分子間效力相關概念的知識層級結構

分子間效力相關概念的知識層級結構

與18世紀的經典化學相比，現代化學從宏觀到微觀，從靜態(tài)研究到動態(tài)研究，從個人和詳細研究發(fā)展到相互滲透和關系研究，從分子中的原子配置發(fā)展到分子之間的相互作用。分子間的相互作用及其影響主要集中在以下4個方面:(1)從分子層次進一步認識物質的微觀結構;(2)解釋物質的一些性質,如:溶解性、熔點、沸點、密度、酸堿性、反應活性;(3)對4大基礎化學有機地融合為一個整體產生至關重要的影響;(4)對分子器件、材料科學和生命科學的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。1電導率與能量相互作用分子間作用力是化學學科的重要概念,指的是除化學鍵外基團間和分子間相互作用力的總稱。它主要包括:離子或荷電基團、偶極子、誘導偶極子等之間的相互作用力,氫鍵,疏水基團相互作用力及非鍵電子推斥力等。針對這部分知識,需要形成的核心觀念為:分子間作用力和化學鍵是2種不同的作用方式,對物質的結構及其性質產生不同的影響。圖1是對“分子間作用力”知識結構的梳理和呈現。2學生學習分析u3000分子之間的力作用概念2.1氫鍵與物質相關概念的培養(yǎng)在“物質結構與性質”選修模塊中,學生在分子間作用力及其相關概念學習中應在以下幾個方面得到相應的發(fā)展:(1)能夠對化學鍵和分子間作用力2種不同的作用方式形成認識。例如,化學鍵和分子間作用力在存在微粒、力的強弱、形成物質的物理性質、與化學變化的關系、與物理變化的關系等方面存在不同。(2)了解范德華力的大小與分子的相對分子質量之間的關系,能夠針對結構和組成相似的分子形成的物質的熔點、沸點的高低問題進行預測。例如,對CF4、CCl4、CBr4、CI4的熔點、沸點高低情況進行預測。(3)能夠針對具體的物質分析是否有氫鍵的存在,是哪種類型的氫鍵以及對物質的性質(如熔點、沸點、溶解度)等產生的影響。例如,能夠比較下列物質熔點、沸點的高低并且說明原因:1H2O和H2S;2HF和HCl;3NH3和PH3;4CH4和CCl4。再如,運用氫鍵的有關知識,解釋下面的事實:1水和乙醇可以完全互溶;2氨氣極易溶于水。(4)認識氫鍵對于水的特殊性質的影響作用,認識氫鍵對于自然界存在和生命科學的重大意義,例如,DNA分子有2條鏈,鏈間是2條鏈上的堿基以氫鍵配對,許許多多的氫鍵將2條鏈連成獨特的雙螺旋結構,構成遺傳基因復制機理的化學基礎之一。在其他選修模塊中,學生在分子間作用力及其相關概念的學習中應在哪些方面得到相應的發(fā)展呢?以“有機化學基礎”模塊進行說明?！坝袡C化學基礎”選修模塊中,學生的發(fā)展側重在解釋物質的性質而不是分子間作用力及其相關概念的形成。學生在學習中應在以下幾個方面得到相應的發(fā)展:(1)能夠認識到范德華力的大小與分子的相對分子質量之間的關系,針對結構和組成相似的分子形成的物質的熔點、沸點的高低問題進行解釋。例如,甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷4種物質結構和組成相似,它們的沸點隨相對分子質量的增大而逐漸升高。(2)能夠認識到在醇類、羧酸類物質中有氫鍵存在,這些氫鍵對該類物質的性質(如熔點、沸點)等產生的影響。例如,飽和一元醇的沸點比與其相對分子質量接近的烷烴或烯烴的沸點要高。(3)能夠認識到醇類、醛類、羧酸類物質與水分子之間有氫鍵,對醇類、醛類、羧酸類物質在水中的溶解度造成影響。例如,對于飽和一元醇,當烷基較小時,醇分子與水分子形成氫鍵使醇與水能互溶;隨著分子中烷基的增大,醇的物理性質接近烷烴。2.2u3000相對分子質量為物質性質提供了新的判斷標準,這在學生實踐中出現了價值和歸在必修學習階段,沒有設置關于分子間作用力的相關內容,這樣在選修階段接觸這些概念對于學生來說是全新的,必然會給學生的學習和認識帶來障礙。其次,共價鍵、離子鍵、金屬鍵同樣屬于化學鍵的范疇,之間有諸多類似之處;在這部分類似概念熟悉的基礎上引入一個全新的分子間作用力,從認識上講也是必然有困難的。