《物质结构与性质》典型反常规教学案例

杨春琼 摘要：人教版普通高中化学选择性必修2《物质结构与性质》，作为云南省最后一本新增教材教学内容，大部分学生能从“微观结构、结构决定性质”等角度去理解和应用，但由于教师教学实践经验不足，某些反常规知识点挖掘不充分，导致实际教学中占位不高，没有很好发展学生的认知思维。文章将从物质结构化学的一些反常规知识出发，打通学生对物质结构知识的认知障碍，帮助学生更加全面的认识一些物质结构知识。 关键词：物质结构 反常规知识 认知思维 教学策略 1.反常规一——洪特规则特例之原子的核外电子排布式 构造原理解释了原子核外电子的能量是不连续的，电子在原子核外是分层排布的。按照构造原理，24号元素Cr原子价层电子排布式为：3d44s2，但实际却是3d54s1；29号元素Cu原子价层电子排布式为：3d84s2，但实际却是3d94s1。 待老师讲授完核外电子排布的构造原理后，先不急于直接给出铜和铬的核外电子排布式，而是先让学生根据构造原理直接去写出错误的电子排布式。然后，教师再给出相关信息，能量最低原理的深层博弈——洪特规则特例：在基态原子电子排布中，电子的能级处于“全充满、半充满、全空”时，电子的能量更低、更稳定。从而让学生产生认知冲突，及时而有效的掌握了原子核外电子排布的全面深入的知识。最后，教师再让学生写出铬和铜的下一周期元素42号钼和47号银的价层电子排布式，加深学生对洪特规则特例的理解和应用。 在普通班的教学中采取了上述教学策略后，全班47人中，41人写对了钼和银的价层电子排布式。重点班没有让学生先去犯错，教师先讲授洪特规则特例，让学生基于构造原理和洪特规则特例直接写出铬和铜的价层电子排布式，然后就写钼和银的价层电子排布式，全班47人，只写对了30人。 课堂上的错误是客观又美丽的，在学生“犯错—改正—巩固”等环节中，才能进一步增强学生对知识的全面认识和掌握，有效提升他们对原子核外电子排布式的认知思维，提高课堂教学的针对性和有效性。 2.反常规二——臭氧是双极分子：由极性键构成的极性分子 极性键是指在化合物中，不同种原子形成共价键时，由于不同的原子吸引电子的能力不同，共用电子对会偏向吸引电子能力较强的原子一方，使键的一端带部分正电荷，另一端带部分负电荷，这样的共价键叫做极性共价键，简称极性键。例如在氯化氢（HCl）分子中，氯原子吸引电子的能力比氢原子强，共用电子对偏向氯原子，使得氯原子一端略显负电性，氢原子一端略显正电性，H—Cl键就是极性键。通常，由不同种元素组成的原子间形成极性键，由同种元素原子间形成非极性键。但臭氧分子呈V形结构（键角约116.8°），中心氧原子与两个端基氧原子形成两个σ键。由于氧原子的电负性（3.44）相同，但分子不对称，电子云分布偏向端基氧原子，导致中心氧与端基氧之间的键具有极性（偶极矩不为零）。 像这样类似的知识，对学生的认知冲击比较大，部分学生会觉得化学知识学得无厘头，毫无规律可言。老师可以进行学科融合，先讲政治教学中矛盾的普遍性和特殊性辩证关系原理，然后让学生自主阅读课本中的资料卡片，找出课本中对臭氧分子的相关介绍：臭氧分子的空间结构与水分子的相似，其分子有极性，但很微弱，仅是水分子的极性的28%。臭氧分子中的共价键是极性键，其中心氧原子是呈正电性的，而端位的两个氧原子是呈负电性的。由于臭氧的极性微弱，它在四氯化碳中的溶解度高于在水中的溶解度。[1]让学生自主寻找相关资料进行证明的过程中，不仅培养了他们的自主学习能力，同时也进行了批判性学习重要性的教育。 3.反常规三——石墨微粒排列的多样性与性质的特异性 石墨不同于金刚石，它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化，而是呈sp2杂化，形成平面六元并环结构。因此，石墨晶体是层状结构的，层内的碳原子的核间距为142 pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的。石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。由于所有的p轨道相互平行而且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动。因此，石墨有类似金属晶体的导电性，而且，由于相邻碳原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。像石墨这样的晶体，是一种混合型晶体。[1] 石墨的层状结构是共价键与金属键的矛盾统一，石墨中的C原子采用sp²杂化形成的六元环层状结构，层内共价键强，层间以范德华力维系，这样，石墨不仅具有共价键的“高熔点”性质，而且还有层间易滑动、离域π电子自由移动的“质软、导电”的矛盾性质，颠覆了“共价晶体硬度大、不导电”的常规认知。 教学中通过对比共价晶体金刚石、混合型晶体石墨、分子晶体C60的结构差异，帮助学生建立“同素异形体→结构差异→性质迥异”的认知思维模型，深化“结构决定性质”的核心观念。最后，通过习题加以应用巩固。 石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是（ ） ①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的C为sp2杂化；④石墨熔点、沸点都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和C-C键数之比为1:2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨层内导电性和层间导电性不同；⑧每个六元环完全占有的碳原子数是2。 [A]全对 [B]除⑤外 [C]除①④⑤⑥外 [D]除⑥⑦⑧外[2] 4.反常规四——冰浮在水面上，冰的密度比水大 通常，同一物质的不同状态，固态的密度大于液态的密度。因为大多数物质，固体分子之间的距离较小，排列得更紧密。而大自然的奇观之一——冰浮在水面上，却恰恰与之相反。课本教材对此解释如下：我们最熟悉的冰，水分子之间的主要作用力是氢键(当然也存在范德华力)，在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。尽管氢键比共价键弱得多，不属于化学键，却跟共价键一样具有方向性，即氢键的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引。这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，其密度比液态水的小。当冰刚刚融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4℃时，才由于热运动加剧，分子间距离加大，密度渐渐减小。 对于这一反常规的教学案例，教师先从学生的生活现象认知入手，让学生先感受冰浮在水面上的美丽景象，然后透过现象解释本质原因，并用动画图片：冰中一个水分子周围有4个水分子、冰的微观结构、冰融化时，水分子间的空隙减小、超过4℃时，热运动加剧，水分子之间的距离加大，密度变小。让学生从结构、温度等多个角度，会合理解释与认知物质的密度。 就像我们对物质状态的认知从最初的气态、液态、固态，再到晶态、非晶态，直至到液晶态、塑晶态、等离子体……科学研究的前沿成果还有很多尚未完全解决的问题，如在一些关于新型材料、复杂分子结构、特殊晶体结构等，仍然存在着许多有待解决的问题。物质结构与性质领域还有很多未知等待着我们去探索。 参考文献 [1]普通高中教科书 化学 选择性必修2 物质结构与性质[M]人民教育出版社,2020. [2]王朝银.创新设计 化学 选择性必修2 物质结构与性质[M]云南人民出版社,2023.