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.doc

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？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。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pp堆叠作用。pp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，这对学生来讲是非常重要的，如何让学生的思考成为一种习惯，我觉得在教师得引导上需要注意鼓励学生善于思考、乐于思考。那如何鼓励学生，我自己有两个体会，一个是营造交流思考的氛围，不光是在日常教学中。包括在老师和同学的交流过程中，你也可以引导学生对一些问题进行深入的思考。另外一个方法就是激励性的评价，对学生上课回答问题也好，还是平时和你交流问题，你要善于抓住积极肯定学生回答中的合理因素，那么通过引导，学生就会逐渐养成积极思考的习惯。那么在这节课处理这两个问题的过程中让我进一步体会到引导学生思考，让学生积极自主的学习，这是非常重要的。教学生学会，更要教学生怎么学，教学生提出一个问题比让学生去解释一个问题更重要。这是我对这两个问题的体会和反思。王磊：高老师这个处理呢，比常规教学的处理更能刺激学生的思维，而我想这也是我们这个主题特别希望培养学生的假设创造性的思考，他要有一个自己的自主想象空间，基于已有的知识对于事实现象的本质原因的一种理论假设的过程。同时他要对这种创造性的假设进行一种论证。所以这个时候同学之间的相互质疑，论证和反论证的过程，同时还有老师要及时对于给他的证据的这种提供，检验它假设是否合理，并及时修正他的假设，这样逼近相对可能更合理的假设，我觉得这样的一种思维和能力可能是这个模块中特别需要的。4、如何认识氢键主持人：那么接下来呢，将要涉及到在我们分子间作用力当中还有一个非常重要的概念。它就是氢键，下面请李老师给我们介绍一下，如何认识氢键的本质。李奇：氢键的本质，我们简单的介绍了一下，就是H与电负性较大的原子X形成共价键时，由于s键中电子云极大的趋向于高电负性的X，带正电的H原子核屏蔽明显减小，强烈地被另一个高电负性的Y吸引。因为氢键的本质实际上是一种非静电的掩蔽作用，就有了方向性和饱和性，有了方向性和饱和性它就在什么样的方向上生成的氢键较强。当对称性的氢键和直线性的氢键，那它的强度就是最大的，而随着氢键的角度变化，氢键的角度在减弱，比如在接近180的时候，它的氢键强度可以达到50KJ/mol以上，那我们把它叫做强氢键。当氢键的键角在130-180的时候，那么它的强度是15-50KJ/mol，它叫中强氢键。当角度在90-150的时候，氢键的强度小于15KJ/mol的时候，叫做弱氢键。而其中最强的对称性的OHO，FHF，它实际上强度已经可以达到100KJ/mol以上。如果存在负离子的时候，甚至可以达到200KJ/mol以上。那这样的话，讨论氢键通常要注意两个问题，通常来讲对称的最强，但是实际上存在的不对称的为多。不对称的为多指的是这个氢不会在两个电负性的原子之间，一般会偏向其中一个电负性的原子，我们通常所说的共价键，但也比一般的共价键要短一些。在这个图中就是r要小于低值的。非直线性的要多一些。通常所说的氢键键长也指的是两个电负性大的原子之间的距离。因为这样通常不是直线型的情况下，它不去记x和y之间的键长。那实际上刚才我们说他有饱和性，原则上讲一个氢和电负性强的原子形成的键强，但是通常特别是在超分子体系中，一个氢可以和多个受体形成氢键，一个受体也可以和多个氢形成氢键。例如，氨晶体中每个N原子可以接受分属于其他3个氨分子的H。