高中化學(xué)新課程《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》選修模塊學(xué)科問(wèn)題訪談錄

1、高中化學(xué)新課程物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選修模塊學(xué)科問(wèn)題訪談錄訪北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院結(jié)構(gòu)化學(xué)專(zhuān)家李宗和教授陳穎 王磊* 本文通訊作者（北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院化學(xué)教育研究所 100875）高中化學(xué)新課程將物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)構(gòu)）設(shè)置為單獨(dú)的選修模塊，其目的是為了使學(xué)生了解人類(lèi)探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要意義和基本方法；研究物質(zhì)構(gòu)成的奧秘；認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系；提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在此目標(biāo)的統(tǒng)領(lǐng)下，模塊的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)內(nèi)容與以往課程相比發(fā)生了很大的變化，一些結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)科核心概念如：四個(gè)量子數(shù)、原子軌道、電離能、電負(fù)性、晶格能等在新課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)或教材中出現(xiàn)。在新課程推廣實(shí)施的近四年以來(lái)，實(shí)驗(yàn)區(qū)的一

2、線教師普遍對(duì)結(jié)構(gòu)模塊報(bào)有畏懼心理，認(rèn)為該模塊概念原理集中、對(duì)老師和學(xué)生來(lái)說(shuō)抽象難懂、學(xué)科的核心思想難以把握、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)無(wú)從入手，等等。許多教學(xué)第一線的老師提出：結(jié)構(gòu)化學(xué)的核心概念有哪些？在化學(xué)學(xué)科中結(jié)構(gòu)化學(xué)處于什么地位？對(duì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展有哪些價(jià)值和意義？哪些內(nèi)容是一個(gè)現(xiàn)代公民的基本科學(xué)素養(yǎng)所必需的？哪些內(nèi)容是具有科學(xué)潛質(zhì)的未來(lái)科學(xué)家中學(xué)階段所必需的？怎樣使學(xué)習(xí)該模塊的中學(xué)生體悟和領(lǐng)會(huì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的奧妙所在？帶著這些疑問(wèn)，筆者與北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生導(dǎo)師、結(jié)構(gòu)化學(xué)專(zhuān)家李宗和教授進(jìn)行了系列訪談，希望能夠藉此向讀者展現(xiàn)出一位學(xué)科專(zhuān)家對(duì)此的領(lǐng)會(huì)和感悟，從而對(duì)新課程一線的廣大教師有所啟迪和幫助，推動(dòng)

3、新課程的順利實(shí)施。筆者：李老師，現(xiàn)在的高中化學(xué)新課程已經(jīng)把物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)作為一個(gè)單獨(dú)的模塊進(jìn)行了設(shè)置，很多老師有這樣的疑問(wèn)，為什么要單獨(dú)設(shè)置物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這樣一個(gè)模塊？您能否從學(xué)科專(zhuān)家的角度來(lái)談?wù)勀鷮?duì)此問(wèn)題的看法。李教授：化學(xué)的主要任務(wù)之一是為人類(lèi)的生存與發(fā)展的各種需要而發(fā)現(xiàn)和制造各種具有特定性質(zhì)的新物質(zhì)，而這些新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)難以預(yù)測(cè)，新物質(zhì)的制造又需要經(jīng)歷一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。在此過(guò)程中需要解決3個(gè)問(wèn)題：一是新物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)，二是如何選擇一條最優(yōu)的路線合成它，三是按照這條路線合成的新物質(zhì)的產(chǎn)率究竟有多大。這些正是現(xiàn)代化學(xué)的主要研究任務(wù)，我把它概括為“分子剪裁和分子設(shè)計(jì)”?！?分子剪裁”是為獲得

