专题三：认识物质结构的不同尺度层次――现代物质结构研究的思路与方法

1/24物质结构与性质专题三：认识物质结构的不同尺度层次——现代物质结构研究的思路与方法主持人：北京师范大学化学教育研究所博士讲师魏锐嘉宾：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诸城实验中学教师张福涛老师北京第四中学高洁老师1、回顾前部分讨论主持人：在前面的讨论中，我们基本上是从原子层面和分子层面来对物质结构进行讨论，那么从这个专题，我们将进入一个新的层次，他是超越了原子和分子层次的，是原子间作用力和晶体结构。那么这个层次呢？他是原子和分子之外的层次，通过这两个层次的认识，可以帮助学生建立认识原子和分子的新的视角和角度，那么在讨论这个案例之前，我们先来看一个教学片断。2、林红梅老师范德华力教学片断教师提问：前面我们学会了微粒间强烈的相互作用是什么啊？学生回答：化学键教师提问：化学键是原子或者离子之间的强相互作用，那么分子之间是否也有强烈的相互作用呢。我们先来阅读一则材料，壁虎的飞檐走壁之谜。教师提问：读完这个材料，那么同学们对微粒之间的作用有了哪些新的认识呢？它也是一种电性作用，那么这个分子间作用力与前面所学的化学键有什么区别呢？它的存在对物质的性质又会产生什么样的影响呢？我们先来分析两个熟悉的事实，水分解和水的三态转换。教师提问：第一个问题通过图中，水分子之间是否存在作用力呢，证据是什么？2/24学生回答：水分子之间存在作用力，因为它变为气态，需要能量。教师解释：看这里，这部分能量，来克服了水分子之间的作用力，而这部分力叫做范德华力。是由范德华首先提出了分子之间普遍存在着作用力，我们就把分子之间普遍存在的作用力称为范德华力。主持人：我们刚才一起来观摩了这个教学片断，那么我们先请张老师和王老师来对这个片断进行点评，那么在这个片断设计的过程当中主要想体现的一些思路和思想是什么。张福涛：林老师在设计过程中主要是首先关注了学生的已有基础，学生在必修二和本模块第二章的学习中已经从微观上知道了分子内原子间存在着强烈的相互作用，那就是化学键，但是对分子间的相对作用，范德华力呢，仍是一无所知，但是从微观上讲，学生又是已经了解了相关的一些现象。比如常温下水是液态的，水有三态变化等。正是基于这样的基础，林老师首先通过学生非常感兴趣的，现代科学材料，壁虎飞檐走壁之谜，将抽象的分子间作用力展示出来，让学生感受到它的客观存在，知道有范德华力，激发他们探究的欲望。再通过水的电解、水的三态变化这两个学生已经知道的变化，以及转换的条件，展示出了化学键与范德华力的区别，使抽象的问题形象化，让学生知道了什么是范德华力。王磊：给我印象很深刻的，老师的引入，提出分子间作用力还是很有层次性的，她是先让学生感知到分子间作用力的存在，而且是用非常趣味的生活的真实情景，壁虎事件，这是非常吸引孩子的，也就是让学生好奇了，然后再用一种典型的事件模型，水的电解、三态变化。我们说这可以是一个典型的化学事件来探讨、刺激学生形成一种分子间作用力的假设，他要和他已经知道的微粒间作用力---化学键进行比较，感受到它与化学键的区别，这样一个双层次的处理会给学生留下很深刻的印象。有利于学生的转变。因为以前学生是对此不意识的，这就是一个硬转变，所以他要用一个深刻的两重事件去刺激你，然后让你留下很深刻的印象，然后再进行微观探讨，这也是很成功的。3、如何认识分子间作用力魏锐：那么李老师，您能不能给我们介绍一下分子间作用力在我们现代前沿的科学研究中有什么意义。我们该如何认识分子间作用力呢。3/24李奇：首先分子间作用力的本质是除了离子键、共价键和金属键以外，基团间和分子间相互作用的总称，包括了很多方面。比如：荷电基团间的相互作用。实际上呢，比如：羧基和氨之间的作用，本质和离子键相当，又称为盐键。另外一类是诱导偶极子和高级电极距间的相互作用，正比与r-6，称为范德华作用。另外就是氢键，疏水基团相互作用和…堆叠作用。