化學(xué)的分子思維及其教學(xué)

錢秋萍 吳俊明

摘要： 討論了化學(xué)的分子思維的基本問(wèn)題。分子思維是由概念的思維到結(jié)構(gòu)的思維，由一般的結(jié)構(gòu)思維到核心的化學(xué)鍵思維，再到構(gòu)性關(guān)系思維和逆向的分子設(shè)計(jì)思維逐步發(fā)展的?？偨Y(jié)了現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中分子思維有關(guān)內(nèi)容的分布情況。分子思維發(fā)展的歷史規(guī)律反映了分子思維認(rèn)識(shí)發(fā)展的邏輯必然性，中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的分子思維教學(xué)應(yīng)該遵循分子思維發(fā)展的規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 分子思維; 分子結(jié)構(gòu)思維; 化學(xué)鍵思維; 構(gòu)性關(guān)系思維; 分子思維教學(xué)

文章編號(hào)： 10056629（2018）10000307中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

跟原子思維相似，分子思維也是化學(xué)思維的一種基本類型。所謂分子思維，主要是指發(fā)現(xiàn)分子、認(rèn)識(shí)分子及其運(yùn)動(dòng)、認(rèn)識(shí)分子跟物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)，以及應(yīng)用這些認(rèn)識(shí)來(lái)解決有關(guān)問(wèn)題的思維活動(dòng)。思維是人腦內(nèi)解決問(wèn)題的活動(dòng)，研究思維需要明確其指向的問(wèn)題。從邏輯的角度考慮，化學(xué)的分子思維的基本問(wèn)題應(yīng)該涵蓋“是什么、為什么、怎么樣”3個(gè)方面，具體地說(shuō)包括什么是分子、分子是什么樣的、怎么形成的？它跟原子是何關(guān)系？怎樣證明分子確實(shí)存在？分子有哪些特點(diǎn)？分子具有怎樣的結(jié)構(gòu)？分子是怎樣構(gòu)成物質(zhì)的？等等。分子思維形成和發(fā)展的歷史就是解決這些基本問(wèn)題的歷史。

1分子思維的核心問(wèn)題

分子思維起步于對(duì)道爾頓“復(fù)雜原子”的思考，分子思維是由概念的思維逐步轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的思維的。

1.1原子概念厘清與分子認(rèn)定的思維

近代原子論較好地解釋了一些物理或化學(xué)現(xiàn)象，以及質(zhì)量守恒定律等跟化學(xué)計(jì)量有關(guān)的基本定律。然而，“簡(jiǎn)單原子”、“復(fù)雜原子”、“復(fù)合原子”等概念的提出，也給人們帶來(lái)了困惑。1805年，蓋·呂薩克（GayLussac J.L.， 1778～1850，法）和洪保德（von Humboldt A.， 1769～1859，德）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 2體積氫氣和1體積氧氣化合生成2體積水蒸氣，1體積氫氣和1體積氯氣化合生成2體積氯化氫，2體積一氧化碳和1體積氧氣化合生成2體積二氧化碳……1808年，蓋·呂薩克根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出結(jié)論： 在相同的狀況下，參加化學(xué)反應(yīng)的各氣體的體積以及反應(yīng)生成的各氣體的體積成簡(jiǎn)單整數(shù)比。蓋·呂薩克想： 道爾頓（Dalton J.， 1766～1844，英）的原子學(xué)說(shuō)認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)中各種原子以簡(jiǎn)單數(shù)目比化合，這跟自己的發(fā)現(xiàn)必定有聯(lián)系，并進(jìn)一步推論它們的原子數(shù)也成簡(jiǎn)單整數(shù)比。這意味著在相同狀況下，等體積的各種不同氣體中含有相同數(shù)目的原子。由1體積氫氣跟1體積氯氣反應(yīng)生成2體積氯化氫氣體這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，可以推論n個(gè)氫原子跟n個(gè)氯原子反應(yīng)生成2n個(gè)氯化氫原子，即1個(gè)氫原子跟1個(gè)氯原子反應(yīng)生成2個(gè)氯化氫原子?？墒牵凑盏罓栴D的原子學(xué)說(shuō)，1個(gè)氫原子跟1個(gè)氯原子結(jié)合只能生成1個(gè)氯化氫原子！顯然，由道爾頓原子理論得到的結(jié)果是跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的。