為了便于在教學設計中著重突破學生的障礙點,來分析學生在學習中存在的具體困難。在“物質結構和性質”這個選修模塊中,要求學生了解范德華力的大小與分子的相對分子質量之間的關系,學會預測結構和組成相似的分子形成的物質的熔點、沸點的高低問題;要求學生知道氫鍵的類型以及氫鍵對物質性質(如熔點、沸點、溶解度)的影響。在這些方面學生存在什么樣的具體困難呢?(1)學生不易理解關于范德華力強弱的如下規(guī)律:一般來說,結構和組成相似的物質,隨著相對分子質量的增加,范德華力逐漸增強。在教材中,此規(guī)律的得出是依據物質熔點、沸點的數據分析得出的,沒有理性的推斷,因此學生往往以死記為主,很難做到理解。(2)不同類型的氫鍵對物質性質的不同影響。不同類型的氫鍵對物質性質的影響是需要分情況討論的。學生在認識上往往存在這些困難。比如:1熔點、沸點、溶解性分別是和哪些分子間氫鍵有關?什么時候考慮分子本身之間的氫鍵,什么時候考慮分子和水分子之間形成的氫鍵?2分子間氫鍵和分子內氫鍵對物質的性質分別產生怎樣的影響?3非金屬氫化物的穩(wěn)定性和氫鍵有關系嗎?4氫鍵只和物質的物理性質有關嗎?學生為什么會存在這些認識上的困難?關于范德華力的強弱規(guī)律不好理解是因為學生不清楚范德華力包括哪些具體的作用力。如果這部分內容能用簡明的語言搭配合理的圖示進行陳述,會對學生的理解給予幫助。關于不同類型的氫鍵對物質性質的不同影響,學生的認識有困難,主要問題在于學生對熔點、沸點、物質在水中的溶解性、物質的穩(wěn)定性等理解得不夠深入,而且和具體的氫鍵類型沒有建立準確的聯系。“有機化學基礎”中不涉及分子間作用力以及氫鍵的概念,只是在討論物質性質的時候要運用到。例如魯科版教材“醇和酚”一節(jié)中,這樣描述到:從表1的數據可以看出,飽和一元醇的沸點比與其相對分子質量接近的烷烴或烯烴的沸點要高。這主要是因為一個醇分子中羥基上的氫原子可與另一個醇分子羥基上的氧原子相互吸引形成氫鍵(hydrogenu3000bond),增強了醇分子間的相互作用。飽和一元醇也可以看成是水分子中一個氫原子被烷基取代后的產物。當烷基較小時,醇分子與水分子形成氫鍵使醇與水能互溶;隨著分子中烷基的增大,醇的物理性質逐漸接近烷烴。常溫常壓下,飽和一元醇分子中碳原子數為1~3的醇能與水以任意比例互溶;分子中碳原子數為4~11的醇為油狀液體,僅可部分溶于水;分子中碳原子更多的高級醇為固體,不溶于水。多元醇分子中的羥基較多,一方面增加了分子間形成氫鍵的幾率,使多元醇的沸點較高;另一方面增加了醇與水分子間形成氫鍵的幾率,使多元醇具有易溶于水的性質。在這段正文的后面,教材還設置了關于“氫鍵”的知識支持,以便于不同的學生以不同的順序學習選修模塊時使用。客觀地講,這樣的表述、這樣的分析方式,是非常便于學生理解的。首先呈現物質性質的事實,再由事實推出氫鍵對物質性質的影響,又不任意擴展到其他類型的物質或者其他類型的氫鍵,應該說是易于學生接受的。該模塊中側重分子間作用力的具體應用,降低了學生的學習難度。3化學鍵和分子間作用力在舊教材中,分子間作用力和氫鍵是2個獨立的概念,分子間作用力又稱為范德瓦爾斯力。分子間作用力和氫鍵是在分子晶體這部分內容的第一個小標題中,主要是用于解釋分子晶體的性質。而分子晶體、離子晶體和原子晶體是同一節(jié)內容下的3個平行的小標題。這一節(jié)內容和另外一節(jié)“金屬晶體”是全日制普通高級中學教科書(必修加選修)化學第三冊第一單元的核心內容。該章的標題為“晶體的類型和性質”。這樣的一種關系可以用圖2來進行表示。新教材把分子間作用力作為一個認識物質構成的層次,從微粒間的相互作用這個視角展開對它的討論,而不僅僅是單純地圍繞分子晶體進行討論,這樣對分子間作用力的認識的深度、廣度、意義自然會造成大的不同。新教材中,不同的版本設置了不同的欄目以引入分子間作用力的教學,例如魯科版教材設置了這樣的“聯想·質疑”欄目:你曾觀察過電解水的實驗,對水的3態(tài)變化也很熟悉。水在通電條件下的分解與水的3態(tài)變化有什么不同?