…堆叠作用指的是两个或多个平面型的芳香环平行地堆叠在一起产生的能量效应，比如石墨层型分子的堆叠，层间距离为335pm。还有一种就是非键电子推斥作用。这是一种近程分子作用，当分子靠得很近的时候，那些非键电子间有一个推斥作用，其中最主要的是三个：取向力、诱导力、色散力，加上氢键。这样四种，前三种合称范德华作用，其中色散力比较强一些，这三个力都正比与r-6，永久偶极矩和永久偶极矩之间产生的是静电力。当一个极性分子和一个非极性分子靠近的时候会使原来的非极性分子产生一个诱导偶极矩，它就会产生一个诱导力。在瞬时偶极矩与瞬时偶极矩之间的作用力叫色散力（公式都如图）。把这三项合称为范德华作用，前两项都是要有极性作用力参与的情况下才会存在，而色散力是普遍存在的。我们可以发现色散力的大小也是较大的，所以色散力是普遍存在的。这是叫做范德华力。那么氢键，大家都已经很熟悉的，氢原子H与电负性较大的原子X形成共价键时,有剩余作用力可与另一个电负性较大的原子Y形成氢键。这样氢键和范德华力相比，相同点是都是偶极-偶极作用，不同点是氢键具有方向性和饱和性。这个是水分子和蛋白质二级结构中存在的氢键以及DNA二级双螺旋结构中存在的氢键。下面我们再看一下分子间相互作用在目前研究中的作用，实际上超分子化学从上世纪80年代开始逐渐引起科学家们的重视，所谓超分子是两种或两种以上分子以非共价键的分子间作用力结合在一起，形成复杂的、有组织的缔合体，并能保持确定的完整性，即具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。这样看它完全是分子间作用力形成的超分子，所以它和我们常规的化学来比较，常规的分子化学研究原子结构或研究进一步的分子形成超分子体系，所以我们可以把超分子化学叫做分子层次以上的化学，这个分子层次以上的化学的研究已经是分子间作用力为主的，并已经是生物学和材料学方面很重视的研究方向。这个是国内的沈家骢院士以前对超分子化学所做的一篇综述。实际上从分子化学到超分子化学是一个研究对象的改变。超分子化学研究对象是落在分子间非共价4/24键的相互作用，将分子结合和组织在一起，形成比分子本身复杂得多的化学物种。主持人：好，谢谢李老师，刚才李老师从一位科学家的视角给我们阐释了分子间作用力的模型，它的本质是什么，那这就给我们的老师带来一个挑战。我们怎样把科学家的视角，科学家建立的模型，并且用一个形象化的手段呈现给学生，以及我们怎样去体会科学建模的过程并引导学生通过他自己的思维去建立模型呢那么我们下面看一个教学片断。3、分子间作用力教学片断教师：那么通过刚才这个数据分子，我们可以用来解释这个问题，就是化学键与分子间作用力的大小是怎么样的。我们知道，分子一般我们认为它是中性的，那么这样中性的分子为什么会有分子间作用力的存在。下面请大家交流一下。好，请同学们暂停，我找一位同学来说一下讨论的结果。学生：我们讨论有几种结果，我们觉得是万有引力，因为任何两种物体之间都有万有引力，但是这个比较小，然后我们又想是不是库仑力，就是因为他们都带电荷，这样是不是可能一点。但是它也不是所有带电的这些原子才有吸引力。所以这个也不一定对。教师：很好，他们提出了两种假设，一种是万有引力，因为这两个微粒都很小，所以这个力很小，他们就自己否定了。然后又认为是库仑力，但是并不是所有微粒都带电，也自己产生了疑问。那其他同学有没有看法。、学生：我也觉得感觉看其它极性分子，有一个电子的偏向导致它某些部分显正电，某些部分显负电。但是对于比如：氧气、氮气。如果仅仅是电极的偏向，他应该是显中性，但是如果由于电子的运动，因为电子按照原子核是在无规则运动。那么按照这个理论，它在某个时刻会一个带正电，一个带负电。但是再想一下就感觉，它的空间结构比较杂乱无章，电子在里边做的还是内部的一种运动。那么这种情况下，是不是相交产生的范德华力也就非常非常小。感觉比题目中的范德华力还要小。教师：好的，请坐，他不光分析了原因，里边还提到了好几点。首先是极性分子和中心不重合，所以会产生静电作用力。