基于“结构决定性质”大概念统领的元素周期律复习教学

武衍杰

摘要：面对“元素周期律”教学长期存在的“元素性质替代物质性质”“机械记忆基于元素性质推理物质性质的路径”等问题，通过多角度分析教学主题内容，确定了以“结构决定性质”大概念为统领，以“Z*/r”衡量核对电子的束缚能力为抓手，以不同层次物质性质递变规律基本事实为依托，并关联化学键、微粒空间排布等结构因素，开展大概念统领的元素周期律复习教学，帮助学生从结构层面理解元素性质与物质性质相似性和递变性的原因。实践效果表明，学生在课后能基于“结构决定性质”大概念准确找到解决陌生疑难问题的认识角度，体现了基于大概念教学的迁移价值。

关键词：大概念；结构决定性质；元素周期律；Z*／r

文章编号：1008-0546（2023）10-0058-07

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.013

一、教学主题内容分析

1．教学研究现状分析

元 周期律（表）是对零散的元素化学知识进行系统化的重要工具。多年的教学实践表明该主题的教与学仍存在一些问题：（1）学生理解层面，元素性质直接等同物质性质、机械记忆基于元素性质推理物质性质的路径，但不能从结构层面理解元素性质与物质性质相似性和递变性的本质原因；（2）教师教学层面，教学仅体现“位一构一性”观念，不注重建立“位一构一性”推理路径或仅要求学生记忆推理路径。如学生能通过元素非金属性强弱推理氢化物稳定性强弱，却不理解两者为何有此联系，这种推理实质仍是机械记忆，只具有解题价值，不具有认识价值。基于实践中的问题该主题下涌现出大量教学研究，涉及教科书编制和对比分析研究[1-3]；基于一定教学理念的教学设计研究[4-6]；针对该主题的学习诊断与概念转变研究[7-8]等。其中王磊团队[9]针对该主题全面打开“位一构一性”模型作了深入研究，特别强化了基于原子结构认识元素性质，为一线教学提供了借鉴。但针对教学中如何从结构层面建立元素性质与物质性质间的联系仍缺乏强有力解释（图1），如每轮教学中都有学生追问为何最高价含氧酸酸性强弱、简单气态氢化物稳定性强弱能表征元素非金属性强弱？为什么强调“最高价”和“简单”等？这都需要从结构视角作出解释才能真正建立基于“位一构一性”的推理路径，而不是形成记忆层面的从“（元素）性质”到“（物质）性质”的非本质机械推理。

2．不同版本教材分析

分析当前四套教材[10-13]中有关元素周期律内容的组织编排特点，可为教师进一步认识该主题的素养功能、设计教学活动和策略提供参考，4个版本教材的章节体系如表1。

结合表1及教科书具体内容可知，四个版本教材都将本部分置于“物质结构”主题背景下，其中“人教版”“鲁科版”和“苏教版”均采取基于原子结构认识元素周期律的编排方式，而“沪科版”采取先认识元素周期律事实再用原子结构解释的编排方式。两种编排方式都体现了结构决定性质的观念。但不同的是除“鲁科版”教材外，其他三个版本教材均将“化学键”内容与元素周期律内容并行安排，体现物质性质不仅与微粒结构相关还与微粒间作用有关。特别是“苏教版”教材，还编排了基于“微粒空间排布”认识物质结构和性质，赋予了学生较为完整的基于“微粒结构一微粒间作用一微粒空间排布”认识物质性质的多重视角，这样的编排利于纠正学生将物质性质等同元素性质（只由原子结构决定）的错误观念。“鲁科版”教材的优势是强化了“元素周律”在研究陌生元素及其化合物性质中的预测功能。可见元素周期律的教学要置于认识元素及其物质性质的大背景下，充分发挥原子结构解释（预测）元素性质和物质性质的工具性作用，在“物质结构”主题背景下注意引导学生认识影响物质性质的多重结构因素。基于上述分析尝试以“结构决定性质”大概念统领元素周期律内容复习。

3．“结构决定性质”大概念对教学内容的统领性分析

大概念是一类具有抽象性、概括性和广泛迁移价值的学科思想和观念。[14]因此大概念的“大”不仅体现在其逻辑上是上位的，更体现在建构的大概念能带给学生分析问题、解决问题稳定的认识视角。“结构决定性质”是统领元素周期律复习的大概念，一方面其高度概括了以“元素周期律”内容为核心的知识及知识结构，如原子结构、元素性质和物质性质的递变规律及其两者间的关系等，另一方面赋予学生“性”依赖于“构”“构”决定“性”的学科观念。学生在化学学习中紧紧抓住“结构”这一关键要素，形成富有逻辑的认识物质的思维方式，如要认识元素性质，必须认识原子结构，要认识元素性质的递变规律，必须认识原子结构的递变规律，认识宏观物质性质亦是如此。因此“结构决定性质”不仅在主题内容知识上具有统领性，还外显了问题解决的思路方法。

