元素周期表(律)知識體系教學(xué)策略的思考

彭思艷,張文廣*,曾常根

(1.上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江西 上饒 334001;2.永豐縣第二中學(xué),江西 吉安 331500)

元素周期表(律)具有非常豐富的科學(xué)內(nèi)涵,是化學(xué)工作者終生耕耘的土地,是化學(xué)化工專業(yè)的學(xué)生開啟化學(xué)知識寶庫的金鑰匙,是所有化學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)者必須深入了解和系統(tǒng)掌握的知識體系。元素周期表蘊(yùn)含嚴(yán)密的邏輯關(guān)系和復(fù)雜的辯證思想。教學(xué)中若照本宣科地簡單講授或淺表性地介紹這部分知識,周期表中一些較深層次的邏輯關(guān)系、元素間的內(nèi)在聯(lián)系和事物矛盾,就得不到淋漓盡致的揭示;學(xué)生應(yīng)用相關(guān)知識分析問題、解決問題的能力,就得不到很好的保證;利用該素材對學(xué)生進(jìn)行事物普遍聯(lián)系和矛盾對立統(tǒng)一等辯證唯物主義思想的教育,就得不到充分的發(fā)揮。到目前為止,除了中學(xué)教師對中學(xué)層面的元素周期表(律)知識內(nèi)容有較多的教學(xué)討論之外[1－3],大學(xué)教師的相關(guān)研究幾乎很少看到。有鑒于此,本文從大學(xué)教師的視角對物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識體系中元素周期表和元素性質(zhì)周期性內(nèi)容的教學(xué)策略,做一些思考和探討,以期幫助化學(xué)教師更清晰地把握元素周期表的宏、微觀結(jié)構(gòu),提高中學(xué)生參加化學(xué)奧賽、大學(xué)生參加化學(xué)考研應(yīng)試元素周期表知識難題的能力,揭示元素周期律所隱含的物質(zhì)性構(gòu)相依的化學(xué)學(xué)科思想和矛盾對立統(tǒng)一的哲學(xué)辯證理念。

1 講好周期表中各種顯、隱的邏輯關(guān)系,引導(dǎo)學(xué)生理解周期表的本質(zhì)特征

現(xiàn)代化學(xué)通用的元素周期表是根據(jù)原子序數(shù)(原子的核電荷數(shù)或質(zhì)子數(shù))從小到大排序的化學(xué)元素列表。元素周期表的本質(zhì)特征是:元素的周期劃分,是按原子結(jié)構(gòu)中能級組高低順序劃分元素的結(jié)果;元素所在的周期序數(shù),是該元素原子外層電子所處的最高能級組序數(shù),它等于該元素原子最外層的主量子數(shù);每一周期從左到右填充的元素,是每一最高能級組從低能級到高能級填充電子,直至稀有氣體原子為止的元素;各周期所包含的元素數(shù)目,等于相應(yīng)周期的最高能級組內(nèi)各原子軌道所能容納的電子總數(shù)。因此,教師在按照教材的編排體系介紹完元素周期表中一些表觀或顯明的知識后,還應(yīng)該進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生挖掘其中隱含的知識要素和邏輯關(guān)系,揭示出蘊(yùn)藏的規(guī)律,以加深對周期表本質(zhì)特征的理解(見表1)。

表1 各周期元素對應(yīng)的電子最高能級組及元素數(shù)目

例如,根據(jù)表1知識及邏輯關(guān)系,可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考下列問題并做出推測:

(1)隨著科學(xué)的不斷發(fā)現(xiàn),將來的元素周期表有可能填滿第八和九周期,它們可能各有多少種元素?這些周期填有的元素,核外電子的最高電子能級組是什么?末位元素的原子序數(shù)是多少?

(2)如何理解各周期內(nèi)元素的電子層排布規(guī)律:最外層不超過8個電子,次外層不超過18個電子,倒數(shù)第三層不超過32個電子?