然后他还提出来一点疑问，那就是对于非极性分子是否还存在这种静电作用。还有就是这些复杂的分子，电子在运动的5/24时候会存在相互抵消的问题，是不是能达到这个数值。那么首先我们要来解决的是这个极性分子的问题。那么我们先来看看这个极性分子的电荷。那么这是我提供的极性分子，咱们可以看到不管在固体还是液体状态下他都按照偶极矩有所排列，那么这个时候，因为正负电荷中心的不重合，那么相互的正电荷一端和负电荷一端是不是会存在静电作用力。相刚才同学们推测的类似的库伦力，这对极性分子比较好解释，但是同学们又指出另一个问题---非极性分子，非极性分子我们知道就是指正负电荷中心是重合的，比如：氦。它虽然本身非极性，但是如果有其它极性分子靠近它时，他会诱导其它非极性分子中心出现不重合的情况，所以在极性中心的诱导下它也能产生极性作用力，叫做诱导力。像刚才提到的极性分子作用力叫做取向力，那么这个问题应该可以帮我们对于非极性分子有一个初步解释。那如果非极性分子，没有极性分子靠近它的时候，是不是正负电荷中心就时刻都一定重合呢。那拿氢分子为例，电子是时刻都在告诉运转的，而原子核是不是也是在运动啊，在运动过程中的某个瞬间就可能出现正负电荷中心不重合的情况，这个时候也存在偶极矩，因此它也可以和其它分子之间存在作用力，这种力叫做色散力。那么三种作用力，诱导力、取向力、色散力都有可能在分子间存在着，根据资料一般来说，分子内电子书越多，分子的变形性越大，色散力也就越大。还有对于这三种作用力并不是平均存在于分子间的，对于大多数分子来说色散力是分子在运动过程中正负电荷的不重合产生的。是主要的，只有对那种极性、偶极矩非常大的分子，比如水和HF来说，取向力才是主要的，诱导力较小。主持人：在刚才这个案例中，高洁老师带着孩子们来建立分子间作用力的模型。正好高洁老师也在现场，您能否跟我们的各位老师介绍一下，您在构建这个活动时是怎么想的，学生在构建这个模型过程中您是怎么引导的。高洁：在本节课的教学设计中在提出分子间作用力之后，学生主要关注的是三个问题，一个是什么是分子间作用力，另外一个是分子间作用力产生的原因是什么，另外一个是分子间作用力会影响什么。那我们在通过数据比对、化学键键能和分子间数据之后学生能够得出直观的印象，就是分子间作用力比化学键能要小得多。然后他们把主要的精力关注在范德华力产生的这个原因是什么。范德华力产生的原因不仅学生非常关注。而且它也是认识范德华力本质的关键，更为后边氢6/24键模型的建立做铺垫。因此，在这个问题上我采取让学生分组交流、分组讨论的方式来理解。分组交流与讨论是我校学生非常喜欢的一种课堂方式。在这个过程中有利于学生相互启发，得出结论。还有在影响范德华力的因素上，我在教学设计时有两种想法，第一种设计是由范德华力越大，物质的熔沸点越高，这是得出的一个结论。然后第二个我想提供数据，让学生看到分子相对质量越大，熔沸点越高，由以上两个结论得出相对分子质量越大，熔沸点越高。但是在后来思考过程中，我感觉这种解释方式在解释过程中有卡壳的感觉，总是隔着一层窗户纸，没有完全让学生真正体会到范德华力是什么因素的影响，因此在后面的过程中，我把这个问题交给学生，让学生来讨论交流影响范德华力的因素到底有哪些？但在把这个问题交给学生之前，分析这个问题有哪些原因之后我对这个问题进行了铺垫，一个铺垫是给学生提供知识，对大多数学生来说，色散力是主要的，只有偶极矩很大的分子，取向力才是主要的，诱导力一般比较小，然后提供另外一个支持。一般分子内电子数越多，分子变形性越大，色散力越大。因此，到这儿，学生再讨论影响范德华力因素的时候，很多学生能把我提供的知识迁移到影响范德华力的因素的分析中来，所以学生们在讨论交流过程中有一种感性的认识，仿佛分子体系越大，它变形的可能性越大，那么范德华力也越大。还有学生也体会到组成分子的原子数越多，分子量也就越大，它的范德华力也越大，能对这个问题有一个接近这种知识本源性的认识。在这两个问题的处理过程中，我自己的体会是在日常教学中引发学生的思考，让他的思考成为一种习惯，这对学生来讲是