专题二化学键相关概念的学科及教学研讨抽象概念的形象化

高中化学远程研修专题五物质结构与性质专题二：化学键相关概念的学科及教学研讨主持人：山西省太原市第五中学齐红涛老师嘉宾：教育部高中化学课程标准研制组组长北京师范大学化学教育研究所所长王磊教授北京师范大学化学学院李奇教授山东省淄博市教学研究室董军老师山东省淄博市十一中学于华老师1、引入主题：主持人：上一专题我们和大家针对原子结构相关概念的学科问题和教学问题进行了相关探讨，提出了对原子结构的一些科学认识，明确了一些核心策略。那么在原子结构的量子力学的基础上，怎么明确微粒是怎么构成物质的呢？这是这一节将要讨论的问题。2、明确核心认识主持人：在我们和老师们交谈的过程中呢，了解到化学键及其相关的教学过程中面临的问题主要有两方面。一个是对科学概念本身认识不是很清楚，觉得自己把握不够，比如问到什么是共价键，共价键究竟是不是电子云的重叠，问到这些问题时会有一些不确定的认识，不把握的认识。第二，这部分内容涉及的一些问题比较抽象，那么在进行这些教学的环节中如何将这些抽象的问题具体化来降低理解的难度下面我们就抓一些概念，结合这些概念，包括：共价键、离子键、配位键、分子构型、杂化轨道理论等等。结合这些概念，对这些概念本身应该怎样理解，在教学中应该如何处理来进行讨论。这个专题讨论分为四个块，首先是对共价键进行讨论；然后是离子键、共价键、配位键这三者之间的关系；第三个问题我们将紧抓分子构型，杂化轨道理论。第四个问题我们将要来谈谈分子轨道理论。那么首先我们来看化学键的相关问题。说到化学键呢，我们首先来问问一线的老师----于华老师，您在教学过程中对化学键这部分内容，比如化学键的本质、分类这些方面是如何展开教学的呢？于华：我们发现物质结构模块确实理论性非常强，而且概念非常抽象，而且相对应的层次就会相对比较高，对于我们一线教师来讲确实感觉比较难教。但是回到现实呢，我们发现高考是我们老师和学生必须面对的一个问题，所以考试大纲和考试说明是老师们教和学生们学的根本依据，也就是我们所说的“依考订教”。而在考试大纲和考试说明中对该部分要求比较低，学生要掌握的知识点相对集中，而且需要掌握的知识点较少。所以为了达到这样的目的，教师教授的层次比较低，只是涉及到考纲中的一些概念，让学生通过记忆、背诵掌握即可。再通过相关题型的训练，那么就可以达到应用的目的了。比如以共价键的学习为例，共价键的学习在必修模块已经有了初步的认识。共价键就是通过共用电子对形成的化学键，而离子键呢，是阴阳离子通过静电作用形成的化学键。所以到选修模块呢，我们在共价键概念的教学上并没有更加的延伸，只是借助于在第一章部分学习的原子轨道的知识，让学生通过电子云得重叠方式，比如头碰头、肩并肩来对共价键进行区分，至于是不是通过能量是否降低来形成共价键的本质没有进行揭示。这样呢，学生确实接受起来比较容易，但并不符合学生认知规律，所以还想待会请教专家如何在教学中实施。主持人：现代教学层次，我们也找学生问过相关问题。学生往往是具体描述，比如：形成共用电子对的电子总在两个原子的原子核之间运动，不会跑到某个原子的一侧去。他们可能是想到电子式，觉得那两个电子就是定在那两个核之间，因为两个原子核之间存在一定的作用。如果形成原子核的电子跑到原子的另一侧，就相当于原子间的作用不存在了，所以他认为是不可能的，这是学生的已有认识。还有学生他这样想，形成共价键的原子的电子云彼此是重叠的。他认为这个原子和那个原子电子云重叠，因为中间的几率密度大，所以中间的颜色比较深，然后旁边的颜色会比较浅，那么这也是学生的一种认识。那么带着这些问题，这些困惑，这些认识，我们来请教一下李奇教授，请您来谈谈共价键到底是怎样一种作用，我们形成的怎样一种认识才是准确的认识呢。3、什么是化学键李奇：这个确实在教学过程中，不仅在中学，在大学本科生刚刚接触这些东西时也存在问题。其实对于共价键，我们觉得让学生理解应该从更高的角度去理解，不能把电子看成在固定的轨道中运行。