《物质结构与性质》教学中应关注的几个问题

《《物质结构与性质》教学中应关注的几个问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《物质结构与性质》教学中应关注的几个问题（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、暖教学jiao xue 物质结构与性质教学中应关注的几个问题 三明市第一中学严业安 在物质结构与性质模块教学中，笔者注意 到：课标中新增加的内容，由于考虑到中学生的知 识水平和认知程度，在教材中有些往往只是含糊地 叙述，但化学教师在平时教学中应准确地理解和把 握。于是笔者选取了一些教学相关的问题，查阅有 关文献并结合自己的理解，提出一些不成熟的解答， 供广大中学化学教师在平时备课、研讨时参考。 问题1：为什么多电子原子的原子轨道能量高 低次序为nsE轨道2，但是E电子】E电子2，结 果E轨道lEg：f-1 轨道2Eg：-2，即E体系1E体系2。 这就是第4周期前面几种元素的电子先填4s轨道 后

2、填3d轨道的原因。 问题3：为什么第4周期Ca以后的过渡元素 首先失去的是4s电子而不是3d电子? 解答：在问题2的讨论中，我们得出这样一个 结论，决定电子填充次序的不是轨道的能量而是体 系的总能量。因此，原子先失去哪个电子也应取决 于体系的总能量，而不是只看轨道能。第4周期的 sc、Ti等元素核外电子的构型依次为fAr3d-4s：和 ad3d24s 。从这些电子构型可以看出，尽管4s轨 教学jleo XUe一 道能高于3d轨道能，但这些元素中性原子的电子 还是先填满4s轨道。这就是说，在这些中性原子 中，电子填在4s轨道比3d轨道可使体系获得较低 的总能量。但是我们不能类推得出Sc、Ti等元

3、素失 去3d电子比失去48电子使体系获得较低的总能 量，因为这里涉及两种完全不同的体系中性原 子体系和离子体系。 以Ti原子为例。Ti原子失去两个电子变成 Ti ，是失3d电子还是4s电子，实质就是要解决 Ti： 具有Ar4sz构型还是Ar3dz构型使体系总能 量较低的问题。1ri： 的有效核电荷Z 比Ti高得多， 因此Tiz+的4s轨道能与3d轨道能之差比中性Ti原 子相应两轨道能之差大得多。另外，Tiz+的电子相 互作用能却因电子数目的；NO-而变J、。这样，在 Ti2+中4s与3d轨道能的差超过了电子相互作用能的 差，轨道能的顺序就决定了体系总能量的顺序。所 以对Ti 来说，arl3dz

4、构型的体系总能量比Arl4s 的 低。因此，Ti先失去的是4s电子而非3d电子。 问题4：为什么原子轨道在形成4L学键时要进 行杂化? 解答：对这个问题，可以从轨道杂化的可能性 和必要性这两个方面加以说明： (1)为什么原子 轨道可能进行杂化?因为电子具有波动性，不同的 波在一定条件下有相互叠加而形成新的波的性质。 因此，原子在化合过程中，受其他原子的作用，同 一原子的不同原子轨道(即不同的波函数)就可能 进一步线性组合而成新的原子轨道，即所谓杂化轨 道。 (2)为什么原子轨道需要进行杂化呢?原子 的核外电子运动状态(即电子构型)处于基态的情 况是不常见的，只有孤立原子这种电子构型才是最 稳定

5、的。如果原子处于化合状态，这种基态的电子 构型就不是最稳定的了。物质都有使自身能量降低 的趋势，因此原子相互成键时，为了使形成的化学 键更加稳定，放出更多的能量，原子的外层轨道就 要发生变化。 原子成键时为了放出更多的能量，一般采取两 种方式改变电子构型：由基态变激发态。激发态 的单电子数比基态多，就可多形成化学键，g-管激 发电子需要能量，但体系总能量却更低了；轨道 杂化。轨道杂化后能使体系能量降低。因为杂化轨 道的显著特点之一是具有强烈的方向性，轨道形状 与原来轨道大不相同，变成一头大一头小了。例 如，碳原子用sp杂化轨道(大的一头)与其他原 子成键，重叠部分就比纯s或P轨道大得多，故成