可以啟發(fā)學(xué)生做如下分析:

(1)按照表1中各周期內(nèi)元素核外電子最高能級組中的能級數(shù)目規(guī)律,通過歸納、演繹、類比等邏輯推理方式,可推測第八和九周期內(nèi)元素核外電子最高能級組中的能級數(shù)目都是5,其能級分別是8s 5g 6f 7d 8p和9s 6g 7f 8d 9p,按照s、p、d、f各能級分別有1、3、5、7個原子軌道的規(guī)律,可推測g能級應(yīng)該有9個軌道,所以,第八和九周期內(nèi)元素核外電子的最高能級組中具有的原子軌道數(shù)最大值都為25,可填有的電子數(shù)都為50,它們將都有50種元素,末位元素的原子序數(shù)分別是168(即118＋50)和218(即118＋50＋50)。

(2)按照表1中各周期內(nèi)元素核外電子最高能級組的組成規(guī)律,可歸納出“第n周期元素核外電子最高能級組的通式”為:ns(n－2)f(n－1)d np。

在此,應(yīng)向?qū)W生特別強(qiáng)調(diào)的是,由于量子數(shù)特殊的取值規(guī)律,實(shí)際上不存在1p、2d、3f等電子能級。由此通式可知,各周期內(nèi)元素核外電子層的排布規(guī)律是:最外層(第n電子層)只能填ns、np能級,所以不會超過8(即2＋6)個電子;次外層(第(n－1)電子層)在填(n－1)d能級之前已填滿了(n－1)s和(n－1)p兩個能級,所以它最多只能填18(即2＋6＋10)個電子;倒數(shù)第三層(第(n－2)電子層)在填(n－2)f能級之前已填滿了(n－2)s、(n－2)p和(n－2)d三個能級,所以它最多可以填32(即2＋6＋10＋14)個電子。

2 講活“最高能級組法”問題解決策略,引導(dǎo)學(xué)生掌握各種信息“一知多求”的思維技巧

元素周期表蘊(yùn)含有無比豐富的科學(xué)信息。一種元素,若告知某一方面的信息,根據(jù)表1中的邏輯關(guān)系,可以推理出其他方面的信息(見圖1)。

圖1 元素周期表信息“一知多求”關(guān)系圖

例如,根據(jù)圖1,可以引導(dǎo)學(xué)生思考下列問題并做出正確判斷:

(1)已知某元素的原子序數(shù)是80,推測該元素①原子的外圍電子構(gòu)型;②處在哪一周期、哪一族、哪一區(qū);③是什么元素;④最高氧化態(tài)及離子的最外層電子構(gòu)型。

(2)已知某元素的外圍電子構(gòu)型4s24p4,推測該元素①處在哪一周期、哪一族、哪一區(qū);②原子序數(shù)是多少;③是什么元素;④列舉離子化合物和共價化合物各一種。

(3)已知某元素處在第五周期VIB族,試推測該元素①原子的外圍電子構(gòu)型;②屬哪一區(qū);③是什么元素;④原子序數(shù)是多少。

對于類似這些問題的解答,可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)、概括出“前一周期末位元素＋本元素最高能級組電子排布”的思維推理或問題解決法,筆者稱之為“原子結(jié)構(gòu)和元素周期表各種信息‘一知多求’思維技巧”(見圖2)。這一教學(xué)策略特別要求學(xué)生一定要記住各周期末位元素即稀有氣體原子的元素符號和原子序數(shù),以便精準(zhǔn)確定問題中元素的“原子實(shí)”。

圖2 元素周期表信息“一知多求”思維技巧圖

例如,根據(jù)這一思維方法或教學(xué)策略,可以啟發(fā)學(xué)生做如下分析:

