元素及其化合物所表现出的性质和反应现象是化学中真实且客观的存在，它既能帮助我们探索实验规律或创建实验理论，又能帮助我们判断现有理论的实用性和局限性，是化学教学的重要内容之一。于日常教学而言，它一方面引导学生去深入了解和理解已有的化学规律或化学理论；另一方面，对于有些尚不能用现有规律或理论解释的实验现象，则能引发学生的思考，激励他们在化学世界里进一步探索事物的真相，从而给出新的解释甚或创建新的理论。元素化学学习的重要性由此可见一斑。

然而，元素化学的“教”和“学”似乎都不是那么容易。一方面，元素化学的内容主要是描述化学事实，尽管研究前沿不断有新的化合物被报道，但教师讲授这部分内容仍难免枯燥乏味，味同嚼蜡；另一方面，学生本就觉得元素化学的内容繁杂，加上不断出现的新的化合物，更加让他们感到元素化学知识无规律可循，无所适从。

现有的无机化学教材体系都是将基础化学原理和元素化学分成两部分编写。事实上，基础化学原理的学习需要以元素及其化合物为载体，我们不可能脱离这个载体去讲授基础原理。相应地，元素及其化合物的反应规律需要通过基础理论进行分析和理解。因此，元素化学与理论化学的教学不是彼此独立，而是相得益彰的，要想将二者充分融合，教学内容的组织尤为重要。本文以教材中描述相对较少的硒和金两个元素为例，讨论元素化学教学内容的组织过程，即将元素反应性质和理论基础知识结合，保证实践与理论相结合；同时辅以科学前沿研究的内容作为教学素材，增加元素教学的趣味性和时效性。

硒元素位于元素周期表第四周期第六主族，是氧族元素中的第三个元素。常用教材对其介绍并不多，比如未对其同位素$ _{34}^{82}\text{Se} $进行介绍，事实上$ _{34}^{82}\text{Se} $是第一个成功观测到双β衰变现象的原子核，其双β衰变的反应方程式为$ _{34}^{82}\text{Se} $ → $ _{\text{36}}^{\text{82}}\text{Kr} $ + 2e⁻，这在科学史上是非常重要的发现。

通常认为硒为稀有元素，在自然界中和一些硫化物矿伴生在一起，因此电解精炼铜时的阳极泥成为提取硒的主要原料。那么现在有以下几个问题是在教学过程中要向学生阐明的：

(1) 湖北省恩施市是迄今为止报道的“全球唯一探明独立硒矿床”的所在地，被誉为“世界硒都”。

(2) 既然有独立的硒矿床，为什么不直接从矿石中提取硒？

(3) 帮助学生理清从电解精炼铜的阳极泥中提取硒的主要过程和原理。

湖北省恩施市存在独立硒矿床是个客观事实，但是从矿石中提取硒单质的技术尚不成熟，因此电解精炼铜时的阳极泥仍然是提取硒的主要原料。告诉学生这一事实，等于告诉学生一个未解的课题，有利于激发学生的探索兴趣。阳极泥中的硒主要以硒化物的形式存在，其典型步骤为将混有碳酸钠的阳极泥于650 ℃在空气中燃烧，然后浸水过滤；滤液用稀硫酸中和后，过滤得亚硒酸溶液；往该溶液中通入SO₂，沉淀出Se单质^[1]。涉及到的主要反应方程式如下：

$ \begin{aligned}& \mathrm{Ag}_2 \mathrm{Se}+\mathrm{Na}_2 \mathrm{CO}_3+\mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{Ag}+\mathrm{Na}_2 \mathrm{SeO}_3+\mathrm{CO}_2 \\& \mathrm{Cu}_2 \mathrm{Se}+\mathrm{Na}_2 \mathrm{CO}_3+2 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{CuO}+\mathrm{Na}_2 \mathrm{SeO}_3+\mathrm{CO}_2\end{aligned}$

现在的问题是，如果不加碳酸钠进行焙烧，写出的总反应方程式如下：

$\begin{aligned}& \mathrm{Ag}_2 \mathrm{Se}+\mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{Ag}+\mathrm{SeO}_2 \\& \mathrm{Cu}_2 \mathrm{Se}+2 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{CuO}+\mathrm{SeO}_2\end{aligned} $

此时可直接得到SeO₂，可工业上为何要加入碳酸钠呢？就此，在教学活动中可以进行设问，鼓励学生去查找资料进行解答。

事实上，查找资料不难发现SeO₂在常压下的升华温度是315 ℃，不加碳酸钠直接焙烧的结果是SeO₂会直接挥发。通入SO₂还原亚硒酸的步骤是硒元素抗氧化性的显著体现。

$ \mathrm{H}_2 \mathrm{SeO}_3+2 \mathrm{SO}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Se}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4$