6、20141、2福屯赦 107 匮教学jia0 xue 键能力增强了。 概括地说，原子轨道具有波的性质，同一原子 的几种不同的原子轨道可以通过线性组合而形成杂 化轨道。杂化轨道具有强烈的方向性，从而增强成 键能力。但是，孤立原子本身并不会杂化，因为杂 化往往导致孤立原子的能量升高。只有当原子间相 互键合时才形成杂化轨道，因为这时杂化轨道强的 成键能力才会发挥作用。 问题5：已知氢键强度 一HF大于0一HO， 为什么H：O的熔沸点比HF高? 解答：与同族元素氢化物相比，H o和HF的 熔沸点特别高，这是由于这些分子间存在着氢键的 缘故。冰中()_一H0氢键的作用能为188 kJtool ， 而(H

7、F) 中卜HF氢键的作用能为281kJmol。 就氢键强度而言，FHF大于()_一HO，那么又 该如何解释H20的熔点、沸点(分别为0和100C) 比HF(分别为一831oC和195)高的事实呢? 共价键 氢键 HF 、HFH 图2 HF分子间的氢键 H H H H 图3水分子的氢键 H，0的熔沸点比HF高的主要原因有： (1)两 者形成的氢键数目不同。在液态HF中(见图2)， 一个HF分子只能用头尾与另外两个HF分子形成 两个氢键，折合每摩尔HF分子只分享到一摩尔氢 键；而在H2()中(见图3)，每个H20分子中有可 能形成4个氢键，每个氢原子分享到一个氢键，折 合每摩尔H 0中有两摩尔氢键

8、。因此每摩尔H：0形 成氢键的总数比每摩尔液态HF来得多。 (2)熔化 或沸腾时两者破坏氢键的程度不同。物质的熔化或 沸腾并不意味着它一定要变成单个分子。液态HF 沸腾并不需要破坏所有的氢键，而只需破坏其中的 一部分。红9t-及电子衍射等研究表明，气态HF是 单体和环状六聚体(HF 6的一种平衡混合物，在一 定的温度和压力下链状二聚体(HF 2也可能存在。 与此不同，在固态水(冰)中，水分子大范围地以 氢键互相联结成晶体，在液态水中多个水分子通过 氢键结合在一起形成(H O) ，而在水蒸气中并不 存在缔合分子，它是由单个H2()分子所组成，所以 水沸腾要破坏全部的氢键。也就是说，就单个氢键 而

9、言，键能F_-HF大于0一HO，但就固态变 108籀 教 2014，、： 成液态或液态变成气态所需消耗的能量来说，H 0 却大干HF，这就是H O的熔沸点比HF高的主要 原因。 问题6：为什么NH 的熔沸点比H20的熔沸点 低得多? 一些氢化物的熔点、沸点数据表 氢化物 H2O NH3 PH3 AsH3 SbH3 熔点K 273 1953 1405 1561 185 沸点K 373 2396 1856 21O5 2546 解答：水和氮族元素氢化物的熔点、沸点数据 见上表。由表可知：NH 的熔点和沸点大大高于从 同族元素氢化物序列外推得到的数值。这是由于 NH 分子间存在着氢键的缘故。但是，NH

10、 的熔沸 点却比H O的熔沸点低得多。一般认为，和H 0相 比，氢键对NH 的影响要来得弱些。相关数据表明， 冰中()_一H0氢键的作用能为188 kJtool，固体氨 中NHN氢键的作用能为54 kJtool。据此可以 认为，氢键对NH 的影响减弱很大程度上可归结于 NH，分子间形成氢键的能力弱于H：0分子。 为什么固体氦和液态氨中的氢键比冰和水中的 氢键弱呢?原因有两点：一是由于N的电负性( = 30)比。的电负性(x=35)j、，故NH键的极 性比0一H键的极性小，因此只有较小的生成氢键 的能力；二是因为NH 分子中只有一对孤对电子， 在与其他分子的NH基生成氢键时，这对孤对电 子必须是

11、对质子的引力的来源。而H20分子中的每 一个氢键都有一对孤对电子(见图3)。 另有文献表明，固体氨的结构比冰的结构更复 杂。在氨的晶体中，每个氮原子周围有6个最邻近 的氮原子，与它各相距338埃，这个距离表明N HN是一个弱的氢键(NH N 中较强的NHN 键的键长是294299埃)，这种“结构单元”通过 不对称的、非线形的氢键连接起来。和中心氮原子 键合的3个氢原子分别和另外3个氨分子形成氢 键。中心氨分子的氮原子又通过氢键和其他3个氨 分子结合，实际上每个氮原子和6个氢原子连接， 其中3个为正常的共价键，3个相当于氢键的距离 (见图4)。在固体氨中，HNH的键角和气态氨 接近，但NH键的键