當(dāng)時(shí)歐洲不少科學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了討論研究。阿伏伽德羅（Avogadro A.， 1776～1856，意）想，如果組成物質(zhì)的最小粒子都是一個(gè)個(gè)不能分割的原子，它們就永遠(yuǎn)不能生成原子數(shù)目超過(guò)反應(yīng)前原子數(shù)目的物質(zhì)，除非組成物質(zhì)的粒子是可分的，才不會(huì)跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果矛盾。他想到，如果在物體和原子之間引進(jìn)一個(gè)新的分割層次——分子，就可以使矛盾迎刃而解;對(duì)化合物而言，分子相當(dāng)于道爾頓所謂的“復(fù)雜原子”;對(duì)單質(zhì)元素來(lái)說(shuō)，它們的分子是由一定數(shù)量的相同原子結(jié)合成的;對(duì)蓋·呂薩克的氣體反應(yīng)定律，應(yīng)該修改為“在相同狀況下，等體積的各種不同氣體中含有相同數(shù)目的分子”。他還發(fā)現(xiàn)，大部分單質(zhì)氣體是由雙原子分子組成的。阿伏伽德羅在1811年就開(kāi)始發(fā)表有關(guān)論文。但是，他的觀點(diǎn)直到1860年才由于康尼查羅（Cannizzaro S.， 1826～1910，意）的推介和論證被化學(xué)界注意并逐漸接受。阿伏伽德羅認(rèn)定分子的思維過(guò)程是化學(xué)發(fā)展史中邏輯思維、創(chuàng)造思維的一個(gè)范例。

阿伏伽德羅、康尼查羅的工作提供了分子存在的邏輯依據(jù)（即思維依據(jù)）。關(guān)于氣體體積與壓強(qiáng)、溫度關(guān)系以及分壓、擴(kuò)散和化合體積的實(shí)驗(yàn)、布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)定和分子量、氣體分子運(yùn)動(dòng)速度、分子表觀大小的測(cè)定，以及用現(xiàn)代高科技顯微鏡獲得的分子的影像等，則提供了分子存在的間接或直接的真實(shí)性依據(jù)。

1.2分子組成的思維

原子和分子當(dāng)初是作為假說(shuō)提出的，這使得一些化學(xué)家拒絕接受原子和分子概念。例如，德維爾（Devill H.S.C.， 1818～1881，法）就表示： 我不能接受阿伏伽德羅定律以及原子和分子概念，因?yàn)槲医^對(duì)拒絕相信我看不見(jiàn)或想象不出來(lái)的東西。奧斯特瓦爾德（Ostwald F.W.， 1853～1932，德）則站在唯能論立場(chǎng)上認(rèn)為： 一切外界的現(xiàn)象都可以看作是能量之間的過(guò)程，用原子、分子來(lái)解釋化學(xué)過(guò)程是徒勞無(wú)益的，原子和分子看來(lái)是化學(xué)家們的空想產(chǎn)物[2]

……在當(dāng)時(shí)尚無(wú)法直接獲得分子影像的情況下，弄清分子的具體組成、測(cè)定分子量、確定物質(zhì)的化學(xué)式和分子結(jié)構(gòu)，使人們感受到分子、原子的真實(shí)存在就十分必要了。

