配平是此部分知識的重難點。其次，硝酸具有不穩(wěn)定性，見光易分解，而且硝酸具有揮發(fā)性。

(2)NH3·H2O

驅(qū)動性問題：對比其他堿，NH3·H2O有哪些特殊性質(zhì)？

(3)銨鹽

四、遷移拓展，促進知識建構(gòu)

高中化學學習的非金屬元素及其化合物主要有硅元素、氯元素、硫元素、氮元素。其他三種元素的知識建構(gòu)方法與氮元素及其化合物相似，以化合價為中心，貫穿兩個觀念。在復習時注意運用分類觀，找出四種元素的相似性及特殊性。在高考題中，元素及其化合物知識通常與元素周期律相結(jié)合，通過典型例題的剖析，提升知識遷移并應用的能力，反過來促進知識的建構(gòu)，加深對知識的理解。以兩道高考題為例，通過遷移應用完善和深化知識構(gòu)建：

【例1】(2018·全國卷Ⅱ·10)W、X、Y和Z為原子序數(shù)依次增大的四種短周期元素。W與X可生成一種紅棕色有刺激性氣味的氣體；Y的周期數(shù)是族序數(shù)的3倍；Z原子最外層的電子數(shù)與W的電子總數(shù)相同。下列敘述正確的是

( )

A.X與其他三種元素均可形成兩種或兩種以上的二元化合物

B.Y與其他三種元素分別形成的化合物中只含有離子鍵

C.四種元素的簡單離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)

D.W的氧化物對應的水化物均為強酸

【答案】A

【解析】根據(jù)分析可知W、X、Y和Z分別是N、O、Na、Cl。O與N、Na、Cl三種元素均可形成兩種或兩種以上的二元化合物，例如NO、NO2、Na2O、Na2O2、Cl2O7、ClO2等，A正確；過氧化鈉中含有離子鍵和共價鍵，B錯誤；N、O、Na三種元素的簡單離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，均是10電子微粒，氯離子是18電子微粒，C錯誤；亞硝酸為弱酸，D錯誤。

【例2】(2019·全國卷Ⅱ·9)今年是門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律150周年。下表是元素周期表的一部分，W、X、Y、Z為短周期主族元素，W與X的最高化合價之和為8。下列說法錯誤的是

( )

A.原子半徑：W

B.常溫常壓下，Y單質(zhì)為固態(tài)

C.氣態(tài)氫化物熱穩(wěn)定性：Z

D.X的最高價氧化物的水化物是強堿

【答案】D

【解析】由“W與X的最高化合價之和為8”可知，W為N，X為Al，Y為Si，Z為P。原子半徑：N

此類題的特點是將元素及其化合物與元素周期律相結(jié)合，綜合性較強，在復習的時候要注意二者之間的聯(lián)系，完善知識結(jié)構(gòu)。借助元素周期律可以使元素及其化合物更有規(guī)律可循；根據(jù)元素周期表的遞變規(guī)律，使元素及其化合物性質(zhì)更容易理解和掌握。