4、合成此性能分子所用的原料提出方法；“分子設(shè)計(jì)”是為新物質(zhì)提供結(jié)構(gòu)并給出最優(yōu)的合成方法。在國(guó)際上，這項(xiàng)工作上世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始了，比如研究新的藥物、研究新的材料、人工模擬蛋白質(zhì)、還有人工模擬其他一些物質(zhì)的合成等等。合成新物質(zhì)人們首先要知道它們的結(jié)構(gòu)，再知道合成路線，最后才開(kāi)始合成，因此，現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展需要一些新的理論來(lái)指導(dǎo)，而這個(gè)新的理論就是結(jié)構(gòu)化學(xué)，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)在現(xiàn)代化學(xué)中擔(dān)當(dāng)了一個(gè)非常重要的角色。對(duì)于中學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，他們應(yīng)該對(duì)這方面的知識(shí)要有所了解，不管以后是從事化學(xué)還是從事其他方面的工作，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)有所了解對(duì)他們以后的發(fā)展是非常有意義的。筆者：李老師您能不能

5、接著給我們談一下，新課程中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這樣一個(gè)模塊設(shè)置之后，要幫助學(xué)生建立的最核心觀念是什么？李教授：結(jié)構(gòu)化學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活是緊密聯(lián)系在一起的，而且它關(guān)系到人類(lèi)的生存與發(fā)展。在現(xiàn)代化學(xué)中最關(guān)鍵的概念，我認(rèn)為有兩個(gè)：一個(gè)是軌道，一個(gè)是量子。在原子、分子中的電子及原子核的運(yùn)動(dòng)與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)是大不相同的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)法用確切的位置和動(dòng)量來(lái)描述，只能用某個(gè)狀態(tài)函數(shù)來(lái)表述。我們把原子、分子中單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就稱(chēng)為軌道。軌道這個(gè)概念已經(jīng)不是原來(lái)意義上的一條直線或一條曲線，是個(gè)廣義概念，它表示粒子一系列的連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表示了粒子的真實(shí)存在。對(duì)于粒子來(lái)說(shuō)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)際上表征著它本身具有的

6、物理量，如能量、角動(dòng)量等。在原子、分子和原子核中，電子運(yùn)動(dòng)的物理量是用能量、角動(dòng)量等來(lái)進(jìn)行標(biāo)志的，它的運(yùn)動(dòng)跟宏觀物體運(yùn)動(dòng)不一樣，宏觀物體運(yùn)動(dòng)的物理量變化是一點(diǎn)一點(diǎn)的、連續(xù)不斷的。比如人跑步不可能一下子就能跑到每秒10米，是一點(diǎn)一點(diǎn)加速起來(lái)的。在原子和分子中電子就不一樣，運(yùn)動(dòng)從一種狀態(tài)進(jìn)入到另外一種狀態(tài)，物理量的變化是不連續(xù)的、間斷的。就像人下臺(tái)階似的，從這個(gè)臺(tái)階下到第二個(gè)臺(tái)階，中間是停不住的。這種運(yùn)動(dòng)我們稱(chēng)為是量子化的。人們就把原子和分子當(dāng)中這種不連續(xù)變化的物理量的最小單位叫做量子。在原子和分子的物理世界中，特殊的、與一般宏觀世界不一樣的地方就是運(yùn)動(dòng)的變化是不連續(xù)的、量子化的，物理量的量子化是

7、原子、分子世界的本質(zhì)特征之一。筆者：那么，四個(gè)量子數(shù)和您說(shuō)的量子是一種什么樣的關(guān)系？李教授：學(xué)習(xí)化學(xué)首先要了解原子、了解分子，再一步一步地?cái)U(kuò)展。描述原子當(dāng)中單電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們就叫原子軌道。原子中單電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量能量、角動(dòng)量用什么來(lái)標(biāo)志呢?是靠量子數(shù)來(lái)標(biāo)志的。如在氫原子當(dāng)中，用了四個(gè)量子數(shù)：一個(gè)是n（主量子數(shù)）；一個(gè)是l（角量子數(shù)）；一個(gè)是m（磁量子數(shù)）；一個(gè)是ms（自旋量子數(shù)），這四個(gè)量子數(shù)表示什么呢？它表示氫原子當(dāng)中電子的能量如何、總角動(dòng)量如何、總角動(dòng)量在磁場(chǎng)上的分量如何、自旋的角動(dòng)量如何，這四個(gè)量子數(shù)就完全描述氫原子的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這些量子數(shù)中，除了自旋量子數(shù)ms以外，其他量子