要確定分子的組成，需要弄清它由哪些元素的原子組成、各元素的原子分別是幾個(gè)、分子的原子組成是不是固定不變。由于在此之前化學(xué)家們已經(jīng)掌握有關(guān)方法并測(cè)定了許多物質(zhì)的元素組成，而且道爾頓的原子學(xué)說(shuō)融合了元素學(xué)說(shuō)，第一個(gè)問(wèn)題也就相應(yīng)有了答案。18世紀(jì)末，普羅斯（Prous J.L.， 1754～1826，法）在分析了一些化合物的重量組成后說(shuō)： 天然的和實(shí)驗(yàn)室制得的碳酸銅具有相同的性質(zhì)，銅和碳酸間重量比相同。不僅這一化合物如此，所有物質(zhì)都是這樣： 南極和北極的氧化鐵沒(méi)有差別;日本的硫化汞和西班牙的朱砂有一樣的組成;秘魯和西伯利亞的氯化銀成分比例相同;不可能找到兩種碳酸鈉、兩種氯化銨、兩種硝石……這是每次分析肯定的事實(shí)[3]。普羅斯得到的結(jié)論被稱為定組成定律（定比定律），它解決了第三個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)許多化學(xué)家已經(jīng)測(cè)定了一些物質(zhì)的組成，這就在事實(shí)上已經(jīng)確認(rèn)物質(zhì)有固定的組成，否則，測(cè)定物質(zhì)組成的工作就沒(méi)有意義了。

要弄清第二個(gè)問(wèn)題，需要知道各元素的原子量。1803年，道爾頓已經(jīng)測(cè)定了氫、氧、氮、碳、硫、磷等“簡(jiǎn)單原子”的原子量（以H=1為基準(zhǔn)）。1814年，貝采里烏斯（Berzelius J.J.， 1779～1848，瑞典）發(fā)表了他測(cè)定的41種元素的原子量（以O(shè)=100為基準(zhǔn)）。后來(lái)，雖經(jīng)多人用不同方法測(cè)定、修改、補(bǔ)充，精確度仍差強(qiáng)人意，但已可用來(lái)確定一些分子的組成和分子量并進(jìn)一步確定物質(zhì)的化學(xué)式[4][5][6]。

1.3分子結(jié)構(gòu)的思維

人類的分子結(jié)構(gòu)思維是逐步由表及里發(fā)展的： 1812年，貝采里烏斯根據(jù)無(wú)機(jī)酸、堿、鹽在電解時(shí)被分解為兩部分的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，提出了電化二元論，認(rèn)為化合物都是由帶正電的部分和帶負(fù)電的部分結(jié)合而成的。但是，電化二元論不能用于說(shuō)明有機(jī)化合物分子的結(jié)構(gòu)。為了解決這個(gè)困難，不少有機(jī)化學(xué)家提出了自己的假說(shuō)，影響較大的有1815年李比希（von Liebig J.F.， 1803～1873，德）和維勒（Whler F.， 1800～1882，德）提出的基團(tuán)假說(shuō)（有機(jī)化合物分子中存在著由若干原子組成的穩(wěn)定的基團(tuán)，它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中保持不變，相當(dāng)于元素的原子，并且可以被等當(dāng)量的簡(jiǎn)單物質(zhì)取代），以及1840年杜馬（Dumas J.B.A.， 1800～1884，法）提出的類型論（分子不是簡(jiǎn)單地由不同電荷的原子或基團(tuán)互相吸引組成，而是按照一定格式組合而成。在這種格式中，一部分可以置換成另一部分）。單純從形式上討論原子間的相互結(jié)合，不考慮化學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)在聯(lián)系的理論是不妥的，但是它們是正確的分子結(jié)構(gòu)理論的先導(dǎo)和形成基礎(chǔ)。

