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1、课程四选修模块的学科问题第二讲下主持人：高中化学新课程远程研修项目组核心成员 、 北师大化学教育研究所博士 陈颖嘉宾：高中化学课程标准组组长之一、北京师范大学化学教育研究所所长 王磊教授结构化学专家、北京师范大学化学学院 李宗和教授北京市第35中学 支瑶老师北京市汇文中学 岳波老师上一集我们对有机化学基础选修模块的学科问题进行了探讨，这一集我们将对物质结构与性质选修模块的学科问题进行讨论。一、物质的结构与性质模块的设置意义及结构化学的核心概念主持人：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
2、能否从学科专家的角度来讲一讲您自己的看法。李宗和：化学的主要任务之一是为了人类的生存与发展，要发现和制造为人类有用的一些新物质，而这些新物质的发现应该是难以预测的，新物质的制造需要经历一个非常漫长的时期。在解决这个问题的时候，有几个非常关键的问题需要解决，一是新物质的性能和结构，二是如何选择一条最好的路线合成新物质，三是按照这条路线合成的新物质的产率究竟有多大。这些就是现代化学主要研究的任务之一，这个工作从国际上讲，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、还有人工模拟一些东西都需要这样做。首先得要知道它们的结构，再知道合成路线，最后才开始合成。所以我觉得现代化学的
3、发展需要一些新的理论来贯彻，而这个新的理论就是结构化学，结构化学在现代化学中担当了一个非常重要的角色。我想对于中学生，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它方面的工作，这方面的知识的了解对他们以后的发展是非常有意义的。主持人：实际上结构化学也是和实际的生产生活现象结合非常紧密的，李老师您能不能接着给我们谈一下，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？李宗和：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观念，我认为有两个：一个是轨道，一个是量子。我们常把原子中的
4、单电子运动状态或者分子中的单电子运动状态称为轨道。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，在这里的概念是相当广泛的。它表示着粒子或者电子或者原子核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，它的运动状态主要从一些物理量来描述，例如它的能量、角动量等等。比如就像一个人，跑步的时候总得给一些量（指这个人跑的速度快、跑的速度慢），用一些物理量来进行描述。在原子、分子和原子核中，电子的运动的物理量是靠能量、角动量等来进行标志的，它的运动跟平常的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、连续不断的变化。比如人跑不可能一下子就能跑到每秒十米，是一点
5、一点加速起来的。如果在原子和分子当中就不一样，运动状态从一种能量进入到另外一种能量，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，中间就不能动，只能是这样一个状态。所以我们就把原子和分子当中这种不连续变化的物理量的单位叫做量子。在这种特定的情况下，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。这就是两个在现代化学当中最基本的概念。主持人：那么，四个量子数和您说的量子是一种什么样的关系？李宗和：要想学习化学，首先要了解原子、了解分子，一步一步的把它展开。描述在原子当中单电子的运动状态，我们就叫原子轨道。标志单电子的运
6、动状态的物理量能量、角动量用什么来标志呢?就是靠量子数来标志的。能量的变化是不连续的，就用相应的量子数表示，角动量的变化是不连续的，也用相应的量子数来表示。比如在氢原子当中，我们引进了四个量子数：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。实际上量子数是用来描述电子运动状态的。这些量子数中，除了自旋量子数Ms以外，其它量子数都首先是从量子力学的方程解出来的，但是这些量子数后来都被实验一一所证实。氢原子的光谱实验就证实了这些，氢原子光
7、谱是线状光谱就证明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。电子在跃迁的时候，总要遵循一项规则，电子跃迁的规则实际上就表示了L量子数的变化，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。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。所以量子数N、L、M、Ms在原子的一定状态下是客观存在的，不是虚有的，也不是琢磨不定的，本身就是客观存在的量，可以通过光谱实验来说明，证实它的存在。因此引进量子数是必然的，引进是为了使人们认清原子的运动状态如何。就相当于让你
8、跑步似的，跑百米的速度我大概是25秒左右，年轻人大概是17秒、16秒或15秒，运动健将大概10秒左右。因此，可以用量子数来描述粒子的运动状态。主持人：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提出了四个量子数，用来描述量子化的运动，四个量子数是描述运动状态的几个指标。这些指标有的是从理论上提出来的，现在科学已经发展到可以用类似于光谱的实验来证实它确实是有能量、角动量、自旋量等等。可以这样说吗？李宗和：可以这样说。核心观点：1、结构化学是现代化学的理论基础，中学生有必要学了解一些相关内容，为将来进一步学习化学做准备
