高中化学新课程《物质结构与性质》选修模块学科问题访谈录

1、高中化学新课程物质结构与性质选修模块学科问题访谈录访北京师范大学化学学院结构化学专家李宗和教授陈颖 王磊* 本文通讯作者（北京师范大学化学学院化学教育研究所 100875）高中化学新课程将物质结构与性质（以下简称结构）设置为单独的选修模块，其目的是为了使学生了解人类探索物质结构的重要意义和基本方法；研究物质构成的奥秘；认识物质结构与性质之间的关系；提高分析问题和解决问题的能力。在此目标的统领下，模块的内容标准及相关内容与以往课程相比发生了很大的变化，一些结构化学的学科核心概念如：四个量子数、原子轨道、电离能、电负性、晶格能等在新课程内容标准或教材中出现。在新课程推广实施的近四年以来，实验区的一

2、线教师普遍对结构模块报有畏惧心理，认为该模块概念原理集中、对老师和学生来说抽象难懂、学科的核心思想难以把握、教学活动的设计无从入手，等等。许多教学第一线的老师提出：结构化学的核心概念有哪些？在化学学科中结构化学处于什么地位？对化学学科的发展有哪些价值和意义？哪些内容是一个现代公民的基本科学素养所必需的？哪些内容是具有科学潜质的未来科学家中学阶段所必需的？怎样使学习该模块的中学生体悟和领会结构化学的奥妙所在？带着这些疑问，笔者与北京师范大学化学学院博士生导师、结构化学专家李宗和教授进行了系列访谈，希望能够藉此向读者展现出一位学科专家对此的领会和感悟，从而对新课程一线的广大教师有所启迪和帮助，推动

3、新课程的顺利实施。笔者：李老师，现在的高中化学新课程已经把物质结构与性质作为一个单独的模块进行了设置，很多老师有这样的疑问，为什么要单独设置物质结构与性质这样一个模块？您能否从学科专家的角度来谈谈您对此问题的看法。李教授：化学的主要任务之一是为人类的生存与发展的各种需要而发现和制造各种具有特定性质的新物质，而这些新物质的发现难以预测，新物质的制造又需要经历一个非常漫长的过程。在此过程中需要解决3个问题：一是新物质的性能和结构，二是如何选择一条最优的路线合成它，三是按照这条路线合成的新物质的产率究竟有多大。这些正是现代化学的主要研究任务，我把它概括为“分子剪裁和分子设计”。“ 分子剪裁”是为获得

4、合成此性能分子所用的原料提出方法；“分子设计”是为新物质提供结构并给出最优的合成方法。在国际上，这项工作上世纪80年代就已经开始了，比如研究新的药物、研究新的材料、人工模拟蛋白质、还有人工模拟其他一些物质的合成等等。合成新物质人们首先要知道它们的结构，再知道合成路线，最后才开始合成，因此，现代化学的发展需要一些新的理论来指导，而这个新的理论就是结构化学，可见结构化学在现代化学中担当了一个非常重要的角色。对于中学生来说，他们已经进入了一个新的时代，他们应该对这方面的知识要有所了解，不管以后是从事化学还是从事其他方面的工作，对结构化学知识有所了解对他们以后的发展是非常有意义的。笔者：李老师您能不能

5、接着给我们谈一下，新课程中物质结构与性质这样一个模块设置之后，要帮助学生建立的最核心观念是什么？李教授：结构化学与现实生活是紧密联系在一起的，而且它关系到人类的生存与发展。在现代化学中最关键的概念，我认为有两个：一个是轨道，一个是量子。在原子、分子中的电子及原子核的运动与宏观物体的运动是大不相同的，其运动规律无法用确切的位置和动量来描述，只能用某个状态函数来表述。我们把原子、分子中单个电子的运动状态就称为轨道。轨道这个概念已经不是原来意义上的一条直线或一条曲线，是个广义概念，它表示粒子一系列的连续的运动状态，这样的运动状态表示了粒子的真实存在。对于粒子来说，它的运动状态实际上表征着它本身具有的

6、物理量，如能量、角动量等。在原子、分子和原子核中，电子运动的物理量是用能量、角动量等来进行标志的，它的运动跟宏观物体运动不一样，宏观物体运动的物理量变化是一点一点的、连续不断的。比如人跑步不可能一下子就能跑到每秒10米，是一点一点加速起来的。在原子和分子中电子就不一样，运动从一种状态进入到另外一种状态，物理量的变化是不连续的、间断的。就像人下台阶似的，从这个台阶下到第二个台阶，中间是停不住的。这种运动我们称为是量子化的。人们就把原子和分子当中这种不连续变化的物理量的最小单位叫做量子。在原子和分子的物理世界中，特殊的、与一般宏观世界不一样的地方就是运动的变化是不连续的、量子化的，物理量的量子化是

