利用塑料串珠構(gòu)建化學(xué)模型

韓曉 王朝暉

摘要：用塑料串珠等材料構(gòu)建了具有籠狀結(jié)構(gòu)的C60分子模型，并利用此方法構(gòu)建了可燃冰模型。借助實(shí)物模型，將抽象的結(jié)構(gòu)具體化，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)分子以及晶體的微觀結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的建模能力和模型認(rèn)知水平。

關(guān)鍵詞：C60分子模型;可燃冰模型;模型認(rèn)知

文章編號(hào)：1008-0546（2019）04-0086-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.023

一、問題的提出

“模型認(rèn)知”是人類探索物質(zhì)世界及其變化過程中，逐漸積累的具有化學(xué)特質(zhì)的思維方法，不僅能夠解密物質(zhì)及其變化之規(guī)律，而且也為創(chuàng)造新物質(zhì)提供理論支撐”。《普通高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》將“模型認(rèn)知”作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生通過分析推理、抽象、歸納等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立起模型，并能運(yùn)用建立起的模型解釋化學(xué)現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[2]。

化學(xué)科學(xué)和化學(xué)教學(xué)中的模型主要有實(shí)物模型，符號(hào)模型和思維模型等三種類型，其中實(shí)物模型是對(duì)事物實(shí)實(shí)在在的模擬，它能將真實(shí)物體的形狀圖畫或者三維結(jié)構(gòu)直觀地反映出來，這些模型可能依據(jù)了幾何原理對(duì)原型進(jìn)行了擴(kuò)大或縮小，也可能只是對(duì)原型的輪廓或結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡單模擬。在化學(xué)教學(xué)中使用實(shí)物模型，可以將微觀現(xiàn)象宏觀化，抽象事物具體化，讓學(xué)生比較容易接受原型、理解原型[3]。

學(xué)生在學(xué)習(xí)碳元素的三種同素異形體時(shí)，初高中化學(xué)教材都對(duì)C60分子進(jìn)行了介紹，C60分子因其高對(duì)稱性的籠狀結(jié)構(gòu)，自1985年發(fā)現(xiàn)以來，全碳籠狀結(jié)構(gòu)概念已經(jīng)廣泛影響到化學(xué)物理、材料等科學(xué)領(lǐng)域[4]。用傳統(tǒng)的球棍模型構(gòu)建C60分子時(shí)，需要考慮C60中碳原子的雜化方式，選擇合適的球和塑料短棍搭建，以達(dá)到相應(yīng)的曲率。筆者在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)用編織手工藝品的塑料串珠和柔軟的魚線構(gòu)建的C60分子的實(shí)物模型，可以很好地展現(xiàn)分子的曲率。利用此方法，還可以構(gòu)建可燃冰等具有籠狀結(jié)構(gòu)的模型，這些實(shí)物模型小巧方便易于觀察。通過實(shí)物模型的構(gòu)建，將內(nèi)隱或看不見的物體外顯化、可視化，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和建模能力，以及運(yùn)用模型解決問題的能力。

二、C60分子模型的建立

1.模型材料

材料：不同顏色的具有合適孔徑的塑料串珠，魚線若干，如圖1所示。

以C60球型分子模型為例介紹，在構(gòu)建模型的過程中參照C60分子的拓?fù)鋱D。C60分子是由12個(gè)五邊形，20個(gè)六邊形組成的類似足球結(jié)構(gòu)的具有曲率的分子。用塑料串珠代表共價(jià)鍵，用柔軟的魚線連接串珠，串珠共用的點(diǎn)表示碳原子。

在構(gòu)建C60分子過程中，選擇C60分子的拓?fù)鋱D（如圖2-1）中心的五元環(huán)開始，取5顆串珠用魚線穿起來，如圖2-2所示，將5顆串珠分別標(biāo)號(hào)為1到5，如串珠模型示意圖2-3所示，將魚線兩端標(biāo)號(hào)為a和b，為了便于觀察，將魚線a端的前端標(biāo)注為紅色。

將魚線b端穿入第5號(hào)串珠，穿入方法如圖3-1所示，構(gòu)成了C60分子拓?fù)鋱D的中心的五元環(huán)，如圖3-2所示，并將該五元環(huán)命名為五元環(huán)A。將第5號(hào)串珠作為五元環(huán)A和第一個(gè)相鄰的六元環(huán)的一個(gè)碳碳鍵，從魚線b端再穿入5顆串珠，標(biāo)號(hào)為6到10，如圖3-3所示。緊接著將魚線a端穿入第10號(hào)串珠，穿入方法如圖3-4所示，此時(shí)，構(gòu)成了和五元環(huán)A相鄰的第一個(gè)六元環(huán)B，具體命名如圖3-5所示。

再將魚線b端穿入第1號(hào)串珠，穿入方法如圖4-1所示，魚線B端穿入1號(hào)串珠后，此時(shí)5號(hào)，10號(hào)，1號(hào)串珠擁有一個(gè)共同的交點(diǎn)，如圖4-2所示，這個(gè)交點(diǎn)就是C60分子中的一個(gè)碳原子，因此塑料串珠代表碳原子之間的共價(jià)鍵，串珠共同的交點(diǎn)表示C60分子中的碳原子。