1820年代，化學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些化合物組成相同卻性質(zhì)各異，例如雷酸銀（AgONC）和氰酸銀（AgOCN）、氰酸銨（NH4OCN）和尿素[（NH2）2CO]等。對(duì)此，維勒表示“期待得出一般的規(guī)律”;貝采里烏斯則預(yù)見(jiàn)“科學(xué)在關(guān)于物質(zhì)組成的理論知識(shí)發(fā)展中將取得重要的一步”，并指出“需要做出定義，并且盡可能選擇詞匯”，提議把組分相同而性質(zhì)不同的物質(zhì)稱為“同分異構(gòu)體（isomers）”。他們見(jiàn)奇不驚的態(tài)度顯示了化學(xué)家們理性思維和成熟的程度達(dá)到了新的高度。同分異構(gòu)現(xiàn)象表明，物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)不僅決定于它的組成元素的種類和原子數(shù)目，還決定于分子中原子相互連接的方式和次序，即還決定于分子的構(gòu)造。同分異構(gòu)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)把物質(zhì)分子構(gòu)造研究的課題提上了化學(xué)家的日程。

1861年，布特列洛夫（Бутлеров А.М.， 1828～1886，俄）明確指出“分子的化學(xué)性質(zhì)決定于其組合單元的性質(zhì)和數(shù)量，還決定于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)”。他說(shuō)：“堅(jiān)決依靠事實(shí)的化學(xué)結(jié)構(gòu)的概念使我們作出假設(shè)，可能存在著一些實(shí)物，它們具有完全一樣的成分，含有同樣多的粒子，但是由于化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，彼此就截然不同?！辈继亓新宸蛩f(shuō)的“化學(xué)結(jié)構(gòu)”，就是現(xiàn)今所說(shuō)的“分子構(gòu)造”。這表明，化學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)跟其化學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在著一定的依賴關(guān)系，依據(jù)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以推測(cè)它的化學(xué)性質(zhì)，也可以依據(jù)其性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)推測(cè)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1857年，凱庫(kù)勒（Kekulé F.A.， 1829～1896，德）指出，碳（的親和力值）是“四原子的”，提出了碳的四價(jià)學(xué)說(shuō)，對(duì)有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的形成起了重要作用。1864年，邁爾（Meyer J.L.， 1830～1895，德）建議以“原子價(jià)”這一術(shù)語(yǔ)代替“原子數(shù)”和“原子親和力單位”，至此，原子價(jià)學(xué)說(shuō)就定型了。

同分異構(gòu)現(xiàn)象、原子價(jià)、碳四價(jià)學(xué)說(shuō)以及碳鏈、基團(tuán)概念、立體化學(xué)模型等等促使化學(xué)家們開(kāi)展結(jié)構(gòu)思維，隨著有機(jī)合成和有機(jī)分析的發(fā)展，人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)官能團(tuán)異構(gòu)、主干異構(gòu)（碳鏈異構(gòu)）、構(gòu)型（幾何異構(gòu)）和構(gòu)象等不同的異構(gòu)類型，不僅了解了有機(jī)分子中各原子相互結(jié)合的方式，也逐步了解了這些原子在三維空間排布的規(guī)律，形成了立體結(jié)構(gòu)思維，對(duì)分子理論和有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的確立和發(fā)展起了重要的作用[7][8][9]。

總之，分子結(jié)構(gòu)思維逐步成為分子思維的核心問(wèn)題。

2分子思維中的化學(xué)鍵思維

有沒(méi)有化學(xué)鍵存在是分子跟原子最根本的區(qū)別，分子思維跟化學(xué)鍵思維緊密聯(lián)系著，分子思維中的化學(xué)鍵思維主要回答“原子是怎樣結(jié)合成分子的”這個(gè)問(wèn)題，是分子結(jié)構(gòu)思維的核心內(nèi)容。