7、原子、分子世界的本质特征之一。笔者：那么，四个量子数和您说的量子是一种什么样的关系？李教授：学习化学首先要了解原子、了解分子，再一步一步地扩展。描述原子当中单电子的运动状态，我们就叫原子轨道。原子中单电子的运动状态的物理量能量、角动量用什么来标志呢?是靠量子数来标志的。如在氢原子当中，用了四个量子数：一个是n（主量子数）；一个是l（角量子数）；一个是m（磁量子数）；一个是ms（自旋量子数），这四个量子数表示什么呢？它表示氢原子当中电子的能量如何、总角动量如何、总角动量在磁场上的分量如何、自旋的角动量如何，这四个量子数就完全描述氢原子的电子运动状态。这些量子数中，除了自旋量子数ms以外，其他量子

8、数首先都是从解氢原子状态方程获得的，但这些量子数后来都被实验一一所证实，这些实验包括原子吸收、发射光谱等（图1）。图1 氢原子光谱氢原子的光谱实验就证实了这些。首先，氢原子光谱是线状光谱证明了在原子世界中物理量的变化是不连续的、量子化的，每一条谱线标志一定的能量，这些能量就检验了量子数n的正确性。其次，电子在跃迁的时候，总要遵循一项规则（角量子数差为1），电子跃迁的规则实际上就表示了l量子数的存在，在外磁场下同一条线可以分裂成多条谱线，多条谱线的分裂是由于m量子数的存在而造成的。另外，如果我们用非常精细的高级光谱还可以看到更细致的分裂，而更细致的分裂是由于自旋量子数造成的。在原子的一定状态下量

9、子数n、l、m、ms是客观存在的，不是虚有的，也不是捉摸不定的，本身就是客观存在的量，是被光谱实验证实了的。人们用量子数描述原子中电子的运动状态是自然的，就相当于衡量跑步一样，我跑百米的时间是25秒左右，年轻人是14秒或15秒，运动健将是10秒左右。笔者：我们可以这样理解，微观粒子不同于宏观物体的运动的主要特征是其运动是量子化的。基于这种量子化的特征，一些理论研究者以及实验研究者使用了四个量子数，用来描述量子化的运动，四个量子数是描述原子中电子运动状态的几个指标。李教授：对，是这样的。笔者：说完了粒子的运动特征，再来看一看粒子之间的作用力化学键。关于化学键，在课标中也提出了一些新的要求，比如要

10、求学生知道共价键能分成键和键。请问您对化学键的相关理论是怎样认识的？您认为中学生对化学键应该认识到什么程度？李教授：、郎缪尔（I.Langmuir）和柯塞尔（W.Kossel）的工作，建立了化学键的八偶体模型（如图2），人们正是从八偶体的观念来认识化学键的，在整个化学的发展过程当中，八偶体理论对解释化合价和周期律起着非常重要的作用，但是后来人们发现很多问题解释不了，说不清楚，因为这个理论中有一个严重的缺点，即将电子作为静电荷处理。图2 两种八偶体模型P1P21916年，路易斯又提出了共用电子对的理论，这个理论指出了化学键的物质性质，但仍不能说明原子之间的结合能的存在，不能解释化学键即共价键的饱

11、和性及方向性。到了1913年，玻尔（N.Bohr）提出了原子动态模型，他认为氢分子中两核（核A和核B）的两个电子（P1，P2）在一定的轨道上做相同方向的运动（图3），之所以形成分子是由于电子在运动时有一定的离心力，两核对电子有一个向心力，离心力和向心力相等时就构成了氢分子。当时提出这个动态模型在世界上引起非常大的轰动，大家认为该模型很好。可是后来用玻尔的这种理论去推测化学键的键能时完全不对，用这个想法去解释原子光谱、分子光谱也完全不对。图3玻尔氢分子模型后来人们一直在徘徊，到底化学键是什么呢？到了1927年，薛定谔（E.SchrÖdinger）根据电子具有波性用薛定谔方程处理氢原子后

12、，量子力学问世。紧接着，1927年海特勒（W.H.Heitler）和伦敦（F.W.London）两个人用量子力学的观点处理氢分子，解释了化学键的本质，他们认为化学键的本质是电性力的作用。在此基础上，逐渐发展起来两个分支理论，其中一个是由斯莱特（J.C.Slater）和鲍林（L.C.Pauling）发展的价键理论，包括电子配对、杂化轨道、共振杂化体等内容，这个理论对化学的发展起了非常重要的作用，特别是对络合物的发展起了很大的作用，鲍林为此获得诺贝尔化学奖。但是这个理论有它的缺点：可以解释分子构型，但是不能预测分子构型；可以解释原子间有相互作用力，但不能计算这个力到底有多大；能解释共价键的方向性及