也就是氮上可以生成三个氢键。那么现在在超分子体系中弱分子氢键越来越引起人们的注意。所谓弱氢键指的是电负性不那么强的氢键，比如：CHO、CHS。所以现在在超分子体系中讨论这些，特别是氢键的有无，一般可以认为，氢到Y的距离小于氢的范德华半径和Y的范德华半径之和，那就认为它有氢键了。5、氢键教学案例主持人：那接下来我们一起分享林老师在她的教学过程中如何帮助学生理解氢键，建立氢键的认识。教师：请同学们比较下列物质的熔沸点，他们的大小关系是什么。学生：物质的熔沸点越来越大。教师：第几个，为什么？学生：因为他们的阴离子分子质量越来越大，所以他们的熔沸点越来越强。教师：（询问另一个同学，这个观点对不对）。学生：对。教师：恩，好的，那同学们看看第二个。学生：水的沸点是100，这是常识，而后面的，那个氢、硫酸。教师：那时硫化氢。学生：硫化氢气体的沸点是-60，所以他们的熔沸点不是越来越大。教师：那提出的是谁最大啊。学生：是水。教师：那你提出是谁最大啊，你提出的水最大。非常好，如果按照我们刚才的规律的话，水在常温下是状态，是液态。我们发现硫化氢的沸点都是60了，按一般规律水的沸点应该低于硫化氢，常温下应该是什么状态。学生：气态。教师：但是事实上，常温下水是什么状态，那这又让我们想到了什么？这又是怎么回事。饶敏你是怎么想的。学生：水分子之间有范德华力，但是水分子之间还有其它力。教师：说得太好了，那这个同学，你觉得他说的怎么样。如果水分子中除了范德华力，水分子间还存在其它力是不是会出现这种情况。学生：是。教师：同学们是不是这样想的，非常好。那到底存在着什么样的作用力呢？科学研究发现存在氢键这种作用力。那么氢键究竟是怎样形成的，我们先来看水分子的结构模型。在水分子中，氧原子与氢原子形成了两个共价键于是在氧原子中剩余了两对孤对电子。两个氧氢键和两队孤对电子分别指向了四面体的四个顶点，那水分子之间为什么可以产生这种电性作用-氢键呢，请同学们在组内交流一下。学生：我们组认为氧原子和氢原子之间有共价键，氧元素的电负性越强吸引电子对的能力越强。所以它吸引共用电子对能力越强，显负性，所以他们之间形成静电作用。教师：分析得非常好，来我们把这个氢键表示出来，咱们就以这一个为例。这一个氢键我应该怎样进行表示，这个是氢，这个是氧，然后用它来表示氢键。张福涛：林老师的引出也是非常有层次的，他首先分析问题，这样既引出了对范德华力的小规律，同时水和其他氧族元素其它的氢化物比较出现的反常状况又引起学生的探究欲望。学生自然的就容易提出疑问，水分子之间除了范德华力之外，还有哪些作用力呢？这些作用力和范德华力有什么区别，那么林老师此时把问题交给学生。让学生去讨论，学生讨论之后林老师就鼓励学生，让学生去提出问题，自己去解答问题。从而总结引出了氢键的存在。而这种基于学生已有认识，寻找与原有认识有冲突的事实，建立新的认识。这种建构式的教学思路在我们结构这个模块中是非常值得推广的。王磊：首先这种发现异常现象并根据异常现象提出假设，实际上是提出新的模型，也就是建构新的概念，这可以说在概念原理教学，特别是物质结构模块中尤其要还给学生的认识和活动机会。而氢键这个内容特别有利于开展这个教学。老师们都注意到了这种异常事件，关键是在用的时候要用到位。很多老师可能就自问自答了，一般用这个素材老师们都会选，但可能具体用起来就不一样了。林老师比较好的就是把这个作为一个刺激信息，让学生分组去发现讨论问题，解释问题。张福涛：就算了解了氢键的存在，怎样思考氢键时怎样形成的，氢键的特点，这也是教学中的一个难点，那么林老师是依据水分子的分子模型、基于电负性设计了三个问题让学生讨论，第一个是氢与氧电负性差值怎样，这种差值会对氢与氧之间的成键怎样。在一个就是水分子之间为什么会产生这种键性作用。第三就是让同学们描述对水分子键性的理解。