9、。2、结构化学有两个核心观念，一个是轨道，一个是量子。二、嘉宾谈对核心内容“化学键”的思考主持人：关于化学键，在新课标里对共价键内容提出了一些新的要求，比如说要求学生知道共价键能分成键和键。您对共价键的相关理论是怎样认识的？中学生应该认识到什么程度？1化学键理论的发展历史李宗和：开始人们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，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。人们就想这个观念是不是要扔开，到了1913年的时候波尔又提出一个想法，他用一个动态的模型，比如氢分子两核（核A和核B）的电子在一定的轨道上运动，在类似于宏观的轨道上运动，
10、而且大家方向都相同。他认为之所以形成分子是由于电子在运动，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。可是后来用他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，说不清楚。后来人们一直在徘徊，到底化学键是什么东西。到1927年的时候，薛定谔方程出现了，薛定谔在这一年当中发表了六篇论文，这六篇论文奠定了化学对量子力学的基础。紧接着，在1927年海特勒和伦敦两个人用量子力学的观点处理了氢分子，氢分子处理完之后他们认为解释了化学键的本质，他们认为化学键的本质是电性力
11、的作用。在这个时候就分成两个叉，一个叉是由斯雷特和鲍林发展的价键理论，像电子配对理论、杂化轨道理论、共振杂化体理论等等，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：可以解释构型，但是不能预测构型；可以解释可能有相互作用力，但不知道这个力到底有多大；不能预测键长、键角究竟是多少；不能把分子的光谱说清楚，分子的吸收光谱、分子的发射光谱、紫外吸收光谱、荧光光谱、灵光光谱都没办法说明；更不能说明分子的光电子能谱。所以这个理论在50年代以后几乎就慢慢被停顿下来了，没有很快的发展起来。在1931年提出价键理论的同时，莫尼肯在
12、研究双原子分子光谱，他提出分子轨道理论，他的理论把分子光谱说得清清楚楚。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键应该有一定的角动量，键的角动量是零（沿着键轴的角动量是零），键沿着键轴的角动量是1，键沿着键轴的角动量是2，键沿着键轴的角动量是3。在这样的情况下，人们就开始用实验来证实，因为有角动量就有磁矩，有磁矩就可以测量，实验证实了他所提出的理论是正确的。在物质结构与性质模块中没有讲分子轨道理论，只是讲了杂化轨道理论（属于价键理论，比如电子配对、杂化轨道），但共振杂化体没有讲。虽然价键理论自己有很多缺陷、很多不好的地方，但这个理
13、论确确实实为化学的发展起了很重要作用，它解释了很多化合物的构型，解释了化合物的饱和性、方向性，推动了化学的发展。我们之所以介绍这个理论，是因为比较直观，学生比较容易懂，老师也比较好讲，对于中学生来讲学到这些知识也就足够了。在教材中虽然没讲分子轨道理论，但是给的概念（键、键和键的概念）是按照分子轨道理论的科学概念表述的。这个概念学生今天要用，明天也要用，可能很长很长的时间都要用。2原子轨道教学与化学键教学的关系主持人：二位老师我还想再追问一下,李老师刚才说的原子轨道在物质结构模块学习中非常重要,这毕竟是一个比较抽象的东西,我们怎样帮助学生学习或者建构原子轨道内容？另外,原子轨道对学生后续的物质结
14、构学习(如：分子的形成、共价键的形成)起到什么作用？赵河林：刚才李教授谈到量子数和原子轨道的关系，从学科上阐明了量子数和原子轨道的关系。在教学中我们应该给学生一个比较科学的原子轨道概念，这样就有引入量子数的必要性，如果不引入量子数，学生可能会对原子轨道产生一些模糊的认识，可能会对能级有一个模糊的认识。比如对能级的认识：“同一能层的电子能量可能不同，可以把它分成能级，就像能层是楼层、能级是楼梯的阶梯。”，这种对能级的认识是比较科普化。另外有的人回避能级问题来谈原子轨道（例如相同电子层上原子轨道能量的高低问题），让学生的认识处于一种记忆上的水平。而能级实际上是由两组数决定的，没有量子数的概念，就不
15、容易给学生产生一个较为正确的或者科学的能级概念。如果没有能级概念，学生就很难有一个科学的原子轨道概念，后面也就很难有比较科学的化学键概念，不好进一步的阐述化学键的特征（方向性和饱和性）。所以，我们希望能从量子数的角度引入原子轨道的概念，有了原子轨道的科学概念以后，学生便于认识原子轨道和元素周期表的关系。在必修阶段学习了元素周期表和原子结构的关系，但这是比较低的认识水平。如果有站在量子化基础上的原子轨道概念，学生将会对元素周期律、元素周期表的认识有一个较大的提升。学生可以更清晰的认识周期是怎么来的、周期源于能级的划分，可以更深刻的认识族的概念。使学生认识到元素周期表不是事实的罗列，而是存在内在的
16、规律的。在必修阶段讨论过原子结构、元素周期表和元素性质的关系，如果有比较科学的原子轨道概念，将有利于帮助学生进一步认识元素的性质（电离能和电负性），帮助学生从原子结构的角度认识元素的性质，同时也会影响到微粒间的相互作用的学习（如：共价键的概念）。李宗和：我再接着说一点，有了原子轨道的概念之后，学生就很容易理解原子结构和周期律，学生从价键理论的观点理解化学键会更直观一些。从价键理论来看，在原子、分子中原子轨道是不变的，未成对的电子在原子轨道上运动，能形成化学键是因为原子轨道相互重叠，使那些自旋相反的电子形成了化学键。有了这个思想之后，才解释了一些分子的饱和性和方向性，例如氧跟两个氢进行饱和，硫化氢也是硫跟两个氢进行饱和且夹角是90度。从原子轨道的思想出发，鲍林才提出了杂化轨道理论。按照原来的原子轨道，碳形成甲烷，四个P轨道是一样的，1S轨道是一样的，不可能形成四个相同的键