12、长却比气态氨中明显地增 长。资料显示：氨分子能形成聚合体，通式为 (NH，) (n=l6)。其中(NH。)：呈极性，其结构中仅 。 L |l 0士 0 变式教学要讲求艺术 福州市第三中学金山校区 叶东福 所谓变式，指教师在引导学生认识事物属性的 过程中，不断变更所提供材料或事物的呈现形式， 使本质属性保持稳定而非本质属性不断变化。更广 义地讲，变式可被认为是对一切常规方式的改变。 变式教学，要求教师不断变更教学材料或事例 的呈现形式，使学生经常处于新情境中，它对激发 学生思考的热情、改善学生思维的品质大有裨益。 利用变式教学，教师可以展示知识的发生过 程，沟通新旧知识的内在联系，促进知识网络的

13、形 成，强化定理、定律公式的条件和适用范围，培养 学生思维的严谨性。但变式教学中的“变”，不是 随心所欲的“变”，它要讲求艺术。下文，笔者以 高中物理教学为例谈变式教学要讲求的艺术，以期 抛砖引玉。 一、概念变式教学讲究拾级而上 有经验的教师都有体会，让学生完全接受一个 新的物理概念是一个极其艰难的过程，而运用变式 教学则有助于缩短这过程。教师在概念教学中恰 当地运用变式，能揭示概念的本质特征，破除学生 大脑中已有的片面或错误的前概念，进而促使学生 建立正确的物理观，实现认识上的飞跃。 如讲完鲁科版高中物理教材必修2“功”的概 含一个氢键；n3的聚合体则为非极性，此与环状 的氢键结构相符 (见

14、图5)。当固态氨熔化时，NH， 中只有26的氢键断裂；从熔点加热到沸点的过程 中，只有7的氢键断裂。 图4 团体氨结构示意图 H H t-lJ14 H “ 图5氨分子的二聚体(a) 与三聚体(b)的结构 综上所述，和H20相比，NH。有较低的熔点和 慝教学jiao xue 念，学生多已知道力对物体做功包含了两个必要因 素：作用在物体上的力；物体在力方向上通过 的位移。用定义式表示就是W=FScosot。那么，学 生是否真正掌握了功的概念的本质呢?笔者曾设计 如下变式教学进行检验。 例题：一个重为20N的物体置于倾角为30。光 滑斜面上，从静止开始下滑6ITI，问下滑过程中重 力做了多少功 变式

15、一：光滑斜面一粗糙斜面( =01)。 变式二：光滑斜面一粗糙斜面 ( =02)，物体 以初速度(vo=3 rrds)开始下滑。 变式三：光滑斜面 粗糙斜面( =03)，物体 以初速度( 。=5 rrds)开始下滑，同时受水平推力 F=I N作用。 在上述变式中，重力和位移这两个问题的本质 因素没有变化，而外力、压力、摩擦力、初速度等 问题的非本质因素在各变式中是变化的。通过变式 的引申、分析和讨论，学生对“力做功”这一过程 理解得更为深刻，也更好地掌握了功的概念。 上述变式教学过程中，4个非本质因素的出现 遵循依次递增、拾级而上的规律，这使得学生的思 考类似于物理的“单因子”实验，难度不大且目标 明确。 沸点的原因主要有三点：一是在氨的晶体中，虽然 每个氨分子可以参与形成6个氢键(每个氨分子分 享到3个氢键)，但N的电负性 较0的小，形成的 NHN氢键较弱；二是每个氨分子中只有一对孤 对电子，不能形成交联网络；三是固态氨熔化、沸 腾时只有部分氢键断裂，液氨和氨气中还存在部分 氢键。 笔者对以上几个问题的解答，定有不周之处， 望化学同仁不吝赐教。 注：本文系福建省新课程背景下的化学教师人 才培养模式创新实验区阶段性实践成果，课题编 号：ZL1102RM fsj)。 20141、2福止教 109