那么通过学生的讨论，老师的解说学生加深了对氢键的认识和理解。那么我们课后对学生一起进行了访谈。学生就说，我们以前不知道氢键是怎么回事，只是知道氨容易液化，但是通过本节课的学习之后呢，知道了氨为什么容易液化，也知道了氢键比范德华力强的原因，是因为氢键在形成时发生了一定程度的轨道重叠。那么这一点我当时听完之后，觉得这是学生确确实实真实的感受。在就是林老师在教学过程中结合进行教学尝试，解释了冰为什么能浮在水面上，而大家有没有想过冰的密度为什么比液态水小。这就让学生从冰的角度理解了冰的密度比水小的原因。而且进一步学生认识了氢键的方向性和饱和性。我们课后的访谈，学生也谈到，我们知道了冰的密度比水小的原因是冰的温度降低，水分子间会最大程度的形成氢键。氢键具有方向性核饱和性，所以形成冰时水分子间的间隙会增大。同时他们还提出一系列问题，比如：氢键是否只有温度降低时才形成最多，冰分子内部的空穴是什么构型，在空穴里还能否填充上其它的分子或者原子。水蒸气有没有氢键，水的孤对电子方向上的氢键与氢氧键方向上的氢键有什么不同。这一系列问题，对学生在大学继续学习结构化学或者研究晶体，应该是能打下很好的基础。主持人：通过两位嘉宾的介绍使我认识到，在进行结构教学的过程中要充分体现模型建构的思路，让学生参与模型建构过程，让我们把学习过程还给学生的时候，学生就能够创造出一片很广阔的天地，所以在许许多多优秀的教学案例中，都会让学生参与模型建构，从而促进学生的发展。那好，接下来让我们再来欣赏高老师在她的教学过程中是如何组织学生活动进行模型建构的。6、模型建构活动组织教学案例 教师：当我再把水搁进去的时候，你看，这个规律性出现了问题，按理说谁的沸点应该比较低，但是出现了突然升高。那我就想，这里边分子间作用力是不是更强了，这种更强的分子间作用力到底是在什么对象之间产生呢。还是那氢化物，氟也特别的高。这个氮形成的氢化物也特别的高，通过这个数据我们观察，这个氮、氟形成的氢化物和同主族的氢化物相比是不是突然升高了，这是怎么回事呢，对于这个问题，他们分子间很强的分子间作用力是怎么形成的。还有为什么能形成，咱们这三个问题，这种更强的作用力什么对象间形成、为什么形成、怎么形成，让大家讨论一下。 学生：我觉得范德华力形成的原因是他们之间因为都是共价键，电子是会便宜的，然后这样形成分子间作用力，然后我看它的沸点比较高的，是N、F、O在元素周期表里边他们是属于氧化性比较强的，所以比较容易获得电子。就是比较容易吸引电子，然后氢原子就是比较容易偏向这三个原子更多一点，这样O显得负电的电性比较大，氢原子显得正电电性比较大，这样可能吸引力就更大，所以它的吸引力会大很多。 教师：好的，大家还有补充吗？张萧刚才很关键的一点就是他认为，N、S、O刚才提到是氧化性，实际上这里可以认为是电负性。共用电子对极度的偏向他们，所以这个氢就像变成一个裸露的质子似的。所以这种吸引力变得特别强了。 学生：我们刚才在想。O、F、N、C他们都是同一个周期的，那么C也应该上去，但是这儿也有区别，就是前三个都应该是平面结构，这就导致了这个N这个裸露的H。 教师：氨分子是平面结构吗？是立体结构，呵呵。 学生：老师我的意思是这个电子一定是出来的，它的电子一定是不能被H包裹。所以相当于它相对于和其它的裸露的H原子是有一些接触的可能。而但是这个甲烷，几乎是四个原子几乎是把它包进去了，那么这个被包进去的C和外边的H接触的话我觉得是一件比较困难的事情。因为他们之间距离如果比较近，那么其它的氢原子和这个氢原子一定会有一个较大的排斥作用，所以这样甲烷是不大容易形成氢键。 教师：非常好，我觉得陈同学给了我们一种非常新的思路，首先它的思路集中在O、F、N和C的电子结构的对比上，然后他又将这个问题联系到三种分子的空间结构上，他从空间阻力的角度来分析问题，我觉得这是一个很好的角度。 