刚才主持人也提到，大家对几率密度已经有一定的认识，但是真正到实际的问题当中以后，它就会迷惑几率密度到底是什么问题，中间几率密度大到底是个什么概念，具体到一个物理模型上去，往往容易把这个想象成电子云的重叠，它就像这个地方比较厚一些。电子密度、几率密度的概念，实际上是指它在运行过程中在某个地区出现的几率的大小。这个同时应该可以解决刚才提到的两个疑问。那两个电子是不是就是局限在这样的两个核之间，电子如果跑到键的外侧去了，那么就会消弱了这个键，实际上它是在一定的时间之内可以在键外出现。就是最终我们看到的电子云密度图它是指在两核之间出现的密度较大，就是指在两核间出现的机会较大。不能说某一瞬间，这个电子出去了，那就怎么了。实际上也不是固定在某个电子上，也就是在这个两核间出现的几率大，而不是说必须两个电子守在这儿。王磊：我觉得这个几率密度大还意味着什么呢？换句话说就是两核之间几率密度大还可以从哪些角度来体会，比如说能否从能量角度来理解，为什么在那儿几率密度就大？几率密度大就意味着什么呢？李奇：实际上，这个对于解决化学键的问题，实际上从量子力学出现应用到化学以后开始对化学键的本质提出了理论高度的认识，它的发展也有一个过程，1927年首先提出了价键理论。用价键理论来解决一些问题，得到了一些结果。因为目前从量子力学来解决这些问题，得到的基本也就包括：价键理论、分子轨道理论和配位场理论。价键理论建设得最早，但是后来价键问题对有一些问题也解决得不是很好，比如说一些磁性问题，为什么完全配对还会有顺磁性表现。实际上到上世纪50年代的时候发展出分子轨道理论，实际上分子轨道理论的思想就是把原子轨道重新组合，这实际上打破了以前对原子轨道的概念，不会局限在以前的1S、2P，已经没有这些概念了。就是原子轨道重新组合为分子轨道，再重新按照能级高低去排布。那么这个分子轨道就会使得在排布过程中，他是从能量最低的开始排布，从低能级指的就是新成的分子轨道能量低于原子轨道，那就是成键轨道，如果说高于原来的原子轨道，那就是反键轨道。那么有些分子就会在反键轨道上占据一定的分子，那么就使得化学键不是那么稳定。最典型的就是草酸分子，草酸分子本身是平面结构，应该说还是一个共轭体系，但是实际上测得C=C双键的长度是1.544a，那实际比C-C单键的长度要长，而实验也证明草酸非常不稳定，易生成CO2，那么实际上是为什么？计算后发现，它就是最高能级电子在反键轨道上，反键轨道从物理意义上讲，就是两核之间重合少，出现截面。4、认识共价键董军：是不是可以这样理解，大多数常见的共价键在成键轨道的电子比较多，使得形成的共价键的能量应该是比较低。李奇：之所以分子稳定存在，因为它新得到分子轨道后，电子填充在成键轨道中，整个体系能量比单个原子体系能量低。董军：那么我有这样的理解，李奇教授，您看对不对，化学键，化学键，首先就应该体现“化学”这两个字。化学是在分子、原子层面上研究物质，键呢就是结合力的意思，所谓化学键就是分子原子层面上研究结合力。按照化学键的概念，就是相邻分子间强烈的相互作用。那么这个相互作用就是一种结合力。强烈的相互作用就是结合力很紧密，结合力很紧密那么从能量角度来讲就是体系能量会降低。那么化学键嘛，是在分子原子层面的这个力。另外从能量角度来讲，结合得越紧密就意味着能量越低，能量越低就意味着它越紧密。另外，我们学生以前在学习时是从原子的稳定结构，比如：8电子结构来考虑。但是到了共价键，这时已经不是从原子角度来理解而是强调整个分子的结构稳定。我这样理解不知道对不对，教授。李奇：对，你这样理解是正确的。实际上化学键就是将原子结合为分子的一种作用力，当然广泛的来讲化学键还包含了分子间的这种作用力。相对刚才我们说到的三种作用力，比较弱的，比如分子间相互作用，包括范德华力、氢键等等。最终这些力使原子形成了各种各样的物质。比较强的键使它成为分子，最后再靠分子间作用力使它们成为固体。董军：我个人的感觉啊，刚才听教授的介绍。我茅塞顿开，我们在教学过程中原来就讲到很多问题，大量的稳定结构，我们都讲得很明确。