普通高中《化学课程标准 (实验) 》在主题3“常见无机物及其应用”中所列内容标准为:“根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究, 了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质, 能列举合金材料的重要应用”, 这是我们探讨有关问题的基点。已往的大纲和教材中讨论的化学元素虽然多于钠、铝、铁和铜, 但是它们仍然是重中之重, 这和它们常见于社会生活, 生产中应用广泛有关。此外, 和比较容易找到饶有趣味的具体事例, 选择的余地比较宽广也有一定的关系。
既然化学认为物质世界都是由化学元素组成的, 所以学习化学必须以化学元素为基础。这里所谓的化学元素, 不只局限于个别元素, 应当把化学元素作为一个整体来对待, 这是学习初等化学时必须明确的一个要点。依据元素的原子结构, 通常把元素周期表分成S、P、D、F4个区。分区的主要依据是该元素原子价电子所处的能级, 而价电子是我们分析或推测元素基本性质时的着眼点。所以通过化学学习, 使得学生通过存在于不同区域的典型元素的学习, 形成对整体元素的基本认识, 将更有利于三维教育目标的全面落实。因此选择钠、铝、铁和铜等元素为典型元素的原因, 不仅因为它们在生产或生活中出现的频率最高, 在初等化学教学中更应当关注的是它们具备了有助于较全面地了解金属元素化学的典型性。虽然人们对于很多金属元素的名称已经达到耳熟能详的程度, 实际上常见到的往往局限于它们的某种或某几种存在形态。
在学习金属元素化学时, 钠、铝和铁各具有哪些典型性呢?从现行教材中对这三个元素的取材和着眼点的不同, 可以找到这个问题的初步答案。
钠是一个常见元素, 但是它的单质在实际生活中却并不常见, 这和钠金属的活泼性有关, 所以要从观察金属钠的存放、外表和新剖面的不同、和水的作用, 以及在灼热和常温下跟空气中氧反应情况及产物的不同等方面, 来形成对钠单质的认识。同时可利用演示实验或课堂实验等来展现以钠为代表的活泼金属的特点。虽然教材中介绍了钠和氧在不同条件下生成的化合物, 可以有Na20和Na202的差别, 但是钠的化合价仍然定为+l。
铝在金属活动次序表中, 属于活泼金属之列, 也是常见元素之一。不仅因为它在地壳中的含量在金属元素中居于首位, 而且以铝单质为基体的纯铝和铝合金应用非常广泛。因为化学性质活泼, 它在常温下的空气中能够很快地生成氧化膜, 反而可以起着保护自己的作用。它在高温火焰中形成的氧化膜, 甚至可以容许包含在内的铝熔化成液体, 而不会发生剧烈的氧化。可是铝的氧化物和氢氧化物却呈现出典型的两性, 表明元素的金属性强弱和它的氢氧化物的酸碱性并不直接相关。此外在化合物中, 铝的化合价可以有+l和+3两种, 但是常见的只有+3价, 由于前者的存在条件十分苛刻。铝元素的这种潜在变价性, 在基础化学中很少涉及。
铁是人们最熟悉的金属元素之一, 由于铁金属作为制造生产和生活工具的基本材料已有长久的历史, 人们对于它的单质形态和化合状态都有丰富的感性认识。因为自然界中的铁元素主要以化合态存在, 所以铁的冶炼、铁的合金、铁质材料的腐蚀和防腐等与铁的化学相关的知识已经成为现代人的常识。但是就元素化学的角度而言。还应当通过和钠、铝的对比, 透过现象, 看到它们的本征差别。如铁和钠、铝不同, 铁属于元素周期系中的副族。它虽然属于第VIII族, 但是它的常见化合价为+2和+3。在金属活泼次序中, 铁也属于活泼金属, 但活泼性低于铝, 可是它的氧化物和氢氧化物却没有明显的两性。最具特点的是, 不仅不同价态的铁离子在水溶液有着不同的颜色, 在固态化合物中也能呈现出不同的颜色。当和铁离子相结合的离子或分子改变时, 还能引起颜色的变化。所以Fe (OH) 2的制备和在空气中逐步转化为Fe (OH) 3的过程及Fe3+的检验和鉴定实验探究, 所包含的化学教育内容, 远不止于仅仅把握住铁元素的变价性这个知识点。