8、數(shù)首先都是從解氫原子狀態(tài)方程獲得的，但這些量子數(shù)后來(lái)都被實(shí)驗(yàn)一一所證實(shí)，這些實(shí)驗(yàn)包括原子吸收、發(fā)射光譜等（圖1）。圖1 氫原子光譜氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)就證實(shí)了這些。首先，氫原子光譜是線狀光譜證明了在原子世界中物理量的變化是不連續(xù)的、量子化的，每一條譜線標(biāo)志一定的能量，這些能量就檢驗(yàn)了量子數(shù)n的正確性。其次，電子在躍遷的時(shí)候，總要遵循一項(xiàng)規(guī)則（角量子數(shù)差為1），電子躍遷的規(guī)則實(shí)際上就表示了l量子數(shù)的存在，在外磁場(chǎng)下同一條線可以分裂成多條譜線，多條譜線的分裂是由于m量子數(shù)的存在而造成的。另外，如果我們用非常精細(xì)的高級(jí)光譜還可以看到更細(xì)致的分裂，而更細(xì)致的分裂是由于自旋量子數(shù)造成的。在原子的一定狀態(tài)下量

9、子數(shù)n、l、m、ms是客觀存在的，不是虛有的，也不是捉摸不定的，本身就是客觀存在的量，是被光譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的。人們用量子數(shù)描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是自然的，就相當(dāng)于衡量跑步一樣，我跑百米的時(shí)間是25秒左右，年輕人是14秒或15秒，運(yùn)動(dòng)健將是10秒左右。筆者：我們可以這樣理解，微觀粒子不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)的主要特征是其運(yùn)動(dòng)是量子化的。基于這種量子化的特征，一些理論研究者以及實(shí)驗(yàn)研究者使用了四個(gè)量子數(shù)，用來(lái)描述量子化的運(yùn)動(dòng)，四個(gè)量子數(shù)是描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的幾個(gè)指標(biāo)。李教授：對(duì)，是這樣的。筆者：說(shuō)完了粒子的運(yùn)動(dòng)特征，再來(lái)看一看粒子之間的作用力化學(xué)鍵。關(guān)于化學(xué)鍵，在課標(biāo)中也提出了一些新的要求，比如要

10、求學(xué)生知道共價(jià)鍵能分成鍵和鍵。請(qǐng)問(wèn)您對(duì)化學(xué)鍵的相關(guān)理論是怎樣認(rèn)識(shí)的？您認(rèn)為中學(xué)生對(duì)化學(xué)鍵應(yīng)該認(rèn)識(shí)到什么程度？李教授：人們對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，直到1897年湯姆遜（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)電子后，人們才致力于研究化學(xué)鍵的電子理論。最著名的是路易斯（G.N.Leiwis）、郎繆爾（I.Langmuir）和柯塞爾（W.Kossel）的工作，建立了化學(xué)鍵的八偶體模型（如圖2），人們正是從八偶體的觀念來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的，在整個(gè)化學(xué)的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，八偶體理論對(duì)解釋化合價(jià)和周期律起著非常重要的作用，但是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題解釋不了，說(shuō)不清楚，因?yàn)檫@個(gè)理論中有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即將電子作為靜電荷

11、處理。圖2 兩種八偶體模型P1P21916年，路易斯又提出了共用電子對(duì)的理論，這個(gè)理論指出了化學(xué)鍵的物質(zhì)性質(zhì)，但仍不能說(shuō)明原子之間的結(jié)合能的存在，不能解釋化學(xué)鍵即共價(jià)鍵的飽和性及方向性。到了1913年，玻爾（N.Bohr）提出了原子動(dòng)態(tài)模型，他認(rèn)為氫分子中兩核（核A和核B）的兩個(gè)電子（P1，P2）在一定的軌道上做相同方向的運(yùn)動(dòng)（圖3），之所以形成分子是由于電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)有一定的離心力，兩核對(duì)電子有一個(gè)向心力，離心力和向心力相等時(shí)就構(gòu)成了氫分子。當(dāng)時(shí)提出這個(gè)動(dòng)態(tài)模型在世界上引起非常大的轟動(dòng)，大家認(rèn)為該模型很好?？墒呛髞?lái)用玻爾的這種理論去推測(cè)化學(xué)鍵的鍵能時(shí)完全不對(duì)，用這個(gè)想法去解釋原子光譜、分子光譜