学生：我觉得还是有一点类似于化学键的成分在里边，就是O上边的电子有可能和H原子原来的电子层发生了一些吸引，但是说不清楚。 教师：谭同学提到有类似化学键这样的作用力，H原子它的轨道和N、F、O之间产生了作用力，这个作用力究竟是怎样产生的，让我们来看看。 主持人：现在请高老师来介绍一下，您在设计这个课程的时候有什么思考以及通过你的教学又有哪些反思，和我们分享一下好吗。 高洁：好的，在这个教学环节中设计这个问题是希望学生相互思考，建构形成氢键的基本要素，在学生的讨论过程中提出两种假设，一种是基于静电作用，一种是看到更高的熔沸点之后想到更大的、更强的范德华力的一种本能的迁移。另外一个是有学生能够深入结构甚至分子的空间结构，让学生来分析氢键形成的可能。在及时总结学生第一个层次，也就是更强的静电作用之后，老师进一步提出问题，难道这个更强的作用是停留在静电作用的基础上吗？有没有其它的可能。这个时候有学生能够提出第二种假设，他提出有类似于化学键的成分，他认为可能在轨道上存在着一定的相互作用，在这个过程中可以感觉到学生有一种朦胧的认识，这个时候我及时的给出了总结。总结有两方面分析，一个是化学键上的作用，一个是轨道上的作用。然后给出了氢键的概念，然后布置任务，让学生能够画出氢键的模型。然后再画模型的过程中，让学生能够比较清晰的把这个模型表示出来。在后面的访谈中，也有学生谈到，氢键感觉有点像配位键，他举的例子，在形成铵根离子过程中，仿佛一边有空轨道，另一边提供孤对电子。他又思考，实际上以水分子为例，虽然共用电子极度偏向氧，但并没有真正意义上的氢离子存在。他有这个认识。又有一些思考，在这个探讨过程中对学生应该还是很有收获的。 王磊：应该来说，高老师在这个活动过程中也有一定的反思再设计的过程，可能高老师能够体会到反思设计前后改变的不同，那么可不可以请高老师谈谈这一块的感受。 高洁：恩，我在这块进行最初设计的时候也是利用了氢化物沸点的数据，第一次设计时给出这个数据，学生能感觉到不同，但是这个不同到底是什么，他们能认识到更强的分子间的作用力。到底这个分子间作用力是怎么产生的，第一次过程中我没有给学生更多空间让学生更多的思考。我直接用另一些数据给出了什么是氢键，包括氢键的本质是什么。我告诉学生是一种静电作用，其实学生在静电作用这个层次上是能够认识的。但是在于轨道的认识上，它是不能认识到的，这个时候学生在课下问了我很多问题。实际上他知道是氢键，但是氢键是怎样产生的他依然是模糊的，实际上氢键概念的建构上并没有在学生的头脑中，学生也就并没有科学本质的认识。 王磊：高老师做了一个这样的改进其实也是非常具有潜在的意义的，让我们的学生敢于去进行概念的假设，就是学生不再认为这些事情只有是化学家独有的权利，他不会觉得这些事情是那么神秘，好像我只有接受结论的份，我只有接受概念定义的机会。他会觉得这个定义很可能就是像我们这样去构想的，所以我觉得这是结构模块很多概念本身的一种思想方法。另外一个在这个模块中我们可以再次看到学生以前学的知识对新的知识的迁移作用。比如说他对于轨道不清楚，对于共价键是表层的，甚至对于离子键、静电作用不清楚，那么他是没有办法展开对于氢键的思考的。但是这比你直接去问他对离子键、共价键是什么更能反映他的那种真实的认识，以及他体会到氢键与那些价键体系的联系。我觉得这点特别好。当然还有一个问题，我们这个讨论是基于成因、本质去想的，其实还有一个空间，孩子们也很关心，哪些原子、分子间是容易形成氢键的。其实这个他是可以发现规律，这个规律发现的活动，如果老师可以问问他们是不是能够想到提出这个问题，然后再给他提供更多的信息，帮他去找寻规律。刚才李老师谈到氢键本身就具有不同类型，例如直线型的。他就发现了这里面是有规律性的。 