硒的氢化物H₂Se的性质与H₂S类似。同族元素相比，Se与C、N和O结合形成多重键的可能性明显下降。如稳定顺序CO₂ > CS₂ > CSe₂，且CSe₂极易聚合。同样的SO₂是非线性气态分子，而SeO₂则是链状聚合物(图 1) ^[1]。

Se的含氧酸主要是亚硒酸(H₂SeO₃)和硒酸(H₂SeO₄)。亚硒酸为白色晶型固体，易脱水形成SeO₂，因此可由SeO₂的水溶液缓慢结晶制备H₂SeO₃。无水硒酸是粘稠的液体，能结晶形成白色易潮解的固体(熔点为62 ℃)。硒酸具有强氧化性，不仅能溶解Ag，而且能溶解Au和Pd，在Cl⁻存在时，也能溶解Pt。硒酸溶解Au的反应方程式如下：

$ 2 \mathrm{Au}+6 \mathrm{H}_2 \mathrm{SeO}_4 \rightarrow \mathrm{Au}_2\left(\mathrm{SeO}_4\right)_3+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{SeO}_3+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$

Se的卤化物有多种，但大多数不稳定，其中最重要的要数SeCl₄。SeCl₄在熔融状态是良好的导电体，当体系中有强的Cl⁻接受体(路易斯酸)存在时，可解离为SeCl₃⁺。比如GaCl₃和SeCl₄可在室温下发生反应，生成离子型化合物[SeCl₃][GaCl₄]分离出来^[2]。2021年，将等摩尔数的SeO₂、SeCl₄和GaCl₃于50 ℃反应，得到了具有强二次谐波响应(second harmonic generation，SHG)的无机分子材料GaSeCl₅O (图 2) ^[3]，其反应方程式及分子结构如下：

$ \mathrm{SeO}_2+\mathrm{SeCl}_4+\mathrm{GaCl}_3 \rightarrow \mathrm{GaSeCl}_5 \mathrm{O}+\mathrm{SeOCl}_2 $

GaSeCl₅O在800 ℃惰性气氛中发生热分解，生成Ga和Se的卤化物和氧化物：

$5 \mathrm{GaSeCl}_5 \mathrm{O} \rightarrow 4 \mathrm{SeCl}_4 \uparrow+3 \mathrm{GaCl}_3 \uparrow+\mathrm{SeO}_2 \uparrow+\mathrm{Ga}_2 \mathrm{O}_3 $

Se的卤氧化物SeOCl₂是一种有用的极性溶剂，这主要是由于Cl⁻的转移而形成的自身离子型解离：

$ 2 \mathrm{SeOCl}_2 \rightleftharpoons \mathrm{SeOCl}^{+}+\mathrm{SeOCl}_3^{-}$

学习元素性质还有一个非常重要的方法就是类比找相似，Se的其他化合物的性质可以通过与S的化合物做类似的对比类推学习，这里不做详述。

在教学内容中引入Se元素的特殊性、Se单质的提取、Se的化合物的特殊性质以及最近文献报道的关于Se的化合物的研究及其理论分析，使得对Se元素的教学既来源于教材，又不局限于教材，教学内容被大大丰富，有利于提高学生的学习兴趣和对未知世界的好奇心。

Au位于元素周期表第六周期第I副族，是铜副族元素的最后一个元素。然而，平时在授课过程中，教学重点大都放在铜和银上，一方面是前二者在基础实验室更常见，另一方面，我们习惯性地认为Au的性质相对不活泼，所以关注得少。事实上，涉及到Au的化学反应及其化合物通常有不少特殊性。

现今单质金的提取多用“氰化法”，即用鼓入空气的氰化物稀溶液将金从矿石中浸取出来，

$4 \mathrm{Au}+8 \mathrm{NaCN}+\mathrm{O}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow 4 \mathrm{Na}\left[\mathrm{Au}(\mathrm{CN})_2\right]+4 \mathrm{NaOH}$

然后加入锌粉，将金还原沉降制得^[4]。该过程涉及到氧化还原反应中的条件电势、配合物等基本原理的应用，可以设计成相关计算题来帮助学生回顾并更好地理解这一提取过程。

例：已知E^ϴ(Au⁺/Au) = 1.68 V，E^ϴ(O₂/OH⁻) = 0.401 V，K^ϴ稳([Au(CN)₂]⁻) = 2.0 × 10³⁸，K_a^ϴ(HCN) = 4.93 × 10⁻¹⁰。(1) 写出“氰化法”从矿石中浸取金的半反应方程式；(2) 依据已有数据计算E^ϴ([Au(CN)₂]⁻/Au)的标准电极电势；(3) 依据计算结果说明“氰化法”从矿石中浸取金的可行性。