在19世紀(jì)初，人們已經(jīng)知道1個(gè)氧原子可以和2個(gè)氫原子結(jié)合成水分子，1個(gè)氫原子可以和1個(gè)氯原子結(jié)合成氯化氫分子……這些原子是靠什么力量結(jié)合的？這個(gè)問(wèn)題引起了一些化學(xué)家的關(guān)注和思考： 1812年，貝采里烏斯提出了“電化二元論學(xué)說(shuō)”;1852年，弗蘭克蘭提出了原子價(jià)概念;1857年，凱庫(kù)勒提出碳為四價(jià)、碳原子可以結(jié)合成碳鏈、苯環(huán)，并建議在元素符號(hào)之間畫一短線表示價(jià)鍵……這些認(rèn)識(shí)能夠解釋許多事實(shí)，但對(duì)原子之間是怎樣相互作用的、兩原子間的短線的實(shí)質(zhì)是什么、分子的結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的等問(wèn)題的解答并不清楚。只有在發(fā)現(xiàn)原子的結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)建立之后，分子結(jié)構(gòu)的更確切的認(rèn)識(shí)才得以形成。

1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子;1904年阿培格（Abegg R.）提出“八數(shù)規(guī)則”（每一個(gè)元素可以有一個(gè)正常價(jià)和一個(gè)符號(hào)相反的反常價(jià)，這兩種價(jià)的最高價(jià)數(shù)的總和通常是8）;1913年莫斯萊在研究各元素的特征X射線波長(zhǎng)變化規(guī)律后提出原子序數(shù)概念，推論原子序數(shù)在數(shù)值上等于核電荷數(shù)和核外電子數(shù);同年，玻爾提出原子的電子層結(jié)構(gòu)。這些成就為原子價(jià)電子理論的建立做好了準(zhǔn)備。1916年柯塞爾（Kossel W.， 1888～1956，德）提出多電子原子中的電子分布主殼層模型，指出原子有通過(guò)得電子或失電子形成類惰性氣體電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，形成的陽(yáng)離子和陰離子由庫(kù)侖力結(jié)合形成離子鍵（電價(jià)鍵）。同年，路易斯（Lewis G.N.， 1875～1946，美）提出共價(jià)鍵的電子理論，使19世紀(jì)中葉開(kāi)始應(yīng)用的兩原子間的短線有了明確和合理的解釋。后來(lái)人們把電價(jià)鍵和共價(jià)鍵統(tǒng)稱為“原子價(jià)電子理論”。實(shí)際上，原子價(jià)電子理論仍然沒(méi)有解決共價(jià)鍵的本質(zhì)問(wèn)題。

進(jìn)入20世紀(jì)之后，人們對(duì)電子和原子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷豐富和深入： 1900年普朗克提出能量量子理論;1927年海特勒（Heitler W.， 1904～1981，德）和倫敦（Fritz London， 1900～1954，德）求解了氫分子的薛定諤方程，由氫分子的基態(tài)能量曲線發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)原子核之間有能量最低點(diǎn)，這里的電子云密度較大，還由光譜分析得知基態(tài)的一對(duì)電子的自旋反向平行。這就圓滿地揭示了共價(jià)鍵的本質(zhì)，給共價(jià)鍵理論提供了可靠的量子力學(xué)基礎(chǔ)。20世紀(jì)30年代，化學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)展海特勒和倫敦的研究成果，建立了基于電子配對(duì)的價(jià)鍵理論和基于分子軌道的分子軌道理論，使人們對(duì)于“原子是怎樣結(jié)合成分子的”的思維達(dá)到了新的高度[10][11]。

總之，對(duì)電子和原子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)是化學(xué)鍵思維的基礎(chǔ)，反映電子和原子核的波粒二象性、微粒運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和能量的量子特性則是化學(xué)鍵思維進(jìn)一步取得成功的關(guān)鍵。