二、“结构决定性质”大概念统领的元素周期律复习策略选择

1．基于Z*／r衡量核对电子的束缚能力，认识原子结构与不同层次物质性质的关系

物质的性质是由结构决定的，基于物质结构的尺度，可将物质分为原子、分子（离子）、宏观物质等三个层次（图2），任一层次物质的性质都与原子核外电子的行为有关。因此在元素周期律教学中除了要建立原子结构与元素性质的关系，还要认识原子结构对宏观物质性质的影响。影响原子核外电子运动的结构因素主要是有效核电荷Z*和原子半径r，有效核电荷越大，半径越小，核对外围电子的束缚作用越强，因此可以用它们的比值表征原子核对外层电子的吸引作用。此外基于电性作用Z*／r在物质层面还具有另一层次的含义，在无机化学上Z*还可表示阳离子所带电荷，Z*／r也称離子势，可用于评估阳离子En+的电场强弱，离子势越大，电场越强，则E叶对其结合的原子吸引就越强，可以想象Z*／r值的变化将深刻影响物质的相关性质。图3呈现了在课程标准要求范围内基于Z*／r对不同层次物质性质的解释。因此以Z*／r为抓手，建立原子结构与不同层次物质性质的关联，是后续进行复习课教学设计的基础。

2．“物质结构”主题背景下的“元素周期律”复习要关联影响物质性质的多重因素

传统的“物质结构”主题背景下的元素周期律教学对物质性质的认识只关注原子结构因素，忽略了化学键、晶型等对物质性质的影响，造成学生元素性质与物质性质不分或元素性质等同物质性质。如很多学生认为N非金属性较强，N较活泼，推理出N2性质也很活泼的错误结论。“苏教版”必修教材的编排对如何设计教学纠偏学生的错误观念有启示作用，其将微粒间作用和微粒空间排布对物质性质的影响与元素周期律内容安排在同一专题，赋予学生较为完整的基于“微粒结构一微粒间作用一微粒空间排布”认识物质性质的多重视角。建议完成必修“物质结构”主题内容的学习后，在基于原子结构认识物质性质的基础上，发展学生基于化学键、微粒空间排布等视角认识物质性质的能力。当然必修阶段的教学要求仅限于了解水平，其主要目的在于引导学生全面认识影响宏观物质性质的结构因素，而不能盲目加深知识难度。至此，可建构基于物质性质（包括元素性质）的递变规律为基本事实，基于Z*／r（表征核对电子的束缚）、化学键、微粒空间排布等为核心概念，支撑大概念发展的概念層级结构（图4）。

三、“结构决定性质”大概念统领的元素周期律复习设计

1．教学目标

大概念统领的化学教学主要存在导引式和提升式两种形式，导引式是指在单元教学的开篇进行大概念建构，提升式是指在单元教学的结尾进行大概念建构。[15]“结构决定性质”大概念视角下的元素周期律教学，是学生高一必修阶段完成“物质结构”主题下“原子结构、元素周期律（表）、化学键”等内容后开展的一节提升式复习教学。具体教学目标如下：

（1）基于同主族、同周期元素性质的递变规律，能从原子结构的角度自主分析结构与性质的内在联系，以“Z*/r”衡量核对电子的束缚为大概念建构的抓手，形成从原子结构到元素性质的完善推理路径。

（2）基于同主族、同周期物质性质的递变规律，应用“Z*／r”自主解释物质性质呈现周期性变化的原因，形成从物质结构到物质性质的本质推理路径。

（3）基于元素性质与物质性质区别，认识化学键、微粒空间排布对物质性质的影响，丰富影响物质性质的认识视角，认识影响物质性质的多重因素。

2．教学流程

遵循建构大概念、应用大概念、丰富大概念的教学逻辑，基于基本事实和核心概念进行大概念建构，丰富学生基于多重结构因素认识不同层次物质性质的能力，教学流程如图5。

3．教学实施

（1）基于原子结构预测元素性质——建构大概念

【教师提问】“结构决定性质”是化学学习的大概念。通过前面元素周期律内容的学习，已经知道，元素性质与原子结构密切相关。元素性质在周期表中的递变规律如何？

【学生】同周期从左到右，半径逐渐减小，元素原子的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强，最高正价逐渐增大；同主族从上到下，半径逐渐增大，元素原子的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。