(1)80號元素原子序數(shù)大于第五周期的末位元素Xe(54),小于第六周期的末位元素Rn(86),因此,它屬于第六周期元素,具有第五周期末位元素Xe的原子實(shí)。剩下的核外電子數(shù)為80－54＝26,這些電子應(yīng)排在最高能級組,故該元素核外電子排布為[54Xe]6s24f145d10。這是按能級高低填充電子的寫法,習(xí)慣上又按量子數(shù)n、l從小到大或內(nèi)層到外層的次序?qū)懽鱗54Xe]4f145d106s2;按照周期表的慣常要求,其外圍電子構(gòu)型應(yīng)寫成5d106s2。由此可判斷該元素處在第六周期、IIB族、ds區(qū),是汞元素,元素符號為Hg;最高氧化態(tài)為＋2,Hg2＋的最外層電子構(gòu)型為5s25p65d10,是18電子構(gòu)型的離子。

(2)外圍電子構(gòu)型為4s24p4的元素,其原子實(shí)對應(yīng)于第三周期末位元素Ar,核外電子排布為[18Ar]4s23d104p4(這是按電子填序的寫法,習(xí)慣上還可按量子數(shù)n、l從小到大或內(nèi)層到外層的次序?qū)懽鱗18Ar]3d104s24p4)。故該元素處在第四周期、VIA族、p區(qū),是硒元素(Se),原子序數(shù)為34(即18＋10＋2＋4),離子化合物如K2Se,共價化合物如H2Se。

(3)第五周期VIB族的元素,其原子的外圍電子構(gòu)型為4d55s1,是d區(qū)的鉬元素(Mo);因其核外電子排布為[36Kr]4d55s1,故原子序數(shù)為42(即36＋5＋1)(按洪特規(guī)則特例,4d5結(jié)構(gòu)是較穩(wěn)定的半充滿結(jié)構(gòu))。

“前一周期末位元素＋本元素最高能級組電子排布”的思維推理方法,是原子結(jié)構(gòu)和元素周期表各種信息“一知多求”重要而獨(dú)到的解題技巧。在這里,尤其要向?qū)W生強(qiáng)調(diào),周期表中元素的“外圍電子構(gòu)型”與“最高能級組電子排布”及“最外層電子排布”是幾個既有區(qū)別又有聯(lián)系的概念。元素的“外圍電子構(gòu)型”,也稱為“價層電子構(gòu)型”,對主族元素而言,實(shí)際上就是最外層的電子排布;對副族元素而言,是指最外層ns能級及對副族d區(qū)和ds區(qū)元素而言,是指次外層(n－1)d能級和最外層ns能級的電子排布。例如,上文中提到的元素Hg,其核外電子排布為[54Xe]4f145d106s2,最高能級組的電子排布是6s24f145d10,外圍電子構(gòu)型(即價層電子構(gòu)型)是5d106s2,最外層電子排布是6s2。

應(yīng)該向?qū)W生說明,按照能級次序,對于主族p區(qū)元素而言,電子在填充最外層np能級之前,會先填滿次外層的(n－1)d能級(對于第六周期的p區(qū)元素,甚至要更先填滿4f能級),而按照周期表的慣常表示法,(n－1)d能級的電子結(jié)構(gòu)并不寫在p區(qū)元素的“外圍電子構(gòu)型(價電子構(gòu)型)”中,因?yàn)榇藭r的(n－1)d電子,是穩(wěn)定的電子,并不參與成鍵;對于第六周期副族的d區(qū)、ds區(qū)元素而言,電子在填充次外層5d能級之前,也會先填滿較內(nèi)層的4f能級,而按照周期表的慣常表示法,4f能級的電子結(jié)構(gòu)也不寫在d區(qū)、ds區(qū)元素的“外圍電子構(gòu)型(價層電子構(gòu)型)”中,因?yàn)榇藭r的4f電子也是穩(wěn)定的電子,并不參與成鍵。所以,在教學(xué)中,尤其要提醒學(xué)生,只有用“前一周期末位元素原子序數(shù)＋本元素最高能級組中電子數(shù)”的推理方法,才能準(zhǔn)確判斷出周期表中任何元素的原子序數(shù);若用“前一周期末位元素原子序數(shù)＋本元素外圍或最外層電子數(shù)”的推理方法,則根本得不到正確的結(jié)論。

