以“氧化数”取代“化合价”有利于中学化学教学
文章编号：1005-6629(2011)10-0074-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
“化合价”这一概念，在我国中学化学教学中已经使用多年，被广大教师和学生广为接受，但“化合价”在中学阶段过早出现，会带来一些问题。
1、课程标准对“化合价”的规定
义务教育化学课程标准规定，“化合价”的内容标准是：①说出几种常见元素的化合价。②能用化学式表示某些常见物质的组成。可见，中学阶段学习“化合价”，是为了用化合价来书写化学式。
基于课程标准编写的实验教材，体现了课标的这个意图，淡化了化合价的定义，比如人教版教材，仅用“化学上用‘化合价’表示原子之间相互化合的数目”这句话，来描述“化合价”的定义，除了举例以外，没有进一步解释“化合价”到底是什么。但紧接着，较为详细地给出了确定化合价的3条规则，其实，这是氧化数的运算规则。可见，“判断和运用元素的化合价”比“理解化合价概念”更为重要。从教材的编排顺序来看，“化合价”紧跟在“化学式”内容的后面，说明教材引入“化合价”是出于书写化学式的需要，而对“理解化合价概念”并不作要求。
化学中考对“化合价”的考核遵循了课标和教材的设计意图，比如，南京市近几年的化学中考指导书中阐明的“化合价”的考点有两个：①说出几种常见元素的化合价，其目标水平是了解水平，即“知道、记住、说出、例举、找到”，“初步学会”，“体验、感受”。②能用化学式表示某些常见物质的组成，其目标水平是理解水平，即“认识、了解、看懂、识别、能表示”，“初步学会”，“意识、体会、认识、关注、遵守”。
2、“化合价”概念引起的教学困境
课标、教材、考纲引领着教学实践，中学关于化合价的教学也是重在让学生通过口诀记忆常见元素的化合价，对于化合价的概念一般都是淡化处理。教师反映，学生能够很熟练地背诵化合价的定义和常见元素的化合价，但基本不能理解化合价的真实概念，甚至老师自己也没弄清楚“化合价”到底是什么。把“化合价”说成“化学价”的学生不在少数。
从教学文件中可以看出，“理解化合价概念”在中学阶段并不是很重要。那么，教材中是否可以避而不谈，甚至把它删除呢?研究发现，如果没有化合价的概念，化合价的运算规则就缺乏铺垫，化学式的书写就无法进行，高中阶段氧化还原反应的配平也没有了基础。
现行中学化学教材中还是出现了“化合价”的概念，同时也不可避免地产生了以下自相矛盾的现实问题：
①根据教材给出的定义，既然化合价表示原子数目，那就应该是正整数，而不能是负数、分数或零。但是化合价不为正整数的例子在中学有很多，比如Fe3O4、C6H6O、Pb3O4、KO2、CH2CI2等等，特别是CH2C12中，碳的零价与定义十分矛盾。所以，教材中化合价的定义与化合价计算规则自相矛盾。如果用“平均化合价”来解释，是在用“氧化数”的概念进行解释。
②根据教材给出的定义，在Na2O2和H2O2中，其本质Na和H的化合价应该是2，为什么却都是+1？如果根据化合价定义写化学式，结果应该是NaO，HO才对。所以，教材中化合价的定义与化学事实有时候也是矛盾的。
③严格来讲，CH3C1、CH2CI2和CH3C]中，碳的-2，0，+2等价态不是碳的化合价，而是碳的氧化数。这些化合物中碳的化合价应该是+4价。氧化还原配平所用的化合价其实就是氧化数。
这就产生了两难困境：“化合价”概念的定义与一些化学事实相互矛盾，并且这个概念对于学生来讲太难理解，似乎可以从教材中删掉。但是如果没有它，化学式的书写就无法进行。
以上两难困境的产生原因在于，多年来中学教材其实―直是在误用“化合价”的概念，借“化合价”之名，行“氧化数”之实。如果改用“氧化数”替代“化合价”，则定义与化学事实就不相矛盾了，并且“氧化数”的概念比“化合价”更简单明了，用处也更多。
3、“化合价”与“氧化数”概念的区别与联系
3.1两个概念的发展历史