3分子思維中對(duì)原子與鍵相互影響的思維

原子是怎樣影響分子的性質(zhì)的，涉及到化學(xué)鍵以及分子中原子之間的相互影響。

在分子中，直接結(jié)合的原子之間是強(qiáng)烈地相互作用著的，原子的性質(zhì)自然會(huì)對(duì)化學(xué)鍵，從而也對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生影響。例如，在異核雙原子共價(jià)鍵中，電負(fù)性較強(qiáng)的原子（或者基團(tuán)）會(huì)把共享電子對(duì)“拉”向它那一方，使得電荷分布不均勻，形成極性鍵;如果分子的正負(fù)電荷中心不重合，就會(huì)形成極性分子。分子的極性會(huì)影響物質(zhì)的溶解性和熔、沸點(diǎn)，表現(xiàn)為極性分子易溶于極性溶劑，非極性分子易溶于非極性溶劑;以及在分子量相同的情況下，極性分子比非極性分子有更高的沸點(diǎn)等。再如，鹵化氫的熱穩(wěn)定性、還原性等化學(xué)性質(zhì)有所差別，體現(xiàn)了原子不同對(duì)化學(xué)鍵及物質(zhì)性質(zhì)的影響。1870年馬爾科夫尼科夫（Марковников В.В.，1837～1904，俄）曾指出： 不對(duì)稱烯烴（例如溴乙烯）與極性試劑（例如碘化氫）加成時(shí)，試劑中正離子或帶部分正電荷部分加到重鍵中帶有部分負(fù)電荷的碳原子上，而試劑中負(fù)離子或帶部分負(fù)電荷部分加到重鍵中帶有部分正電荷的碳原子上，常表現(xiàn)為“氫多加氫”（生成1碘1溴乙烷）。這種具有選擇性的加成（區(qū)位選擇）也是一個(gè)例子，其實(shí)質(zhì)是一種電子效應(yīng)。

不直接結(jié)合的原子之間也存在相互影響，盡管比起化學(xué)鍵來(lái)，不直接結(jié)合的原子之間的相互影響較弱，但它對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響仍難以忽略。所謂“分子中的原子相互影響”主要是指不直接結(jié)合的原子間的相互作用。

一般說(shuō)來(lái)，分子中原子間的相互影響可以分為電子效應(yīng)和空間效應(yīng)兩類。電子效應(yīng)指的是分子中電子云密度分布對(duì)物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生的影響，主要包括誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)。在多原子分子中，一個(gè)鍵的極性會(huì)影響到分子的其他部分，使分子的電子云密度發(fā)生一定程度的改變，從而使其他化學(xué)鍵的極性相應(yīng)地發(fā)生不同程度改變。這種現(xiàn)象就是誘導(dǎo)效應(yīng)。誘導(dǎo)效應(yīng)在有機(jī)化合物分子中比較常見(jiàn)。共軛效應(yīng)主要存在于一些有機(jī)化合物分子中。在這些分子中，處于同一平面的某些原子的部分價(jià)電子發(fā)生離域作用，形成共軛π鍵（大π鍵），使分子內(nèi)能降低、穩(wěn)定性增高、鍵長(zhǎng)趨于平均化。由于共軛，分子中原子的相互影響可以沿著整個(gè)共軛系統(tǒng)傳遞。在外電場(chǎng)影響下，共軛分子鏈會(huì)發(fā)生極性交替現(xiàn)象，引起分子發(fā)生某些變化。空間效應(yīng)指的是分子的空間結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生的影響，又稱立體效應(yīng)。主要有空間阻礙和分子內(nèi)張力兩種情況[12]。

4關(guān)注構(gòu)性關(guān)系是分子思維的深入發(fā)展

早在1861年，布特列洛夫（Бутлеров А.М.，1828～1886，俄）就認(rèn)為有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)與其化學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在著一定的依賴關(guān)系。不過(guò)，當(dāng)時(shí)他的認(rèn)識(shí)還不太深刻。后來(lái)，有關(guān)化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性質(zhì)關(guān)系的事實(shí)資料越來(lái)越多，人們的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入，確定物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定著它的典型化學(xué)反應(yīng)性能和其他方面許多性能;反過(guò)來(lái)，通過(guò)典型化學(xué)反應(yīng)性能等宏觀性質(zhì)的研究，能夠勾畫物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的輪廓甚至細(xì)節(jié)。“結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)聯(lián)”也成為認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的一個(gè)有效策略，成為化學(xué)研究實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀結(jié)合的橋梁。即使現(xiàn)在已經(jīng)能夠用特殊手段獲得某些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像，由于這并不能作出充分和必要的描述和解釋，仍不能撼動(dòng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)關(guān)聯(lián)策略的重要性。在化學(xué)中，通常把物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)的關(guān)系概括為“構(gòu)性關(guān)聯(lián)”或“構(gòu)性關(guān)系”。