高洁：这个课完成之后我提出来了，同学们还想研究什么，这个不同原子之间的氢键，强弱是什么样的，包括李老师刚才提到的F-H-F，这个氢键是非常强的。有同学就问到了，这个F的氢键是多少吗？他认为就可能和化学键差不多吧。还有一个同学就在黑板上给我画他认为的轨道是怎么重叠的，然后就可以去想这些问题。还有提到的有机中的空间结构问题是否会影响氢键，提出来一系列问题。我就对他们还是能够引发一些思考。7、实验教学案例 主持人：通常认为啊，对物质结构与性质这个模块是非常的枯燥的，因为它比较难也比较抽象，但是我们认为我们要让学生来建立模型，其实建立模型最主要的就是给学生提供证据，我想学生们会认为物质结构与性质这个模块很难，是因为我们提供的大多是抽象化的证据，比如说：温度的数据、键能以及汽化热的数据。都是一些抽象的数据，那我们再回顾我们的化学，其实化学的发展，不管是理论还是应用方面，他一个很重要的来源都是来自实验的。这样就给我们提出一个有挑战性的问题，也是启示，对于物质结构与性质这块是不是可以用实验来承载，用实验来建立模型，通过实验来提供建立模型的证据。 教师：那么现在请同学依据屏幕上的实验要求，在小组内进行分子实验，现在开始。那么要注意我们看得是温度计液柱的变化。在刚才做实验的过程中，大家都观察到了哪些现象。 学生：我们发现，在分别滴三种溶液时，温度计液柱都分别降低，第二个现象，我们都闻到了气味。 学生：三种液柱都下降，还有都闻到气味。 教师：三种液体滴下去以后，温度都会发生变化，对不对啊，我们来看看，实验过程中温度计液柱降低，在实验过程中温度发生了什么样的变化。 学生：温度降低。 教师：那么在实验国过程中又能闻到三种液体的气味，这个作用又是什么。我们能闻到气味，说明原先的三种液体变成了什么。 学生：气体。 教师：气体，那么气体再挥发，那么现在我们再来思考一下，温度降低他的原因是什么。为什么温度会发生改变呢？我们请第一组的同学来展示一下。 学生：温度降低说明三种液体挥发时会吸收热量。 教师：恩，温度降低，最直接的原因是什么呢，就是在挥发的时候要吸收热量。好的，请坐，那么再结合我们看到的，闻到的液体分子变成气体分子，我们又能思考些什么，我们又能得到些什么结论呢？请同学们想一想。在下边交流。现在我们要解决的一个问题就是它为什么要在挥发的时候吸收热量。也就是吸收的热量是干什么用的，对吧。 学生：这说明在挥发吸热过程中它需要克服分子间一种力。 教师：很好，刚才张同学说在吸收的过程中它会吸收一种能量，它吸收的能量是用来干什么的呢？那么这个能量它需要克服分子间的一种作用力对吧，那么这种力实际上存在于分子与分子之间。 张福涛：姜明晓老师啊，对范德华力的设计，最充分的特点就是设计了一个实验，我们以前在讲分子间作用力时很难涉及到实验，实验设计较少。但他这节课一个是利用了水的电解实验，一个是设计了一个挥发物质导致温度变化的实验。那么这种教学设计对于学生认识分子间作用力及其对教学的影响，应该是非常深刻的，这进一步启发了我们，物质结构这一模块并不完全是微观的、不可想象的，我们完全可以借助一些实验使我们的教学方式多样化、教学效果形象化。8、晶体结构教学讨论 主持人：尽管实验比较简单，但是我想呢，它毕竟给我们提供了一个新的视角，一个新的结构模型，提供证据的视角。它更大的意义是提供给我们启发，我们方向。我们各位老师是不是再今后的教学中可以不断的探讨和思考，有哪些实验可以用来支持物质结构与性质这个模块的教学。在这里其实是有一个广阔的天地去让我们进行教学探讨和研究的。刚才一系列的讨论我们是在分子间的层次来展开研讨，我们把这个作用扩到一些由有限层次扩展到无限的层次就是我们的晶体了，和大纲版教材对比，新课程建立的物质结构模块晶体的内容增加了，也引入了一些新的概念。那么引入这些概念对我们学生的认识有哪些帮助呢？为什么我们要在这个模块中加大晶体的内容呢？