【探寻关键结构要素】金属性、非金属性强弱是原子核对核外电子束缚能力的表征，你认为核对电子的束缚能力与什么有关，依据是什么？

【学生】与原子的半径和原子的核电荷有关。初中物理学过库伦定律表明两电荷间的作用力的大小跟电荷量的乘积成正比、与它们之间的距离成反比，即F=k （q1 q2）/r2，原子核和核外电子都可以抽象为带电的粒子。

【教师追问】那能否从原子结构的角度完整对元素性质的递变规律进行推理？

【学生】同周期从左到右，电子层数相同，元素原子的核电荷数逐渐增大，半径逐渐减小，核对外围电子的吸引作用逐渐增强，得电子能力逐渐增强；同主族从上到下，电子层数逐渐增加，半径逐渐增大，核对外围电子的吸引作用逐渐减弱，失电子能力逐渐增强。

【突出矛盾点】同主族从上到下，核电荷数也在逐渐增加，根据库仑定律会造成核与电子间的相互作用增强，如何理解其与半径增大造成核与电子间相互作用减弱之间的矛盾。

【学生】核电荷数增加与半径增大是影响核与电子间相互作用的一对矛盾，同主族从上到下半径增大占据主要矛盾，相当于在库仑定律中分母增加的幅度更大，因此同主族从上到下核与电子间的作用减弱。

【教师梳理】突出主要结构要素对元素性质的影响（图6）。

【外显大概念的认识角度】既然核电荷越大①、半径越小核对电子的吸引作用越大，那就要综合考虑两者对电子行为的制约作用，能否将这两个要素进行统整。

【学生】结合库伦定律，可以对两者作商，Z术／r值越大，核对电子的吸引作用越强。

【教师补充】其实化学家就是用Z*／r表征原子核对外层电子的吸引作用。此外这里的Z术也可表示阳离子所带的电荷，因此这个比值也称为离子势，可用于评估阳离子En+的电场强弱，离子势越大，电场越强，则E叶对其结合的原子吸引就越强。也就是说我们建构的Z*／r模型不仅可以表征原子层面核对电子的吸引作用，也可用于表征分子（广义分子）内部核对电子的吸引作用，即原子结构还可以用来解释、预测物质性质。

（2）基于原子结构解释、预测物质性质——应用大概念

【教师提问】根据元素周期律的知识，如何建立元素性质与物质性质间的联系？

【学生】元素原子的金属性强弱可通过单质的还原性、最高价氧化物对应水化物的碱性强弱判断；元素原子的非金属性强弱可通过单质的氧化性、最简单氢化物的稳定性、最高价氧化物对应水化物的酸性强弱判断。

【教师设疑】大家有没有思考过为什么可通过上述方法进行互相推理，其本质原因是什么？以金属性强弱判断的方法为例，大家尝试解释一下。

【学生讨论汇报1】引导学生应用Z*/r进行解释。原子Z*/r越大，夺取电子的趋势越大，失去电子的趋势越小，因此同周期从左到右对应单质的氧化性越来越强，还原性越来越弱；同主族从上到下对应单质的还原性越来越强，氧化性越来越弱。

【教师追问】能否基于Z*／r解释最高价氧化物对应水化物的碱性强弱的递变规律？

【学生讨论汇报2】碱性强弱即为电离出OH一的能力，各元素所对应的碱可简化表达为E-O-H形式，En+的离子势越大，则En+对02-的吸引作用越强，则电离出OH一的能力越弱，碱性越弱。同周期从左到右，离子势逐渐增大（中心离子电荷增加，半径变小），碱性逐渐变弱，如碱性NaOH>Mg（OH）2>Al（OH）3；同主族从上到下，离子势逐渐减小（中心离子电荷相同，半径变大），碱性逐渐变强，如碱性LiOH

【教师追问】很好，同学们能基于微粒间的静电作用关联化学键知识，是一个很好的想法。从静电作用的角度思考，如果En+对O2-的吸引非常强，可能会造成什么影响？

【学生思考】这种吸引力可能会传导至O-H键上，使O-H之间的共用电子对更偏向于O，相当于削弱了O-H键，有可能会电离出H+。

【教师追问】从这个角度你能尝试解释为什么AI（OH）3显两性吗？

【学生讨论汇报4】在Al3+的影响下（离子势非常大，削弱了O-H键），造成A13+与02-的作用力大小和O-H之间的作用力大小差不多，所以既有可能电离出OH一，也有可能电离出H+，断键方式如图7②。

E+O+H

碱酸

图7 断键方式

【教师总结】我们从结构的角度理解了氢氧化铝呈两性的原因，可以想象，元素的离子半径越小，离子所带的正电荷越大，那么En+对O2-的吸引作用就越强，在水溶液中越容易电离出H+，酸性越强，反之碱性越强。那你现在能解释最高价含氧酸酸性的递变规律了吗？