進(jìn)一步說(shuō)，從系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)看，所謂結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部諸要素的組織形態(tài)，包括諸要素及其組織方式;系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)的性質(zhì)和功能，反過(guò)來(lái)，系統(tǒng)的性質(zhì)和功能能夠反映其結(jié)構(gòu)情況?；瘜W(xué)物質(zhì)是由其基本單元相互作用、相互聯(lián)系而構(gòu)成的系統(tǒng)?；瘜W(xué)中的結(jié)構(gòu)是指化學(xué)實(shí)體內(nèi)部各構(gòu)成要素以及各構(gòu)成要素相互間的結(jié)合與構(gòu)造方式[13]

?；瘜W(xué)物質(zhì)自然包括分子聚集體在內(nèi)。由此，分子結(jié)構(gòu)應(yīng)是指分子內(nèi)部作為構(gòu)成要素的原子及其電子以及它們的結(jié)合方式與空間分布。

所謂性質(zhì)，有人把它界定為“事物具有的特質(zhì)”或者“一種事物區(qū)別于其他事物的根本屬性”。其實(shí)，具體的某個(gè)性質(zhì)并不一定是哪個(gè)事物“特”有、其他事物不具有的，也不一定是“根本”的;而且，上述界定沒(méi)有說(shuō)清楚“質(zhì)”、“性”的含義，有循環(huán)定義之嫌。筆者認(rèn)為，性質(zhì)是一事物跟其他事物的相互作用在人腦中的反映，或者說(shuō)，是人對(duì)一事物跟其他事物相互作用的一種認(rèn)知，它為事物所有，常能決定事物的歸屬，故可以解釋為事物的屬性。

嚴(yán)格地說(shuō)，在討論分子思維中的構(gòu)性關(guān)系時(shí)需要分清楚這里的“性”指的是（單個(gè)）分子的性質(zhì)還是分子聚集體的性質(zhì)。單個(gè)分子的性質(zhì)跟分子聚集體的性質(zhì)是有所不同的。分子對(duì)稱性、電子密度分布（電荷分布情況）、偶極矩、受激能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、生成能、分子中電流與磁場(chǎng)分布等反映了分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);分子量、極性、極化系數(shù)、折射度等屬于分子的性質(zhì)，它們是由分子的某些特點(diǎn)決定的。摩爾質(zhì)量、密度、晶格能、硬度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、折射率、振動(dòng)光譜、生成熱、顏色、電導(dǎo)率、粘度、溶解度等等，則屬于分子聚集體的性質(zhì)，除了跟分子的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)有關(guān)外，還可能跟聚集體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，總的來(lái)說(shuō)分子聚集體的性質(zhì)還是跟結(jié)構(gòu)有關(guān)。不過(guò)，上面這些性質(zhì)多屬于物理性質(zhì)。化學(xué)性質(zhì)有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)楦肿泳奂w比，單個(gè)分子是不是要考慮表面能的影響？舉個(gè)例子： 許多不能在空氣中燃燒的金屬在尺度小于10納米的超微粒狀態(tài)時(shí)往往可以在空氣中自燃！如果不考慮表面能的影響（通常就是這么做的），實(shí)際上就把化學(xué)性質(zhì)限定為分子聚集體的了，總的說(shuō)來(lái)化學(xué)性質(zhì)也還是跟結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，結(jié)構(gòu)決定化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)然，這里的結(jié)構(gòu)不僅包含分子結(jié)構(gòu)，也包含了聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