“化合价”确实是一个很难理解的概念，对学生如此，对古代的化学家也是一样。人类对“化合价”的认识经历了曲折而漫长的过程。最早是1799年，法国药剂师普罗斯特提出了定比定律：两种或两种以上的元素相化合成某一化合物时，其重量之比例是天然一定的，人力不能增减。他的实验依据是，天然碳酸铜的组成与人造的完全相同。这一认识是“化合价”概念的早期萌芽。但在当时，定比定律遭到了法国化学界权威贝托雷的激烈反对，两人展开了长期激烈的学术论战，贝托雷的实验依据是铅、铜、锡等金属在空气中灼烧，可以连续地吸收氧气，得到连续的一系列不同颜色的氧化物，比如Pb2O3、PbO、Pb4O4，用稀硝酸处理Pb3O4。可以得到PbO2等，金属与氧气之比根本不是固定的，这个比例―直可以增加，直至达到一个固定限度。普罗斯特承认氧和铅可以形成不同氧化物，但指出，每一种化物的组成是固定不变的，贝托雷的错误在于，将混合物与化合物混为―谈。后来，道尔顿的倍比定律和原子学说证明了定比定律的正确性。1804年，道尔顿分析了沼气(甲烷)和油气(乙烯)中的碳氢比，发现与同量碳相化合的氢重量之比是2：1，于是提出倍比定律：当相同的两元素可生成两种或两种以上的化合物时，若其中一种元素的质量恒定，则另一种元素在化合物中的相对质量有简单的倍数之比。1808年，道尔顿提出原子学说，指出不同元素的原子是以简单数目的比例相结合，形成化合物。
不同元素的原子以简单数目的比例相结合是“化合价”概念成立的前提条件。接下来的问题‘比例是多少?”就是“化合价”的概念了“比例多少”的问题显然比“知道比例存在”的问题要难得多。因为这牵涉到物质结构问题，而当时科学家们不仅不知道化合物的结构，甚至连物质的化学式、元素的原子量、分子概念、化学键概念等还都不明白，所以科学家们探索这个原子比例问题走了很多弯路。比如道尔顿认为水的组成是HO，氨气 的组成是NH。
后来，盖吕萨克、阿伏伽德罗、康尼查罗等人提出并确认了分子假说，贝采里乌斯、杜隆、米希尔里希、杜马等对一些原子量做了测定，大量无机化合物的组成被弄清楚了，人们开始关注原子相互化合时的比例问题。最早发现化合价规律的是英国化学家弗兰克兰，他在广泛研究金属与烷烃基化合反应和无机化合物化学式后发现，N、P、As等原子总是倾向于与3个或5个其他原子相结合，当处于这种比例时，原子的化合能力得到最好满足。弗兰克兰用quantiva-lenee或valency来表示这种化合能力。可以说，那时起，人们知道了N、P、As的化合价。
1857年，德国化学家凯库勒和美国化学家库帕发展了弗兰克兰的见解，指出“不同元素的原子相化合时总是倾向于遵循亲和力单位数相等价的原则”。这是化合价概念的重要突破。他们根据这一原则，把当时已知的元素分为3组：①亲和力单位数等于1的元素，例如H、Cl、Br、K等。②亲和力单位数等于2的元素，例如O、S等。③亲和力单位数等于3的元素，例如N、P、As等。他们两人还分别独立地提出了碳原子的四价学说。1864年，德国化学家迈尔又建议，以“原子价”这一术语代替“原子数”或“原子亲和力单位”。至此，原子价学说(化合价理论)基本形成了，这一学说大大推动了有机化合物结构理论和整个有机化学的发展。
但是，凯库勒当时犯了一个错误，他认为一种元素的亲和力单位数(又称原子价数)是固定的，只有一种。例如，磷的原子价数是3，五氯化磷的化学式是PCI2C12。
随着物质结构理论的发展，原子价(化合价)的经典概念已经不能正确地反映化合物中原子相互结合的真实情况，比如，按照化合价的经典定义，“表示元素原子能够化合或置换一价原子(H)或一价基团(0H-)的数目”，NH4+离子中N与4个H结合，N的化合价应该为4，可我们知道，N的化合价其实是-3，同样的例子还有，K2SiF4中si是+4价，却有6根共价键。PCIS中P的化合价是+5，但结构上却是[PCI4]+[PCI6]-，含有+4价和+6价。
于是，1938年，w．M．Latimer首先引入了氧化态的概念。1948年，在价键理论和电负性的基础上，美国化学教授格拉斯顿首先提出用“氧化数”这一术语来表明物质中各元素的氧化态。1952年日本化学教授桐山良一，1975年美国著名化学家鲍林等人分别对确定元素氧化数的方法制定了一些规则。