李老师您能否从学科的角度来描述一下学生学习这部分知识对于理解化学有什么好处呢。 李奇：因为我们学习的物质以汽、液、固三态存在，当然现在包括了液晶，应该是出于液态和固态之间的，当然也有人把它称为“第四态”了。而在固态当中，又基本上分为晶体和非晶体。当然随着科学发展又分为纳米、准晶等等。我们研究结构化学首先要研究物质结构，其中研究固体是最重要的。现代科学技术赖以发展的各种光学、电学、磁学材料，主要存在于固体，因此人是物质组成结构、物质性质都主要通过固体来研究，另外固体中原子排列位置是固定的。在固定结构基础上设法掺入、去除，位移某些原子，设计合成新材料。另一个固体中原子间存在多种化学键，物质的多样性源于键型的多样性。因此固体学是重要的，那么为什么晶体学尤为重要，因为我们研究固体时大部分都是以晶体形态研究的，研究固体材料实际就是要研究晶体结构。现代结晶化学研究哪些问题呢？晶体学研究有300多年历史，从1912年开始就有了对晶体形态学的研究。就是从1912年X射线发现以前我们成为经典晶体学，X射线发现以后，人们可以通过X射线来解晶体结构，认识晶体结构也从宏观到微观了，这个时候真正跨入了现代晶体学。所以经典晶体学与现代晶体学的分水岭是1912年X射线发现的。这是在化学学科中基本没有争议的，这在各个学科中也是很少出现的。因为从经典跨越到现代基本是个过渡状态，大家对此为什么没有争议。因为有了X射线才能探讨晶体内部。马上X射线发现就快100年了，而晶体学的研究实际上是非常迅速的，晶体学研究包括了：晶体的点阵理论、晶体对称性理论、晶体的衍射。因为晶体结构本身就是一种点阵结构。而点阵结构是靠点阵来研究的。由于这样的点阵结构都有一定的的对称性，所以晶体的对称性也是非常重要的。可以领用衍射原理设计各种实验来分析晶体材料。实际在晶体学应用方面就产生了晶体化学、晶体物理学等等。我们学化学的当然关心的是晶体化学，它主要研究典型晶体结构，主要包括：金属晶体、离子晶体等。常见的按来源分为：天然晶体（宝石、冰、砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）。按照成键的角度，因为化学键在物质中起了很大的作用，按不同的化学键组成，它的结构不一样，这样划分就有共价晶体：金刚石（原子晶体）；离子晶体：NaCl；金属晶体：Cu；分子晶体：CO2；混合键型晶体：MoS2等。 主持人：刚才李老师介绍了各种各样的材料，其实材料中的结构是非常复杂的，正式这样复杂的材料中不断抽象出简单的模型，这才在教学中产生了原子晶体、离子晶体等不同的晶体类型。这是我们不断提炼的结果。刚才李老师提到了我们的晶体中很大部分都是混合型晶体，这就是我们在教学中需要不断提炼出这些简单的模型，让学生在以后的学习中能够从简单的模型拓展到混合型模型。为他们提供很重要的概念认识的铺垫并奠定基础。我们进一步思考，在这些晶体模型中也有简单的，也有复杂的，所以这也是我们在教学设计中为什么要从简单的入手，再给他不断地丰富和变化，那我们来看对于晶体这一块教学，最简单的模型不外乎就是堆积模型了，那我们再来看一个堆积模型教学案例。9、堆积模型教学案例 教师：上节课我们简单的认识了晶体，晶体具有规则的几何外形是由什么决定的。 学生：晶体中的微粒按照一定规律周期性的重复排列。 教师：好的，晶体中的微粒按照一定的规律周期性的重复排列，那么晶体中的微粒是怎样进行排列的，我们怎样来认识这样规律性呢，课本上介绍了一种实验。 学生：X射线衍射实验。 教师：对的，这个实验表明，晶体尽量按照紧密堆积，使其结构紧密，能量最低。那么这节课我们以X射线衍射实验为依托来介绍一下晶体的紧密堆积模型。我先来检查一下上节课的预习情况。第一个，等径圆球在一条直线上是如何排列最紧密的。 学生：一行排列，球与球之间紧密相切。 