閔云澤

（光明新區(qū)高級中學(xué) 廣東 深圳 518106）

一、問題提出

在化學(xué)教學(xué)中，總是強(qiáng)調(diào)物質(zhì)的性質(zhì)取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，有機(jī)物的教學(xué)更是把這個理論顯示得淋漓盡致。但在真正講解的過程中總是在有意地弱化物質(zhì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)生難以理解、教師難以解釋的兩難境地。下面一則教學(xué)實例就是證據(jù)：

教學(xué)實例：剛講完烷烴的性質(zhì)，就有同學(xué)到辦公室里來問，為什么多碳烷烴的各個碳原子不是直線型的，也不只是平面鋸齒型呢？老師笑了笑：“這個要用‘雜化軌道理論’才能進(jìn)行合理解釋”。同學(xué)一臉茫然：“什么是‘雜化軌道’呢？”“這個要到高三的時候才講，你記住多碳烷烴的結(jié)構(gòu)是怎樣的就行了。”該同學(xué)歪著頭，嘴里念著“雜化軌道”慢慢地走出辦公室……

這樣的場景，我想應(yīng)該在很多學(xué)校都出現(xiàn)過，難道就沒有一個學(xué)生一聽就懂的理論對上述問題做出合理的解釋？

筆者對高中階段常見的有機(jī)物的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物空間結(jié)構(gòu)很好地符合“空間最均勻分布”原理。

二、原理闡述

對于一個分子（或者基團(tuán)）而言，構(gòu)成分子（或者基團(tuán)）的多個原子總是相互牽制、相互影響，最終達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。即是說，當(dāng)一個原子（稱為中心原子）通過化學(xué)鍵（主要指共價鍵、配位鍵等）與多個原子相連時，這些原子總是根據(jù)自己的屬性 （主要是指質(zhì)量的大小、半徑的大小以及電負(fù)性），以空間最均勻的方式分布在中心原子的周圍，這就是“空間最均勻分布”原理。

實例1：甲烷的空間結(jié)構(gòu)：以碳原子為中心，與之相連的四個氫原子各自占據(jù)碳原子周圍空間的四分之一，并且與中心原子的距離相同，從而構(gòu)成以碳原子為中心，四個氫原子為頂點(diǎn)的正四面體構(gòu)型（如圖）。

此空間結(jié)構(gòu)完全符合有機(jī)物結(jié)構(gòu)空間最均勻分布原理——中心原子為碳原子，與之相連的四個氫原子由于在質(zhì)量和體積上完全相同，在空間上以最均勻的方式分布在中心原子的周圍，從而形成以碳原子為中心，四個氫原子為頂點(diǎn)的正四面體構(gòu)型。

實例2：乙烯的空間結(jié)構(gòu)：乙烯分子里的兩個碳原子和四個氫原子都處在同一平面上。它們彼此之間的鍵角約為120°。如果我們以其中一個碳原子為中心研究，那么與之相連的就是兩個氫原子和另外一個碳原子，它們在空間上分別占據(jù)中心原子周圍空間的三分之一，同處在一個平面之上，彼此之間的鍵角約為120°（如圖）。

此空間結(jié)構(gòu)也完全符合有機(jī)物結(jié)構(gòu)空間最均勻分布原理——中心原子為碳原子，與之相連的兩個氫原子和另外一個碳原子在空間上應(yīng)該以最均勻的方式，各自占據(jù)中心原子周圍空間的三分之一，因而只能是平面構(gòu)型。若單把連接在中心原子上的三個原子用線連接起來，可以看出，中心原子并不是處在三角形的中心，三角形也不是正三角形，三個原子與中心原子之間形成的角度與120°有一定的偏差。這都是由于兩個氫原子與另一個碳原子的質(zhì)量和體積上的不同所導(dǎo)致。

接下來的乙炔的直線結(jié)構(gòu)、苯的平面結(jié)構(gòu)、乃至一氯甲烷的非正四面體的四面體結(jié)構(gòu)，就可以根據(jù)有機(jī)物結(jié)構(gòu)的最均勻分布原理來進(jìn)行合理解釋了。

如果再次面對有學(xué)生不理解多碳烷烴分子結(jié)構(gòu)的時候，有機(jī)物結(jié)構(gòu)最均勻分布原理就能簡單、清晰地說明了。

有機(jī)物結(jié)構(gòu)最均勻分布原理的理論支撐：上述經(jīng)驗的理論支撐是什么呢？回答是雜化軌道理論和平衡原理。

雜化軌道理論可由簡化薛定諤(Schrodinger)方程根據(jù)量子力學(xué)原理導(dǎo)出，它闡述了化學(xué)鍵的長度與鍵強(qiáng)度、鍵能間的相互關(guān)系以及判斷分子及復(fù)雜離子的磁性等，成功地解釋了甲烷分子的正四面體空間構(gòu)型，且說明碳原子價電子形成四個共價鍵的等價性。微觀的作用結(jié)果表現(xiàn)為宏觀結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，這就是有機(jī)物結(jié)構(gòu)最均勻分布原理的化學(xué)理論依據(jù)。

平衡原理則是無處不在，物質(zhì)的穩(wěn)定存在與物質(zhì)本身能量的高低有很大關(guān)系。從微觀上講，一個原子如果受到其他幾個原子的同時作用，那么這些原子之間的相互作用越是平衡，這個分子才能越穩(wěn)定，表現(xiàn)出的能量才是最低的。

三、原理運(yùn)用

【例1】原子的共線、共面問題

如右圖所示，分子中最多有________個碳原子在同一平面上。解析 對于沒有有機(jī)物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的人來講，只需要懂得有機(jī)物結(jié)構(gòu)最均勻分布原理，就可以對右圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分別以最中央的碳原子作為研究對象，可知四個苯環(huán)中至少有兩個苯環(huán)必定與中心碳原子處在同一平面，再進(jìn)而對苯環(huán)中的碳原子進(jìn)行分析，可以得到最多可有13個碳原子處于同一平面。

【例2】解釋部分有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)原理——空隙進(jìn)攻原則

如乙烯雙鍵上的親電加成反應(yīng)：雙鍵上的結(jié)構(gòu)，是以雙鍵碳原子的其中一個為中心，另外連接三個原子，四個原子同處在一個平面上，外來物質(zhì)要與它進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)攻的方向只能是此平面的兩邊，反應(yīng)的結(jié)果自然然形成以碳原子為中心，連接在這個碳原子上的四個原子構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)。如下圖：

四、原理延伸

有機(jī)物結(jié)構(gòu)最均勻分布原理的理論來源于雜化軌道理論和平衡原理，因此它的應(yīng)用還可以推廣到配合物的結(jié)構(gòu)解釋，乃至更廣闊的方面。

五、教學(xué)上的反思

1.在教學(xué)中應(yīng)該以科學(xué)、簡單、清晰為原則去解釋所碰到的問題。

2.經(jīng)驗總結(jié)的原理在某個領(lǐng)域可能屢試不爽，因此在說明具體問題的時候，必須進(jìn)行必要的條件限制或推廣。

3.在這里，筆者提出原理，只做拋磚引玉之用。

4.教學(xué)反思無時不需，無處不有。