20世纪60年代以前，正负化合价和氧化数的概念在许多情况下是混用的。70年代初，国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)在《无机化学命名法》中，进一步定义了氧化数概念，并对氧化数的求法作出一些规定。这些规定比较严格，但在求算化合物中元素的氧化数时不够方便。现在化学界普遍接受的氧化数计算规则是：①在单质中，元素的氧化数为零。②在单原子离子中，元素的氧化数等于离子所带的电荷数。③在大多数化合物中，氢的氧化数为+1；只有在金属氢化物(如NaH、Call2)中氢的氧化数为-1。④通常氧的氧化数一般为-2，但是，在H2O2、Na2O：、BaO：等过氧化物中，-氧的氧化数是1；在OF2中是+2，O2F2：中是+1。⑤氟在其所有化合物中氧化数都为-1。⑥碱金属和碱土金属在化合物中的氧化数分别为+1和+2。在中性分子中，各元素氧化数的代数和为零。在多原子离子中，各元素氧化数的代数和等于离子所带电荷数。
3.2两个概念的区别
由“化合价”和“氧化数”概念的形成历史可以看出，“化合价”是一个与物质结构和化学键有关的概念，它反映原子结合成化合物时形成离子的电荷数(电价)或者形成共价键的个数(共价)，因此，只能是整数。而“氧化数”则是根据人为制定的规则计算出来的，它反映的是化合物中各元素的表观电荷数(或者形式电荷数)，而不必考虑分子结构和化学键的类型。因此，氧化数可以为整数、分数和零。比如Fe3O4，确定铁元素的化合价要考虑到电子得失情况：铁原子与氧原子结合时，铁原子分别失去两个电子形成Fe2+以及失去3个电子形成Fe3+，氧化铁中铁元素的化合价就分别为+2和+3价。而考虑氧化数时，只需要根据氧化数的计算规则：“各元素氧化数的代数和为零”，“通常氧的氧化数一般为-2”，从而算出铁元素的氧化数为+8／3。
从用途来看，“化合价”一般在解决物质结构问题时会用到，“氧化数”一般在解决氧化还原问题时会用到。
3.3两个概念的联系
由发展史可以看出，“氧化数”概念由“化合价”概念发展而来，人为制定的氧化数计算规则继承了前人对化合价的研究成果并加以补充，所以“氧化数”概念也含有“化合价”概念的基本含义：表示元素原子化合时的个数比。但它绕开了具体的物质结构，只关注整体的形式电荷，使很多与物质结构有关的化合价问题变得更加简单。
4、研究结论
4.1概念的必要性
前文述及，“化合价”概念的学习水平仅为了解水平，引入目的主要是为了书写化学式的需要。而“氧化数”概念保持了“化合价”概念所表示的原子个数比的含义，而且比“化合价”概念更加简单。现行教材中给出的化合价计算规则其实就是氧化数的计算规则。可见，“氧化数”概念及其运算规则完全能够达到中学化学的教学要求和考试要求。所以，从概念在中学化学教学中的作用来看，“化合价”可以被“氧化数”替代。
4.2概念的重要性
从概念的起源来看，“化合价”概念的提出与发展是为了解决原子化合时的个数问题，这决定了“化合价”概念在解释物质结构问题时的重要性。然而在中学阶段，尤其是“化合价”概念刚刚出现的初三阶段，物质结构方面的化学知识很少，有关“化合价”问题的解释用“氧化数”足以代替。初三阶段出现“化合价”概念，反而会引发学生产生一些物质结构方面的疑问，这类疑问用中学阶段有限的知识又难以解释清楚。
“氧化数”概念的提出与“氧化’’概念有关，因此特别适用于分析解释氧化还原的有关概念以及氧化还原反应的配平问题。氧化还原的问题是贯穿初三至高三的重要概念，其重要性远胜于化合价所能解释的物质结构问题。
从概念在中学化学知识体系中的地位与作用来看，“氧化数”比“化合价”更加重要。
4.3概念的学习难度
历史上人们对“化合价”概念的认识过程是漫长而曲折的，充满了激烈的学术争论。像道尔顿、凯库勒这样伟大的化学家，对“化合价”概念的认识中都犯过致命的根本性错误。这反映出“化合价”确实是一个比较难的概念。教材中过早地出现“化合价”概念，会给学生带来理解困难，产生无法解释的学习困惑。与“化合价”概念相比，“氧化数”概念更加简单明了，应用面更广使用更方便。
笔者在多年无机化学的教学过程中发现，由于中学阶段学生没有学过“氧化数”，只学过“化合价”，而当时又不能真正理解“化合价”的含义，所以无机化学学习时很难分辨“氧化数”与“化合价”的区别，结果两个概念都没有学好。
总之，不管从概念在中学化学教学中存在的必要性，还是概念在知识体系中的重要性，或者从概念的学习难度来看，“氧化数”比“化合价”都更加妥当，建议中学化学教材用“氧化数”替代“化合价”。
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