13、饱和性，但不能预测键长、键角究竟是多少；不能说明分子的光谱实验如：分子的吸收光谱（紫外吸收），分子的发射光谱（荧光、磷光），更不能说明分子的光电子能谱。所以这个理论在19世纪50年代以后几乎慢慢停顿下来。在价键理论提出的同时，1931年密立根（R.S.Millikan）研究双原子分子光谱，提出分子轨道理论，他的理论能正确解释分子光谱。同时他提出，对双原子分子来说键型分成几类：一类是键、一类是键、一类是键、一类是键，并且指出双原子分子形成化学键应该有一定的角动量（沿着键轴方向），键的角动量是0，键的角动量是1h，键的角动量是2h，键沿着键轴的角动量量子数是3h，后来这些也被实验证实。在结构模块中

14、没有讲分子轨道理论，只讲了杂化轨道理论（属于价键理论）。虽然价键理论自身有很多缺陷，但这个理论确确实实为化学的发展起过很重要作用，它解释了很多化合物的构型，解释了共价键的饱和性、方向性，推动了化学的发展，我们应该尊重历史。我们之所以介绍这个理论，还因为它比较直观，较易被学生理解接受，老师也比较好讲。此外，教材中虽然没讲分子轨道理论，但是一些概念如键、键等键型是按照分子轨道理论的结果表述的，这对学生以后再学习和从事相关工作都是有益的。笔者：请问李老师，原子轨道与化学键又有什么关系呢？李教授：在教学中，首先帮助学生建立原子轨道的概念，有了原子轨道的概念之后，学生就很容易理解原子结构和元素周期律。化

15、学键理论价键理论认为，在分子中原子的原子轨道是不变的，未成对的电子在原子轨道上运动，之所以能形成化学键是因为不同原子的原子轨道相互重叠，是那些自旋相反的两个电子在此运动的结果，这是价键理论的基本思想。有了这个思想之后，才解释了一些分子的饱和性和方向性，例如氧原子跟两个氢原子结合达饱和，硫原子也是跟两个氢原子结合达饱和且夹角是90°。从电子在原子轨道上运动不变的思想出发，鲍林才提出了杂化轨道理论。按照原来的原子轨道，碳原子形成甲烷，3个p轨道和1s轨道性能是不一样的，不可能形成4个相同的键。为此鲍林提出，s轨道和p轨道互相混合后形成4个性状完全相同的新的轨道，这样就解释了甲烷分子的结构

16、。原子轨道在分子轨道理论中也起着重要作用，这里不再阐述。最后，还希望学生通过化学键理论的学习建立这样的观念：人们对事物的认识总是在不断探索前进的，即使今天认为分子轨道理论比较好，但也不是终极的理论，随着事物的发展、人类社会的发展、认识世界工具的改进，人们对事物本质的认识会更深入。事物都是在发展的，真理总是相对的，只有不断地追求和探索才能把握事物的本质，诺贝尔奖的大门是向每一位探索者开放的，只有那些肯于攀登、不畏艰难的人才能达到光辉的顶峰。笔者：最后，请问李老师，在我们知道了原子结构和化学键的相关知识之后，我们对于物质的结构是不是从构成物质的微粒结构及微粒间的作用力这两个角度去认识和理解就可以了

17、？李教授：对于物质的认识，应该在不同的层面进行，这跟物质的聚集状态相关。例如：对于气态物质来说，研究分子这个层面就够了，即从分子这个水平去认识气体就可以了；物质在液相情况下，如果它能分解成离子，那么从离子这个层面认识就可以了；而对于固体来说，比如铁，除了从铁原子本身的结构认识以外，还应该从这块铁的构成层面来认识。对于固体来说，其构成一是靠原子、离子或分子之间的相互作用，另外还有几何因素在控制。这就是我们所说的堆积方式的问题。例如，金属钠形成固体，每一个钠原子的原子实大小是一样的，它会形成自己特有的堆积方式。金属原子相互连在一起的时候，这种键一般是金属键，这种特殊的键把金属原子连结在一起。相同的

18、金属原子（铁原子、钾原子），形成固体时堆积越紧密越好，这个时候结合力就越大，能量降低越多，结构就越稳固。即使是紧密堆积，也有不同的情况，有些是立方的紧密堆积，有些就可能是六方的紧密堆积等，这样就构成了各种各样不同的堆积方式，导致不同堆积方式的同种物质的性质不一样。对于离子化合物来说，像氯化钠，其中的钠离子和氯离子是靠电性作用连结在一起的，每个钠离子周围有氯离子，氯离子周围有钠离子，这里也有堆积的方式问题。NaCl晶体中，带负电的Cl-较大，带正电Na+的较小，为了尽量使两者紧密结合，肯定是大的离子中间有小的空隙，小的离子会从空隙钻进去，这样能量就降低了，作用力就大。即NaCl晶体中的离子堆积方式跟Cl-和N