5由分子性質(zhì)預(yù)期到分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——分子設(shè)計(jì)思維

在1861～1873年期間，布特列洛夫曾經(jīng)根據(jù)他的化學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)預(yù)言并合成了三甲基甲醇、異丁烯等有機(jī)化合物。這可以看作分子設(shè)計(jì)的萌芽性嘗試。

1970年代，霍恩貝爾（美）提出了分子設(shè)計(jì)設(shè)想?，F(xiàn)代分子設(shè)計(jì)是在分子、電子水平上，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代量子化學(xué)方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有特定性質(zhì)的新分子，或者創(chuàng)造新的物質(zhì)、新的概念?，F(xiàn)代分子設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，使得新材料合成、藥物設(shè)計(jì)、催化劑篩選等飛速發(fā)展。

分子設(shè)計(jì)的意義主要在于高效率，其依據(jù)是分子的構(gòu)性（或構(gòu)效）關(guān)系，因?yàn)椴牧?、藥物、催化劑等的功能?lái)源于性質(zhì)，而性質(zhì)決定于結(jié)構(gòu)。因此，在進(jìn)行分子設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行逆向分析，先確定構(gòu)性（構(gòu)效）關(guān)系，然后再根據(jù)需要的功能設(shè)計(jì)分子。

目前，藥物、蛋白質(zhì)、催化劑、高分子材料等分子設(shè)計(jì)領(lǐng)域采用的設(shè)計(jì)和合成方法多種多樣，新的方法不斷出現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)路線不同，分子設(shè)計(jì)可以分為兩類： （1）合成設(shè)計(jì)： 根據(jù)目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最佳合成路線，使目標(biāo)分子的產(chǎn)率達(dá)到最高;（2）分子裁剪與組裝： 用特定手段將原料分子特定部位的化學(xué)鍵切斷，裁剪成分子片等，然后再把需要的分子片、原子和分子等組裝成目標(biāo)分子。在掃描隧道顯微鏡下，利用原子探針對(duì)原子、分子進(jìn)行搬運(yùn)操控、裁剪和組合，即進(jìn)行“分子施工”，可以設(shè)計(jì)和合成具有復(fù)雜功能的分子器件、分子計(jì)算機(jī)、分子機(jī)器、分子機(jī)器人、納米級(jí)功能材料等[14]。

6中學(xué)化學(xué)中的分子思維及其教學(xué)

6.1現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中分子思維有關(guān)內(nèi)容的分布

在中學(xué)化學(xué)中，關(guān)于分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的具體內(nèi)容大體上包括：

根據(jù)化學(xué)鍵（包括鍵能、鍵長(zhǎng)、鍵角等）和分子間作用力初步解釋或推測(cè)、比較物質(zhì)的相應(yīng)性質(zhì);

化學(xué)鍵的斷裂和形成跟化學(xué)反應(yīng)中能量變化的關(guān)系;

有機(jī)物分子中的官能團(tuán)跟有機(jī)物性質(zhì)的關(guān)系;

根據(jù)有機(jī)分子中基團(tuán)之間存在相互影響初步解釋或推測(cè)、比較物質(zhì)的相應(yīng)性質(zhì);

物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系;

根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)其化學(xué)性質(zhì)。

現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中有關(guān)分子思維的內(nèi)容的分布情況如表1所示。

6.2分子思維發(fā)展史對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)的啟示

厘清分子概念，由概念的思維逐步轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的思維，抓住化學(xué)鍵這個(gè)根本問(wèn)題，重視原子對(duì)化學(xué)鍵的影響以及原子之間的相互影響，關(guān)注構(gòu)性關(guān)系，開(kāi)展逆向思維，滿足實(shí)際需要，是分子思維發(fā)展的歷史過(guò)程。分子思維發(fā)展的歷史規(guī)律反

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