解：

(1) 4Au + 8CN⁻ → 4[Au(CN)₂]⁻ + 4e⁻

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

(2) E^ϴ([Au(CN)₂]⁻/Au)的标准电极电势即为CN⁻和[Au(CN)₂]⁻的浓度为1 mol∙dm⁻³时电对Au⁺/Au的非标准电极电势。

$\begin{aligned}E^{\Theta}\left(\left[\mathrm{Au}(\mathrm{CN})_2\right]^{-} / \mathrm{Au}\right) & =E\left(\mathrm{Au}^{+} / \mathrm{Au}\right)=E^{\ominus}\left(\mathrm{Au}^{+} / \mathrm{Au}\right)+0.059 \log \left(c\left(\mathrm{Au}^{+}\right) / c^{\ominus}\right) \\& \left.=1.68-0.059 \log K_{\text {稳 }}^{\ominus}\left[\mathrm{Au}(\mathrm{CN})_2\right]^{-}\right) \\& =-0.579 \mathrm{~V}\end{aligned}$

(3) 从计算结果可知E^ϴ([Au(CN)₂]⁻/Au) < E^Ө(O₂/OH⁻)，因此，在有CN⁻存在时，O₂氧化Au成为[Au(CN)₂]⁻是可行的。

Au也可溶解在王水里，发生如下反应：

$ \mathrm{Au}(\mathrm{s})+3 \mathrm{NO}_3^{-}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow\left[\mathrm{AuCl}_4\right]^{-}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$

在这个反应里，同样是因为Cl⁻与Au^III的配位，降低了相应电对的电极电势。

Au元素的常见性质可参见常用教材。Au的电负性为2.4，与Se的相等，与S和I的电负性接近，因此其与电负性小的金属结合时，可带负电荷，典型的例子是CsAu。将金属Au与过量的金属Cs在真空623 K时反应，可得到CsAu，其性质更类似于盐，而不同于合金的性质，其中Au以Au⁻存在。然而，寻找Au⁻独立存在的实验证据经历了很长时间。金黄色的CsAu溶于液氨中得到透明的黄色溶液，且表现出较高的导电率，这表明CsAu在液氨中存在着电解离，且通过离子交换法可由CsAu制得无色的[N(CH₃)₄]Au，这些都表明CsAu是离子型的化合物。但是CsAu的液氨溶液经浓缩后，得到的不是我们期待的黄色晶体，而是深蓝色的晶体，将该晶体加热至225 K左右，得亮黄色晶体(图 3)。深蓝色的晶体结构如图 4所示，研究表明其化学式应为CsAu∙NH₃，深蓝色源于氨合电子的存在，类似于碱金属的液氨溶液^[5]。

Au的二元卤化物中多以氧化数+3为主，三氯化金在气态和固态都呈平面二聚结构(Au₂Cl₆) (图 5)。

Au₂Cl₆溶解在盐酸里得到稳定的[AuCl₄]⁻离子，此时往溶液中加入CsCl，沉降出Cs[AuCl₄]。Cs[AuCl₄]受热发生分解，生成化学式为CsAuCl₃的化合物，该化合物实质上是混合价态化合物，包含有Au^I和Au^III两种离子，且其晶体结构中的配位几何构型会随着压强的改变而发生改变，常压下，Au^I采用压扁的八面体配位(可近似看作二配位)，而Au^III采用拉长的八面体配位(可近似看作平面四配位)，随着压强的增大，八面体逐渐趋于正常，所有的[AuCl₆]配位单元都是等价的(图 6)，此时Au的氧化数可看作+2 ^[6]。

事实上，CsAuI₃在300 K时，也表现出相似的晶体结构特征(图 7)，常压下，Au^I与I⁻形成Au^II₂配位单元，Au^III与I⁻形成Au^IIII₄配位单元^[7]。

Au及其化合物的其他常见性质这里就不多述，他们可以通过与Cu、Ag类比进行掌握。

Au在日常教学内容中以其单质的冶炼为主，在本文的教学活动中，将常规教学中以介绍为主的冶炼过程变成以题目的形式出现，促使学生主动将理论知识与实践结合。同时引入了文献探讨较多的Au作为负离子形成化合物的内容，以及压强不同时，CsAuX₃ (X = Cl、I)中Au与X配位模式的改变，引导学生学习时要摆脱思维定式，尊重客观事实，同时培养学生勇于探索的研究精神。

元素化学教学既不能脱离基础理论，又不能离开现代化学的前沿研究，前者是理论与实践的结合，后者则能让学生感受到元素化学的趣味性和时代性。教师可以通过类比、阅读经典文献编写题目、引入现代研究前沿的内容来让元素化学的授课内容和教授方式更加有趣多样。