虽然绝大多数金属在常温下的空气中都能和周围的氧气发生作用并生成氧化膜, 但是未必都能起着类似于氧化铝膜的保护作用, 钠和铁就是两个例子。所以, 金属 (特别是活泼金属) 在常温下和空气中氧的作用虽具有普遍性, 但是生成的氧化膜未必都能抵抗环境中某些物质的侵蚀的现象也具有普遍性。即使是同一种金属的氧化膜, 形成的条件不同时, 它们的性质也可能存在着很大的差别。更为有趣的是, 这种氧化膜很容易着色。这些性质在飞机制造、日用铝制品制造业 (包括纪念品、装饰品等) 中已经得到广泛的应用。就化学而言, 它们之间的差别, 决定于组成和结构的不同, 这是学习化学和分析解决与化学有关问题时, 必须牢牢把握的最为基本的科学原理。至于组成结构改变之后, 物质性质将产生何种变化, 或者差别会有多大, 至今尚无法做出准确的预见, 甚至于完全无法预见, 必须依靠对相关的纯净物的实验探究才能获得准确的答案或可靠的信息。这是化学是一门实验性科学的最有力的证明 (C60的发现是一个很好的例证) 。通过Na2o和Na202;Fe (OH) 2和Fe (OH) 3;NaOH、AI (OH) 3和Fe (0H) 3的学习、对比和实验探究, 就能够使学生形成如下的认识, 即物质变化的多样性和复杂性, 是客观世界丰富多彩的前提, 也是化学科学存在的基本前提之一。因而通过对化学物质的组成、结构、变化所伴随的性质变化的探究, 发现或揭露化学物质的“个性”, 以及在此基础上开展的实验和理论工作, 成了化学学科的基本特征和独特的科学视角。引导学生通过为数不多的几个典型元素的学习和经过精选的化学体系的实验探究, 形成对化学学科任务、方法和视角的初步了解, 亦即对于化学做什么、怎样做、能够做到什么程度的问题, 形成比较清晰的认识, 应当是课程标准不同于已往的大纲之处。
合金应当归属于和金属材料学相关的科学常识。但是它有助于人们形成如下的化学概念, 即合金的组成元素间可以没有化学作用, 却能有效地改变材料的某些性质, 所以形成混合物也是一种常用的改变基体金属性质 (或性能) 的有效方法。还可以延伸到在另一个层面上形成物质 (或材料) 性质与组成有关的认识。这里所指的组成概念, 已经从化合物的元素组成扩展到混合物组分中的原子、单质或/和化合物间的比率 (例如铁合金、铝合金, 还有大家熟知的黑色火药等) 。此外, 这个概念还可以进一步扩展到几乎无所不在的复合材料。应用已经十分普遍的不锈钢 (镍铬铁合金) 是一个有趣的例子。
化学课程标准中涉及的金属元素和非金属元素远不止此, 大都散见于其他主题之中。或着重于其单质的性质和应用 (例如碳、硅、金、汞和钛等) , 或被选择为形成某类反应的典型实例 (如银、铅、钡、锰等和一些常见非金属元素) , 很难形成比较完整的认识。由于它们分别呈现了元素化学的某个方面的特点, 从而可以体现出化学元素对于物质世界的多样性所起的无可替代的作用。
摘要：受教学课时和教材篇幅的限制, 在“少而精”基本原则下, 元素化学的教学受到了多次压缩, 每次压缩都是高中教材的一次优化组合, 金属元素是化学元素的重中这重, 值得思考。
关键词：高中化学,金属元素,教学反思