教师：好，第二，排列方式是不是没变啊，好的，哪个小组展示一下。 学生：中间的小球与旁边的六个小球接触。 教师：你的这个排列是中间的小球与几个？ 学生：六个。 教师：六个小球，这是一种方式，有没有哪组同学排列是不一样的。 学生：我们组的排列是和四个小球相切。 教师：他排得非常好，用颜色给它表示出来了，中间这个小球与周围的四个小球相切。那么这两组排列，哪一组小球是最为紧密的呢？ 学生：第一组。 教师：第一组较为紧密，好的，我们来对比一下，第一组是与六个小球相接触，第二种是和四个小球相接触，第一组因为是最紧密的排列，所以称为密置层。第二个排列因为不是最紧密排列，所以称为非密置层。密置层在空间上的排列有几种。 学生：一种。 教师：只有一种排列，在空间上无限的连接，那么咱们就以第一层的密置层排列为基础进行排列，然后先检查各组排列是否为密置层的，并在该密置层上继续进行第二层密置堆积，最紧密的堆积方式有几种。 学生：第二层在第一层的空隙中往上排。 教师：就是在第一层形成的空隙当中往上排球。这样形成的也是第二层的密置层。 学生：这样排出的有两种，因为这里有正三角和倒三角两种形式，所以排出两种。 教师：你认为正三角空隙和倒三角空隙不同，所以排出两种不同结构。下面我们来看一下，这面是不是相同排列。下面再来看看，我们会发现两种排列是完全相同的。所以，请坐，密置双层是将两层紧密堆积在一起的，密置双层在空间中应该怎么排列，也只有一种。现在再在密置双层基础上进行紧密堆积，大家再找找看是怎样的。 王磊：我想这是一个很好的教学策略，因为这个教学活动一举多得学生的这种空间想象实验需要直观的手脑并用的活动它才能帮助他去实现这种空间立体模型的认识，它本身也是一种兴趣，它相当于把堆积的要素拆解了再进行组合，相当于探究了堆积了什么。是什么方式来推积的，我觉得再这方面有探究的意义。 主持人：刚才王老师谈到通过堆积活动去认识模型、理解模型是一种非常有效的策略。那么我们再拉近镜头看看鲁海玲老师在她的课堂教学中是如何组织学生进行堆积活动的。10、堆积活动组织教学案例 教师：下面请同学们继续观察第二层球和第一层球的关系，他们有什么样的特点。 学生：（观察活动、讨论、交流） 教师：当三层球在双层球形成的空隙四面体上时，与第一层球完全对应，三层球形成的空隙有的能穿透三层球，再观察一下。 学生：观察在八面体空隙上时，均不能穿透。 教师：当三层球在双层球形成的正八面体空隙上时，第一层球和第二层球均不对应，三层球都不能穿透三层球。同学们再观察一遍，现在最后一步，如果多层小球，将会出现什么样的重复性规律。 学生：他们的排列方式有两类，从第三层开始重复一、二层排列，第二类是从第四层开始重复第一、二、三层的排列。 教师：好，请坐，这是第一层记做A，从第三层开始重复A、B。大家看这个第一层记做A、第二层记做B，第三层和一、二层都不相同记做C，从第四层开始重复，这种叫做A3型最密堆积。其中从A3型最密堆积中可以画出一种六方最密堆积模型。所以A3型最密堆积又叫六方最密堆积。同学们从这里可以看出它的来源吗？那么大家堆积一下六方单位模型和面心立方模型。能看出来吗？（介绍六方单位模型，怎么观察），从几个方向观察正八面体特性，可以每一个方向切半来表示。可以有几个方向。 学生：四个方向。 教师：在第一个方向和第四个方向上各插入一个小球。 学生：介绍观察到的现象。 教师：观察八个小球之外的情况。 张福涛：鲁老师对等径小球的堆积模型的设计一个显著特点就是和学生一起动手，由点到线，由线到面，并在这个过程中不断提出问题，然学生思考。在这个过程中我们可以看到，学生在堆积过程中是非常兴奋的，这种动手教学方式我们应该提倡。而且在这个活动中鲁老师由A1型密堆积过渡到A3型密堆积，这个过渡啊，设计得非常好。 