12、也完全不對(duì)。圖3玻爾氫分子模型后來(lái)人們一直在徘徊，到底化學(xué)鍵是什么呢？到了1927年，薛定諤（E.SchrÖdinger）根據(jù)電子具有波性用薛定諤方程處理氫原子后，量子力學(xué)問(wèn)世。緊接著，1927年海特勒（W.H.Heitler）和倫敦（F.W.London）兩個(gè)人用量子力學(xué)的觀點(diǎn)處理氫分子，解釋了化學(xué)鍵的本質(zhì)，他們認(rèn)為化學(xué)鍵的本質(zhì)是電性力的作用。在此基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展起來(lái)兩個(gè)分支理論，其中一個(gè)是由斯萊特（J.C.Slater）和鮑林（L.C.Pauling）發(fā)展的價(jià)鍵理論，包括電子配對(duì)、雜化軌道、共振雜化體等內(nèi)容，這個(gè)理論對(duì)化學(xué)的發(fā)展起了非常重要的作用，特別是對(duì)絡(luò)合物的發(fā)展起了很大的作

13、用，鮑林為此獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。但是這個(gè)理論有它的缺點(diǎn)：可以解釋分子構(gòu)型，但是不能預(yù)測(cè)分子構(gòu)型；可以解釋原子間有相互作用力，但不能計(jì)算這個(gè)力到底有多大；能解釋共價(jià)鍵的方向性及飽和性，但不能預(yù)測(cè)鍵長(zhǎng)、鍵角究竟是多少；不能說(shuō)明分子的光譜實(shí)驗(yàn)如：分子的吸收光譜（紫外吸收），分子的發(fā)射光譜（熒光、磷光），更不能說(shuō)明分子的光電子能譜。所以這個(gè)理論在19世紀(jì)50年代以后幾乎慢慢停頓下來(lái)。在價(jià)鍵理論提出的同時(shí)，1931年密立根（R.S.Millikan）研究雙原子分子光譜，提出分子軌道理論，他的理論能正確解釋分子光譜。同時(shí)他提出，對(duì)雙原子分子來(lái)說(shuō)鍵型分成幾類(lèi)：一類(lèi)是鍵、一類(lèi)是鍵、一類(lèi)是鍵、一類(lèi)是鍵，并且指出雙

14、原子分子形成化學(xué)鍵應(yīng)該有一定的角動(dòng)量（沿著鍵軸方向），鍵的角動(dòng)量是0，鍵的角動(dòng)量是1h，鍵的角動(dòng)量是2h，鍵沿著鍵軸的角動(dòng)量量子數(shù)是3h，后來(lái)這些也被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在結(jié)構(gòu)模塊中沒(méi)有講分子軌道理論，只講了雜化軌道理論（屬于價(jià)鍵理論）。雖然價(jià)鍵理論自身有很多缺陷，但這個(gè)理論確確實(shí)實(shí)為化學(xué)的發(fā)展起過(guò)很重要作用，它解釋了很多化合物的構(gòu)型，解釋了共價(jià)鍵的飽和性、方向性，推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展，我們應(yīng)該尊重歷史。我們之所以介紹這個(gè)理論，還因?yàn)樗容^直觀，較易被學(xué)生理解接受，老師也比較好講。此外，教材中雖然沒(méi)講分子軌道理論，但是一些概念如鍵、鍵等鍵型是按照分子軌道理論的結(jié)果表述的，這對(duì)學(xué)生以后再學(xué)習(xí)和從事相關(guān)工作都是

15、有益的。筆者：請(qǐng)問(wèn)李老師，原子軌道與化學(xué)鍵又有什么關(guān)系呢？李教授：在教學(xué)中，首先幫助學(xué)生建立原子軌道的概念，有了原子軌道的概念之后，學(xué)生就很容易理解原子結(jié)構(gòu)和元素周期律?；瘜W(xué)鍵理論價(jià)鍵理論認(rèn)為，在分子中原子的原子軌道是不變的，未成對(duì)的電子在原子軌道上運(yùn)動(dòng)，之所以能形成化學(xué)鍵是因?yàn)椴煌拥脑榆壍老嗷ブ丿B，是那些自旋相反的兩個(gè)電子在此運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，這是價(jià)鍵理論的基本思想。有了這個(gè)思想之后，才解釋了一些分子的飽和性和方向性，例如氧原子跟兩個(gè)氫原子結(jié)合達(dá)飽和，硫原子也是跟兩個(gè)氫原子結(jié)合達(dá)飽和且?jiàn)A角是90°。從電子在原子軌道上運(yùn)動(dòng)不變的思想出發(fā)，鮑林才提出了雜化軌道理論。按照原來(lái)的原子軌道，