到了选修三，讲原子的时候又谈到能量低和稳定的关系：基态。那么到了共价键，强烈的相互作用导致了稳定，所以说，能量问题，能量的观念应该从原子的结构再过渡到化学键的结构，再贯彻到分子结构，再过渡到晶体的结构，是不是可以这样想，教授。李奇：对，是这样的思路。王磊：那么以前我们在必修共价键就是要讨论微粒之间的相互作用方式，特别强调共价键和离子键的区别一个是共用电子，一个是静电作用。那么我们到了选修课以后，学了原子轨道、亚层排布这些以后我们再来看价键模型，我们应该发展一点什么？刚才李老师谈到要摆脱固定轨道的意思，还有不要认为是单个电子在那儿成对。董老师谈到能量视角，我们还是希望能够听一听李老师能否谈谈基于我们选修的原子轨道前期知识，我们再来看共价键的本质，我们应该怎样去叙述这样一个本质。李奇：从这个共价键和离子键，以及金属键这三个来看，其实共价键的特点还是比较明确的，首先，它在其中结合力最强。另外从电子的运动状况来看，他是属于电子有一个定域性，定域键。因为这样它表现出方向性和饱和性。正是由于这样和离子键金属键有区别。所以有这样的共价键，所形成的晶体，最典型的就是金刚石。金刚石是标准C-C单键形成的共价键，由于其方向性和饱和性，使其是配位数较低的一种晶体。它的结合力较强最后就表现为是一种硬度大、熔点高，而它的电子定域表现出金刚石是一种绝缘体。王磊：我觉得李老师拿金刚石做例子，因为金刚石确实是共价键结合的，谈到共价键区别于其它几种键的区别，这也算是结构与性质关系的建立，可能对老师们讲授这些内容有一定启示。原来老是觉得这个定域性是很抽象的，那么现在这样讲还是很好，另外一个还是和必修的关系，我们在必修阶段还是不太强调共价键形成过程，更多强调结果。那么这点于老师可以介绍，你们在教学过程中通常怎样来讲。5、共价键教学反思于华：必修阶段就是谈原子之间形成了共用电子对，到了选修阶段，大多是老师没有在共价键的形成上做文章，我们也进行了反思，这样并不符合学生的认知规律。所以我们在教的时候也尽量想借用能量最低原理，指导共价键教学，又想用最通俗的语言让学生接受它。我们通常就说当两个原子单独的时候能量较高，一方原子核对另一方原子有吸引，使他们相互靠近，然后做功。使得整个两个原子看做一个体系的话他的能量降低，当靠近到一定程度的时候，斥力与斥力，引力与引力达到一个平衡点的时候，达到一个稳定的共价键。这样学生接受比较容易，感觉提升一个层次，他也感觉和必修不一样了，认知得到了发展。这样学生一方面体会了能量最低原理在这方面的应用，那么也思考能量最低原理能否在以后的工作中使用。王磊：我觉得除了能量的建立外，也促进学生微观想象和理论建构的意识，他开始想象两个原子内部是怎么样的，然后当他们相互靠近的时候，不同的学生在设想的这个环节如果可以打开，让学生去描述他的设想。甚至勾画他们的设想的时候，我们可以设想学生对原子结构、还有成键这些理解可能是不一样的，我想这可以去试试。很多学生还是可能使用共用电子对模型去回答这个问题，也有的孩子可能是一种宏观整体的能量观，像我们很多一般老师也就是处理到这个程度。当然我们把这个环节放给孩子，鼓励孩子自己大胆去想象、设想这些过程的时候，想象这些本质的时候，我个人觉得这是一个理论建构，是可以有不同的理论想象的。刚才说的，一个是基于孤对电子，还有一种是整体宏观能量考虑，还有的孩子可能会基于电子云模型。当然也有孩子会想到，电子的高速运动，以及由于能量作用使其几率密度大。他就会把这个键啊，就不会想象成是一个机械作用力或者一对一的一个棍式的感觉，那么他去思考整个包括未来的分子轨道认识，如果你没有一个整个体系的想象，以及能量的信息，否则你也很难想象他将来能够理解分子轨道。实际上大家都知道现代分子轨道模型是在量子化学体系中最合理的。这个他就会很难体会。所以我就有一个很重要的建议，尽管我们考试的时候很可能不会去问学生共价键怎么形成或者去画这些，既然提出原子与原子之间是会形成强相互作用的，或者说他就会想到两个原子体系，