高中化學(xué)教學(xué)中宏觀微觀聯(lián)系與模型認(rèn)知的運(yùn)用
——以堿金屬密度變化和甲烷鍵角計算為例

徐音辰

(上海外國語大學(xué)尚陽外國語學(xué)校 上海 200333)

高中化學(xué)學(xué)習(xí)中，涉及到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的部分，例如分子空間構(gòu)型，物理性質(zhì)變化規(guī)律等，學(xué)生想理解透徹往往比較困難，部分學(xué)生只能采取死記硬背的方法。這樣的學(xué)習(xí)模式不利于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和落實。高中化學(xué)核心素養(yǎng)中與物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)相關(guān)的素養(yǎng)為“宏觀辨識與微觀探析”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”。[1]

前者是化學(xué)學(xué)科解決問題的重要思維視角，“宏觀”指的是物質(zhì)的性質(zhì)及存在狀態(tài)，這些表現(xiàn)具有肉眼可觀察或儀器能展現(xiàn)，“微觀”指基本粒子層面探究和分析物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。[2]

后者則要求“建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象本質(zhì)和規(guī)律”。教師應(yīng)深入理解并挖掘教材文本中蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，并指導(dǎo)課堂教學(xué)。教師應(yīng)重視課堂中實物模型、思維模型、數(shù)學(xué)模型的功能與價值。[3]

下面以筆者教學(xué)過程中與“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”相關(guān)的兩個案例為例，具體分析一下知識背后如何體現(xiàn)核心素養(yǎng)。

1.堿金屬的密度并沒有嚴(yán)格遞變，其中鉀是反常的

一堂組內(nèi)年輕教師的習(xí)題講評課中，針對一道例題中學(xué)生提出的質(zhì)疑，在課后教師討論中引出了堿金屬密度并非嚴(yán)格遞增，鉀比鈉略小,詳見表1。筆者以前講周期律的時候都不會太在意密度的遞變規(guī)律，覺得大趨勢是密度變大的就行了唄。而且這也不算一個常規(guī)“考點”。但研討過程中教師們都認(rèn)為：既然問題被發(fā)現(xiàn)了，而且教材中明確給出了密度的數(shù)據(jù)，教師就應(yīng)該根據(jù)宏觀現(xiàn)象推測微觀結(jié)構(gòu)尋求滿意的解釋。

表1 堿金屬的主要性質(zhì)

圖1 堿金屬的堆積方式及晶胞參數(shù)

由于堿金屬都是一種堆積方式，所以z不變，同樣不變的常數(shù)一并約去，就得到密度ρ正比于M/r3的結(jié)論?？梢?，堿金屬的密度受其摩爾質(zhì)量和半徑的共同影響。下面就以鋰、鈉、鉀分別計算。

Li∝7/0.1523Na∝23/0.1863K∝39/0.2273

觀察后發(fā)現(xiàn)，從鋰到鈉，表達(dá)式中分子擴(kuò)大3倍多，分母只擴(kuò)大了大約1.83倍；而從鈉到鉀，分子擴(kuò)大了約1.7倍，分母擴(kuò)大了約1.8倍。這樣就從微觀角度，構(gòu)建幾何模型解釋出鉀密度的“反常”現(xiàn)象了。

2.甲烷的鍵角為什么是109°28′？

學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)中，接觸到最簡單的有機(jī)物甲烷，學(xué)生都容易說出其空間結(jié)構(gòu)為正四面體，鍵角為109°28′。那么為什么這種結(jié)構(gòu)和鍵角呢？其實這并不難推出，利用中學(xué)幾何知識，建立好數(shù)學(xué)模型，完全就能解答。

我們先從雜化軌道開始說起。碳的價電子為4，但是4個電子分別處于2s和2p軌道上，且2s上的為成對電子。我們知道當(dāng)兩個原子都有未成對電子時就能形成一對共用電子對，也就形成了共價鍵。所以要形成CH4，按碳原有的軌道“安排”與氫原子成鍵就不太妥當(dāng)。為了解釋成鍵，美國化學(xué)家鮑林提出了雜化軌道理論，s和p軌道以一定方式形成雜化軌道來成鍵，這種成鍵是更穩(wěn)定的。甲烷形成的是sp3雜化軌道，其軌道形狀是正四面體。與碳成鍵的其他原子相同時，按照最大重疊原理所形成的分子結(jié)構(gòu)也是正四面體，所以甲烷分子中，碳原子位于體心，四個氫原子位于頂點。

圖2 正四面體外接正方體

以斜切面AA1CC1為觀察視角，再利用一次勾股定理，體對角線為所以正四面體體心到頂點距離(其實R也可以理解為正四面體外接圓的半徑)

圖3 構(gòu)建模型中的θ相當(dāng)于甲烷分子鍵角

聯(lián)系幾何中角度制60分為一度，所以109.47°=109°28′(當(dāng)然兩者都只保留了5位有效數(shù)字)

以上兩個例子中都是教師教學(xué)過程中容易忽略的問題，教師和學(xué)生可能就參與簡單記憶的手段，并沒有深入挖掘成因。筆者在求解過程中充分利用了宏觀辨析與微觀探析和證據(jù)推理與模型認(rèn)知的素養(yǎng)，而運(yùn)用到的基礎(chǔ)知識中學(xué)生也是具備的，教師完全可以給學(xué)生解釋，并在教學(xué)中培養(yǎng)和提升學(xué)生的思維能力。