將1號(hào)和10號(hào)串珠作為和五元環(huán)A相鄰的第二個(gè)六元環(huán)的兩個(gè)碳原子間的共價(jià)鍵，將魚線從a端再穿入4顆串珠，同1號(hào)和10號(hào)串珠構(gòu)成六元環(huán)。如圖4-3所示，將穿入的4個(gè)串珠標(biāo)號(hào)為11號(hào)到14號(hào)，再將魚線b端穿入第14號(hào)串珠中，穿入方法如圖4-4所示。此時(shí)，1號(hào)，10號(hào)，11到14號(hào)這6顆串珠構(gòu)成了和五元環(huán)A相鄰的第二個(gè)六元環(huán)C，如圖4-5所示。

根據(jù)上述構(gòu)建模型的方法，以此類推，構(gòu)建出Coo分子的拓?fù)鋱D中第一圈和第二圈的結(jié)構(gòu)，如圖5-1標(biāo)示，串珠模型見5-2所示。

由于正六邊形內(nèi)角為120度，正五邊形的內(nèi)角為108度，當(dāng)五元環(huán)A和六元環(huán)B和C相鄰的時(shí)候，∠1+∠2+∠3的角度小于360度，如圖6-1所示。

隨著這樣五元環(huán)和六元環(huán)相連的結(jié)構(gòu)的增多，構(gòu)建的模型逐漸具有曲率，根據(jù)C60分子的拓?fù)鋱D中五元環(huán)和六元環(huán)連接情況，以及C60分子中五元環(huán)周圍都是六元環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照?qǐng)D6-2所示的順序，繼續(xù)構(gòu)建分子，逐漸構(gòu)建出球狀結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

3.模型建立的意義

C60分子模型的建立，得益于魚線的柔軟和塑料串珠的剛性，利用此方法可以構(gòu)建多種具有籠狀結(jié)構(gòu)的分子及晶體結(jié)構(gòu)，如可燃冰晶體。

可燃冰晶體具有籠狀分子結(jié)構(gòu)，水分子通過氫鍵形成籠狀結(jié)構(gòu)，甲烷分子處于籠內(nèi)，如圖8-1所示，表面小球是水分子，內(nèi)部大球是甲烷分子。依據(jù)C60構(gòu)建方法，利用塑料串珠和魚線，構(gòu)建可燃冰的串珠模型，將8-1的平面圖轉(zhuǎn)換成立體結(jié)構(gòu)，如圖8-2所示。串珠共用的點(diǎn)表示水分子，塑料串珠代表氫鍵，中間的大球表示甲烷分子，學(xué)生通過可燃冰串珠模型可以更好地分析最小的環(huán)中連接的原子總數(shù)，從而理解可燃冰的空間構(gòu)型。

可燃冰晶體具有多種籠狀結(jié)構(gòu)，其中一種結(jié)構(gòu)是由1個(gè)圖8-2所示的籠分別用2個(gè)面與另外兩個(gè)相同的籠共面而成，學(xué)生可以利用串珠模型構(gòu)建共用2個(gè)面的籠狀結(jié)構(gòu)，如圖9所示，構(gòu)建的模型可以幫助學(xué)生分析中間可燃冰籠實(shí)際占有的水分子個(gè)數(shù)，認(rèn)識(shí)可燃冰晶體的微觀結(jié)構(gòu)。

可以引導(dǎo)學(xué)生，上網(wǎng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和著作，構(gòu)建化學(xué)研究前沿的分子模型，從而了解化學(xué)科學(xué)研究動(dòng)態(tài)和科學(xué)前沿，開拓學(xué)生的視野，感悟化學(xué)學(xué)科的魅力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情。

三、總結(jié)與反思

構(gòu)建模型是一個(gè)復(fù)雜的思維過程，化學(xué)模型的構(gòu)建與運(yùn)用也是研究化學(xué)科學(xué)的基本方法之一。通過C60分子模型和可燃冰模型的構(gòu)建，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作，使得抽象的微觀結(jié)構(gòu)具體化，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，再引導(dǎo)學(xué)生檢驗(yàn)或修改自己構(gòu)建的模型，通過模型構(gòu)建活動(dòng)，讓學(xué)生對(duì)分子及晶體結(jié)構(gòu)有更深入的理解，為進(jìn)一步學(xué)好晶體結(jié)構(gòu)等化學(xué)知識(shí)奠定基礎(chǔ)。教師在教學(xué)過程中讓學(xué)生體會(huì)建模的思路、方法，讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的過程，增進(jìn)學(xué)生對(duì)模型本身的理解，培養(yǎng)學(xué)生建模的興趣，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的認(rèn)識(shí)和模型認(rèn)知水平。

參考文獻(xiàn)

[1]吳君磊.基于發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)——以蘇教版“苯酚的性質(zhì)和應(yīng)用”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（1）：25-28

[2][3]李鵬鴿，龔文慧，秦蕊，王旭，夏志卿.模型認(rèn)知素養(yǎng)及其在化學(xué)概念教學(xué)中的落實(shí)[J].教學(xué)與管理（中學(xué)版），2018（2）：64-66

[4]劉新錦，朱亞先，高飛等.無機(jī)元素化學(xué)（第2版）[M].北京：科學(xué)出版社，2010：54-57