3 講清原子半徑變化的分區(qū)特點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析鑭系元素性質(zhì)極為相似的結(jié)構(gòu)根源

在講解原子半徑的周期性變化規(guī)律時,繞不開半徑收縮的分區(qū)特征。把這個問題講清楚了,也可以為元素化學(xué)講“鑭系收縮”及鑭系元素的性質(zhì)奠定基礎(chǔ)或贏得時間。應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生理解:感悟“鑭系收縮”概念的關(guān)鍵,是要明白各“分區(qū)”元素原子半徑隨核電荷數(shù)增加而減小的幅度大不相同。以長周期第6周期元素為例,各分區(qū)內(nèi)相鄰元素原子半徑收縮的對比情況及原因分析,具體如下(見表2)[4－5]。

表2 第6周期s、d、f各區(qū)部分相鄰元素原子半徑收縮情況對比分析

還應(yīng)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生推理:對于相同周期的s或p區(qū)元素,從左至右,原子的核電荷數(shù)和核外電子數(shù)都相應(yīng)依次增加,但增加的電子是分別填進(jìn)最外層的ns或np軌道,其對原子核的屏蔽作用最小(σ≈0.35),故作用于最外層電子的元素有效核電荷Z*＝(Z－σ)增加最多,因此原子半徑r的減小值最大;而對于f區(qū)的鑭系元素,隨著核電荷數(shù)的依次遞增,核外電子是填入倒數(shù)第三層的4f軌道,相對于最外及次外(第6或第5)電子層來說,更內(nèi)層(倒數(shù)第三層以內(nèi)電子層)的電子對核的屏蔽作用更強(qiáng)(屏蔽常數(shù)σ接近于1.00[6]),所以元素的原子核作用于最外層電子的有效核電荷Z*增加不多,原子半徑減小的幅度很小(甚至可能增大)。

鑭系元素外圍電子結(jié)構(gòu)相似(最外層都為6s2、次外層多為5s25p6),原子或離子半徑無比接近。至此,通過分析推理,學(xué)生完全可以理解:鑭系元素具有極為相似的性質(zhì);礦物極易伴生,分離極其困難。

4 講透周期表中蘊(yùn)含的事物矛盾,引導(dǎo)學(xué)生感悟物質(zhì)性構(gòu)相依的學(xué)科思想和矛盾對立統(tǒng)一的辯證理念

隨著原子序數(shù)或元素核電荷的增加,原子的電子層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出周期性的變化,從而又導(dǎo)致元素的原子半徑、電負(fù)性、電離能、電子親和能等基本性質(zhì)也呈現(xiàn)出顯著的周期性變化,這種變化規(guī)律稱為元素周期律。在按照教材的內(nèi)容體系講授完元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律后,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生揭示宏觀性質(zhì)變化規(guī)律背后隱含的微觀結(jié)構(gòu)變化本質(zhì),同時進(jìn)一步分析某些特殊性的表現(xiàn)及其成因。通過物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性質(zhì)的因果關(guān)系分析以及兩點(diǎn)論與重點(diǎn)論相結(jié)合的事物矛盾分析,培養(yǎng)學(xué)生物質(zhì)性構(gòu)相依的化學(xué)學(xué)科思想和矛盾對立統(tǒng)一的哲學(xué)辯證理念。