不同的版本以不同的形式介紹了范德華這位著名的科學家,為情感、態(tài)度與價值觀的教學準備了素材。魯科版和蘇教版以欄目的形式介紹了范德華力的成因,為學生理解“對于結構和組成相似的物質,相對分子質量越大,分子間作用力越大,物質的熔點、沸點也越高”的規(guī)律提供知識上的支持。3個版本的教材都設置了生物大分子中的氫鍵這樣的欄目,引導大家將化學與生活緊密結合起來。教材在這些方面的變革是否能夠帶來教學的變革?教材新增加的部分又是否會給教學帶來新的困難呢?在教學中具體怎樣解決所遇到的教學關鍵問題呢,從以下幾個方面進行分析。(1)運用對化學鍵和分子間作用力2種不同作用方式進行比較的策略,幫助學生形成對2者的認識。比較是經常使用的一種科學方法,它既要研究事物之間的共同點,又要分析事物之間的不同點?；瘜W鍵和分子間作用力同樣屬于微粒之間的相互作用,但在作用強弱、存在微粒、形成物質的物理性質等方面有明顯的不同,這些不同通過比較的教學策略易于進一步明確化。微粒之間的相互作用屬于微觀的范疇,是通過宏觀的屬性來外顯這些作用力的,因此結合宏觀性質才能進一步讓學生明確化學鍵和分子間作用力是2種不同的作用方式。從課堂導入、教學分析2個維度入手進行具體說明。首先,看這樣2種導入的方式。方式1:在我們周圍經常會發(fā)生一些大家認為司空見慣的現象:氣體能液化,固體會潮解,水可以將2塊玻璃片粘在一起……為什么這些現象會發(fā)生呢?這些現象的發(fā)生實際上是由于分子之間存在著某種作用力,這種作用力使分子能夠聚集在一起。把這種使分子聚集在一起的作用力叫分子間作用力。分子間作用力有2種最常見的類型;范德華力和氫鍵。這節(jié)課先來認識范德華力。方式2:離子鍵和共價鍵是微粒之間相互作用的2種重要類型。通過初中化學的學習,知道化學反應過程中原子是不會發(fā)生變化的,通過高中對化學鍵的學習,進一步知道化學反應其實是舊的化學鍵斷裂,新的化學鍵生成的過程。請大家考慮:電解水產生氫氣和氧氣,它是一個化學變化,所消耗的電能用于克服什么作用力?水從液態(tài)變成氣態(tài)也需要吸收熱量,這一熱量又是用于何處?方式1是從分子間作用力的存在引入的,方式2是從水所發(fā)生的2種不同變化的比較引入的。水的電解屬于化學變化,所消耗的電能用于克服氫原子和氧原子之間的化學鍵;水從液態(tài)變成氣態(tài)屬于物理變化,吸收的熱量用于克服水分子之間存在的作用力。這樣導入有以下幾大好處:1緊密聯系初中階段所學的知識,緊密聯系前面章節(jié)所討論的化學鍵的有關知識;2動態(tài)的方式表征了分子間作用力的存在;3從能量的角度出發(fā)認識分子間作用力;4從宏觀的角度出發(fā)認識分子間作用力;5以和化學鍵對比的方式來認識分子間作用力,為深入分析分子間作用力的特點奠定基礎。其次,來看這樣2種方式的教學對范德華力的分析是如何展開的。方式1:首先講述絕大多數的非金屬單質和多數共價化合物中存在范德華力。并且提醒學生注意:由原子直接構成的物質中都不存在范德華力;存在共價鍵的物質不一定存在范德華力。其次通過與化學鍵比較引導學生學習范德華力的特征。1范德華力的作用比化學鍵小得多,是一種弱的相互作用;2由共價鍵的飽和性與方向性過渡到范德華力無方向性和飽和性,只要分子周圍空間允許,當氣體分子凝聚時會盡可能多地吸引其他分子;3范德華力作用范圍小:300~500pm,分子只有充分接近時才有相互作用。方式2:首先引導學生閱讀教材完成下面的討論:1范德華力的實質及存在;2氯化鈉比氯化氫熔點高的原因;3通過對氯化鈉和氯化氫熔點高低的分析,提出對分子間作用力與化學鍵的區(qū)別的認識;4從日常生活中,具體說明破壞范德華力的例子。然后師生共同進行總結。方式1以教師講授為主,同樣強調和化學鍵的對比,但對比更局限于對范德華力自身特征的概括,而不是圍繞解釋物質性質這個更實質的任務。方式2以學生討論為主。對范德華力的認識包括2個層次。一是范德華力和化學鍵的不同,這種不同在宏觀性質上的具體表現;二是同樣由分子構成的物質,它們之間范德華力的大小關系在宏觀性質上的具體表現。