16、碳原子形成甲烷，3個(gè)p軌道和1s軌道性能是不一樣的，不可能形成4個(gè)相同的鍵。為此鮑林提出，s軌道和p軌道互相混合后形成4個(gè)性狀完全相同的新的軌道，這樣就解釋了甲烷分子的結(jié)構(gòu)。原子軌道在分子軌道理論中也起著重要作用，這里不再闡述。最后，還希望學(xué)生通過(guò)化學(xué)鍵理論的學(xué)習(xí)建立這樣的觀念：人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)總是在不斷探索前進(jìn)的，即使今天認(rèn)為分子軌道理論比較好，但也不是終極的理論，隨著事物的發(fā)展、人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展、認(rèn)識(shí)世界工具的改進(jìn)，人們對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)會(huì)更深入。事物都是在發(fā)展的，真理總是相對(duì)的，只有不斷地追求和探索才能把握事物的本質(zhì)，諾貝爾獎(jiǎng)的大門(mén)是向每一位探索者開(kāi)放的，只有那些肯于攀登、不畏艱難的人才能達(dá)

17、到光輝的頂峰。筆者：最后，請(qǐng)問(wèn)李老師，在我們知道了原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的相關(guān)知識(shí)之后，我們對(duì)于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是不是從構(gòu)成物質(zhì)的微粒結(jié)構(gòu)及微粒間的作用力這兩個(gè)角度去認(rèn)識(shí)和理解就可以了？李教授：對(duì)于物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，應(yīng)該在不同的層面進(jìn)行，這跟物質(zhì)的聚集狀態(tài)相關(guān)。例如：對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，研究分子這個(gè)層面就夠了，即從分子這個(gè)水平去認(rèn)識(shí)氣體就可以了；物質(zhì)在液相情況下，如果它能分解成離子，那么從離子這個(gè)層面認(rèn)識(shí)就可以了；而對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，比如鐵，除了從鐵原子本身的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)以外，還應(yīng)該從這塊鐵的構(gòu)成層面來(lái)認(rèn)識(shí)。對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，其構(gòu)成一是靠原子、離子或分子之間的相互作用，另外還有幾何因素在控制。這就是我們所說(shuō)的堆積方式的問(wèn)題。

18、例如，金屬鈉形成固體，每一個(gè)鈉原子的原子實(shí)大小是一樣的，它會(huì)形成自己特有的堆積方式。金屬原子相互連在一起的時(shí)候，這種鍵一般是金屬鍵，這種特殊的鍵把金屬原子連結(jié)在一起。相同的金屬原子（鐵原子、鉀原子），形成固體時(shí)堆積越緊密越好，這個(gè)時(shí)候結(jié)合力就越大，能量降低越多，結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)固。即使是緊密堆積，也有不同的情況，有些是立方的緊密堆積，有些就可能是六方的緊密堆積等，這樣就構(gòu)成了各種各樣不同的堆積方式，導(dǎo)致不同堆積方式的同種物質(zhì)的性質(zhì)不一樣。對(duì)于離子化合物來(lái)說(shuō)，像氯化鈉，其中的鈉離子和氯離子是靠電性作用連結(jié)在一起的，每個(gè)鈉離子周?chē)新入x子，氯離子周?chē)锈c離子，這里也有堆積的方式問(wèn)題。NaCl晶體中，帶負(fù)電的Cl-較大，帶正電Na+的較小，為了盡量使兩者緊密結(jié)合，肯定是大的離子中間有小的空隙，小的離子會(huì)從空隙鉆進(jìn)去，這樣能量就降低了，作用力就大。即NaCl晶體中的離子堆