主持人：谢谢张老师的评价，在刚才鲁老师的案例中它不仅组织学生进行具体活动，而且他还是用乒乓球这个生活中的材料去制作模型。让学生非常清楚的体会到层与层之间，球与球之间的关系是怎样的。我们在设计活动的时候取材可以是多种多样的，及可以设计多种多样的活动。大家看这种小球，是分子结构模型的小球，它的好处在哪儿呢。把它放在一起，它的各层平面之间不易滚动，我们可以用他不易滚动的特点让学生来做活动。当然还有各种的球形的，做成各种各样的切面来做成模型，这也给了我们很大的方便。这是我在市场上发现的，它是女同志用来保持头发卷定型的，这是海绵的，放在桌上也不易滚动。我在这个地方给大家做一个演示。A1型堆积，如何从A、B、C的堆积中抽象出面心立方的结构是一个难点，那我们来看一下。首先完成平面的堆积（旁边多搭几个做脚架），在此之上再搭第二层，这个因为比较轻，所以是不容易倒掉的，我们在此基础上堆上第三层。观察正方形顶点、中心。通过这样的堆积可以抽提出面心结构。为什么我们要堆积模型，因为不同搭法，里边会有不同变化，我们可以抽提出不同模型，甚至是混合键型模型。比如在这个结构中，它还是有空隙的，我们再把这些小的球放入这些空隙中，其实就是NaCl的结构。这样我们就不难理解，教学中先要学生学习等径圆球模型，在这个基础上不断变化，这样我们的教学就具有连续性，学生思维就具有了联系性。搭完这些模型之后呢，我也有了一些问题，就是说我们在堆积过程中，看小球怎样去排布、连接这些都是几何学的问题，那作为老师我们就产生疑问了，作为化学老师我们为什么要让学生去堆积。这些堆积活动对于认识化学有哪些价值，李老师能不能给我们简单的谈一谈。11、堆积方式在化学中的重要意义 李奇：这个2500多万种化合物，大约有1%都可以测出结构了，也就是我们用这个密堆积可以不仅仅单一的认识A3、A1型密堆积。因为这些结构间有密切关系，有时，一种结构形式可以涵盖数以百计化合物。金属中近80%都采用了密堆积A1、A2、A3三种典型结构.当然还有一些其它化合物，这些实际又可以把我们研究的一些新的结构形式。就是在这些结构基础上进行了一些置换、填隙。堆叠。也就是在这样的基础上通过一些基本的晶体结构出发获得一系列新的晶体结构形式。新的结构形式就会显示出一些特殊的性质，形成新的材料，为进一步研究做基础。特别是在中学在接触的时候，更该打好基础，比如：认识金属键，其本质就是作为一个金属原子，把外层少数价电子释放，变为原子实，这个原子实接近球形对称，那么组成金属的原子实因为是球形对称，所以组成的单质结构是半径相等。为什么可以密堆积，你就可以推测因为金属键无方向性和饱和性，为了达到能量最低，那就尽可能多的配位。那么A1、A3最高配位达到12配位，空间占有率74.05%。A2型密堆积配位数最大可以是8，占有率也达到68%。那刚才我们说这三种典型结构形式，在金属中我们可以看到其分类。这已经大部分晶体采用这种结构形式。所以你把这些搞透，就基本了解了。其它的也就还有A4、A6型的以及一些不规则的最密堆积。也就是它重复周期可以是四层或者更多的情况。还有一些非紧密堆积的，比如A2堆积，以及一些其它情况。那这就是六方密堆积的认识，这是立方密堆积的分割。所以刚才鲁老师现场表演的，非常清晰的搭建立方密堆积的模型是教学中不可缺少的手段。实际从等径密堆积发展到离子晶体，就可以作为不等径密堆积，因为在离子晶体中都是正负离子组成。正离子是半径较小的，负离子是半径较大的，而正负离子成为满壳层后都是球形对称。这个时候就可以在等径密堆积基础上，负离子等径密堆积，正离子填在空隙中，实际上魏老师也拿这个展示了。 主持人：刚才李老师的介绍给了我们很多启示，首先我们要认识到堆积模型作为非常典型基本的模型构成了丰富多彩的固体世界的基础，另外一方面我们也认识到科学家怎么推测原子与原子间相互作用及特点。其实原子与原子之间的空间位置关