對這2部分的認識一部分屬于概念外圍的討論,一部分屬于深入到概念內部的討論。此處的分析主要集中在概念的外圍,教師設置了有驅動性的問題,引領學生進行討論。從剛才的引入到現在的學生活動可謂渾然一體,總的目的在于幫助學生形成對化學鍵和分子間作用力2種不同作用方式的認識。2種不同的教學方式,方式1對范德華力的特征形成的結論主要集中在范德華力自身的特征,例如范德華力比較弱,范德華力無方向性和飽和性,范德華力的作用范圍比較小等。方式2形成的結論更加關注對物質性質的解釋。在這部分的教學過程中,充分關注化學鍵和分子間作用力2種不同的作用方式。教學完成后,學生如能形成圖3所示的圖示,對解決問題是非常有益的。在過去的教學中也發(fā)現,當提出CF4、CCl4、CBr4、CI4的熔、沸點高低問題時,學生往往能夠快速解決;而當提出NaCl和HCl的熔、沸點問題時,往往解決起來沒有那么輕松,這和學生形成了什么樣的認知結構關系密切。這樣的教學也為晶體的教學奠定了堅實的基礎。(2)通過揭示范德華力的微觀實質,幫助學生理解關于范德華力強弱的如下規(guī)律:一般來說,結構和組成相似的物質,隨著相對分子質量的增加,范德華力逐漸增強。過去的教材在講到“一般來說,結構和組成相似的物質,隨著相對分子質量的增加,范德華力逐漸增強”的結論時戛然而止,而魯科版教材設置了關于“范德華力的成因”的欄目,給教學留下了適度的空間,讓教師可以根據學生的情況選擇性地教,學生可以根據自己的能力選擇性地學,充分體現了新教材的選擇性理念。該欄目講述了范德華力的3種成因,從本質上加深了對范德華力的認識,更好地解釋了范德華力對物質熔點、沸點,特別是溶解度等性質的影響作用。對于這樣的內容,在教學中不作基本要求。但是教師可以根據學生情況通過組織學生自學、閱讀等形式,使學生對范德華力的成因、影響因素等有一定的認識和了解。(3)運用分類、宏觀、微觀相結合的策略幫助學生理解不同類型的氫鍵對物質性質的不同影響,使學生形成對由分子構成的物質某些性質的預測能力。氫鍵對物質性質的影響,這部分的討論重點和范德華力不同。范德華力側重同一類型的物質中范德華力強弱的不同對物質性質的影響;氫鍵這部分不要求分析同一類型物質中不同氫鍵的強弱問題,而是側重不同類型的氫鍵對物質性質的不同影響。如何完成“不同類型的氫鍵對物質性質的不同影響”這部分知識的教學呢?看這樣一個教學片段?！窘處熝菔尽?展示課件)引導學生觀察氧族元素、鹵族元素、氮族元素、碳族元素氫化物的熔點、沸點的變化趨勢,分析和討論其原因。【學生活動】分析圖片,分組討論,進行自由發(fā)言,填寫空白。1.通過圖片上各族元素氫化物的熔點、沸點的變化規(guī)律,哪些物質的熔點、沸點出現了反常?____通過對比,請你分析出現反常現象的原因可能是什么____?。2.分析碳族元素氫化物的變化規(guī)律是否也有反?，F象?____通過對比,請你分析原因可能是什么?____?！編熒偨Y】規(guī)律:分子和分子之間如果能形成氫鍵,分子的熔、沸點會較高。【學生活動】相關練習:一、比較下列物質熔點、沸點的高低并且說明原因。1CH4___CCl4原因____;2H2O____H2S原因____;3NH3____PH3原因____。二、比較下列2種物質在水中的溶解性大小,并且嘗試說明原因。NH3____PH3原因?！編熒偨Y】水分子和水分子之間形成氫鍵,氨分子和氨分子之間形成氫鍵使這2種物質的熔點、沸點明顯的高于同族元素氫化物的熔點、沸點。氨分子和水分子之間能形成氫鍵使氨極易溶于水,所以說溶質和溶劑分子間氫鍵的存在使溶質在溶劑中的溶解度增大?！窘處熣故尽空故距徚u基苯甲醛和對羥基苯甲醛的結構簡式以及熔點、沸點的數據?！緦W生活動】1它們都存在氫鍵嗎?2請同學們獨立思考,它們熔點、沸點為什么不同?3通過分析結果,你對氫鍵和由分子構成的物質熔點、沸點的高低情況有什么新的認識?【師生總結】對羥基苯甲醛和鄰羥基苯甲醛都存在氫鍵,對羥基苯甲醛的氫鍵存在于分子之間,而鄰羥基苯甲醛的氫鍵存在于分子內部,因此鄰羥基苯甲醛比對羥基苯甲醛的熔點、沸點要低?！窘處煱鍟窟@段教學片段實際上是