例如,元素電離能的大小主要取決于原子的有效核電荷數(shù)、原子半徑和電子構(gòu)型。在同一周期中,從左到右隨著元素有效核電荷數(shù)的逐漸增加和原子半徑的不斷縮小,原子核對外層電子的吸引作用依次增強(qiáng),電離能呈增大趨勢(見表3)[4－5]。這是一般規(guī)律,但也有特殊性現(xiàn)象出現(xiàn):短周期元素中硼、鋁的第一電離能比左邊的鈹、鎂小,氧、硫又比左邊的氮、磷小。究其原因是它們在失去最外層1個p電子后達(dá)到了ns能級的全充滿或np能級的半充滿較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。各周期末尾稀有氣體元素的電離能最大,主要原因也在于它們具有8電子的ns、np能級全充滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

表3 第二、三周期元素的第一電離能I 1 單位:kJ/mol

又如,一般說來,元素間若電子層結(jié)構(gòu)相似、有效核電荷相近,則原子半徑越小,元素的電子親和能越大(因?yàn)樵雍藢ν鈦黼娮拥奈饔迷酱?。故電子親和能在同周期元素中從左到右有增大的趨勢;同族中從上到下有減小的趨勢(見表4)[4－5]。這是總體規(guī)律,但也有特殊情況出現(xiàn):鹵族和氧族元素中的氟和氧,其電子親和能并不是最大,而要比同族中的氯和硫更小。如何引導(dǎo)學(xué)生理解這種“反?！爆F(xiàn)象?啟發(fā)學(xué)生:帶電粒子間吸引作用和排斥作用的矛盾是決定物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的基本矛盾,是化學(xué)運(yùn)動的基本矛盾。從微觀結(jié)構(gòu)考察,影響宏觀性質(zhì)——元素電子親和能的因素,除了元素的電子層結(jié)構(gòu)和有效核電荷外,更為重要的則是元素的原子半徑(主要矛盾)。而原子半徑影響電子親和能的作用方式,又存在著矛盾的兩個方面:一方面,原子半徑越小,原子核對外來電子的異電性吸引作用越強(qiáng),電子親和能越大;另一方面,原子半徑越小,電子云的密度越大,核外電子對外來電子的同電性排斥作用越強(qiáng),元素的電子親和能則越小。通常認(rèn)為,對于鹵素中的氯、溴、碘或氧族中的硫、硒、碲來說,原子核對電子的正負(fù)電性吸引作用是矛盾的主要方面;對于第二周期元素、原子半徑非常小的氟、氧來說,電子間的同電性排斥作用是矛盾的主要方面。所以,鹵、氧族元素電子親和能的實(shí)際變化規(guī)律為氟＜氯＞溴＞碘,氧＜硫＞硒＞碲。

表4 VIIA、VIA元素的第一電子親和能E 1 單位:kJ/mol

5 結(jié)語

元素周期表深刻揭示了化學(xué)元素間的內(nèi)在聯(lián)系。它的發(fā)現(xiàn)是化學(xué)史上的一個創(chuàng)舉和重要里程碑,對推動化學(xué)科學(xué)的發(fā)展起到了巨大的作用?？茖W(xué)的發(fā)展永無止境,人們對元素周期表的認(rèn)識和探索、對原子核外電子排布規(guī)律的洞察和探討、對原子結(jié)構(gòu)影響元素性質(zhì)機(jī)理的分析和探究也將永無止境。

元素周期表(律)知識體系蘊(yùn)含著豐富的唯物辯證思想和科學(xué)的思維方法因素。加強(qiáng)元素周期表及元素性質(zhì)周期性規(guī)律的教學(xué),是無機(jī)化學(xué)知識體系和課程內(nèi)容的客觀要求,也是對學(xué)生進(jìn)行事物普遍聯(lián)系、物質(zhì)性構(gòu)相依、矛盾對立統(tǒng)一等辯證唯物主義思想和化學(xué)學(xué)科思想、思維方法教育的必然要求。實(shí)踐表明,在大學(xué)無機(jī)化學(xué)教學(xué)中,對本章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行上述挖掘、分析,能大大激發(fā)學(xué)生的求知欲望,提高他們的思維能力,培養(yǎng)其樂于探究的精神和品德,從而提升教學(xué)的效率和質(zhì)量。