【学生汇报】学生基于Z*／r解释酸性HClO4>H2SO4>H3PO4; HNO3>H3PO4等。

【教师追问】为什么酸性比较时，强调最高价。（要求学生写出HC1O4和HCIO的电子式，提示除H外都达八电子稳定结构，建议从结构的角度分析原因）

【教师引导，学生分析】根据提示画出图8所示的电子式，发现在非最高价含氧酸中，中心元素原子会存在未共用的电子，而这些未共用的电子会对中心原子吸引电子的能力造成不同程度的削弱（电子间排斥），这样就不具有可比性了。因此，强调最高价是为了在统一标准的前提下比较元素最大吸电子能力。

【教师提问】如何基于Z*/r解释最简单氢化物稳定性的递变规律？

【学生汇报】比较简单氢化物稳定性同样可以构建E-H键连模型，Z*/r的值越大，核对共用电子对的吸引作用越强，共价键越不容易断开，稳定性越强。例如同周期从左到右Z*／r的值变大，简单氢化物稳定性增强。

【教师追问】为什么强调最简单氢化物呢？

【学生】类比最高价含氧酸的问题，应该也是为了统一标准。根据E-H键连模型，强调的是中心原子与H之间的共价键强度，如果不是最简单氢化物的话可能会有其他化学键的干扰，比如H202中，过氧键就不稳定，就不能作为O与其他元素非金属强弱比较的氢化物。

【迁移应用】介绍对角线规则，列举基于对角线规则下物质性质相似性的事实，引导学生运用Z*／r进行解释，诊断学生迁移应用能力。

【学生汇报】学生基于处于对角线位置几种元素核电荷和半径的变化规律，发现处于对角线位置的几种元素其Z*/r非常接近，因此性质相似，再一次论证了结构与性质的密切联系。

（3）基于多重结构视角认识物质性质一丰富大概念

【教师过渡】原子结构与元素性质、物质性质密切相关，是否物质性质只与原子结构相关呢？展示金刚石、石墨、石墨烯、足球烯等几种碳单质的结构（图9），并介绍其性质千差万别，提问可能原因是什么。

【学生】学生通过观察几种物质的结构发现碳原子的空间排布不同，导致了它们性质的差异。

【教师提问】大家画出N和N2的电子式，预测两者性质的差异及其造成这种差异原因，并通过相关事实论证。

【学生分析】学生通过电子式分析两者结构发现，N原子得电子能力强，非金属性较强，但N2分子中存在三根化学键，使得氮气性质非常稳定。并以氮气在空气中稳定存在、需在放电条件下才能与氧气发生反应等事实进行论证。

【教师梳理，丰富大概念认识角度】可见影响物质性质的因素不是单一的，除了微粒种类（结构）外，微粒间的相互作用和微粒的空间排布也都是影响物质性质重要因素（图10）。未来的学习中，将更深入地研究微粒作用和微粒空间排布等因素是如何影响物质性质的。

四、教学实践效果

学生通过本节课的学习，能否依赖大概念在迁移问题中稳定地形成分析物质性质的结构视角，是检验本节课教学效果的标准。在设计测试问题时，考虑尽可能避免采用学生熟悉的知识点，防止仅靠回忆解决问题，同时又要能基于大概念的认识角度作为抓手进行分析。因此在授课结束后，设计了基于对陌生物质性质递变规律的“异常”进行分析解释的问题。试题如下：已知Al和Ga是同一主族的元素，两种元素对应的最高价氧化物的水化物的碱性强弱不符合物质性质递变规律，强弱为AI（OH）3>Ga（OH）3，从原子结构的角度对上述事实尝试解释。这一任务在学生未学习过d电子云空间分布较为弥散，造成屏蔽效应减小的内容前，是难以作出准确回答的。但我们并不期望学生给出标准答案，而是希望学生能够主动调用Z*/r这一抓手，给出“相比于A1来说，Ga核电荷Z*的增加幅度超过了原子半径r的增加幅度，造成Z*／r的值增大，对应碱的碱性减弱这样的分析思路”即可，这是问题解决的关键思路。根据学生作答，80%以上的学生都能基于核电荷和半径增大对外围电子吸引相互制约的角度进行较为准确的描述。充分体现了大概念的迁移价值。

但需要说明的是虽然Z*/r对元素性质和物质性质递变规律具有很强的解释力，但也要注意不能将其作为一个放之四海而皆准的规律，例如元素性质还与原子构型有关，任何理论都有其适用范围。我们引入Z*/r的主要目的是赋予学生认识元素性质和物质性质的结构视角，让学生能基于结构视角理解元素性质和物质性质的递变规律而不是死记硬背。

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