韓曉 王朝暉

摘要：用塑料串珠等材料構建了具有籠狀結構的C60分子模型，并利用此方法構建了可燃冰模型。借助實物模型，將抽象的結構具體化，幫助學生更好地認識分子以及晶體的微觀結構，提高學生的建模能力和模型認知水平。

關鍵詞：C60分子模型;可燃冰模型;模型認知

文章編號：1008-0546（2019）04-0086-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.023

一、問題的提出

“模型認知”是人類探索物質世界及其變化過程中，逐漸積累的具有化學特質的思維方法，不僅能夠解密物質及其變化之規(guī)律，而且也為創(chuàng)造新物質提供理論支撐”?！镀胀ǜ咧谢瘜W新課程標準（2017版）》將“模型認知”作為化學學科核心素養(yǎng)之一，要求學生通過分析推理、抽象、歸納等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，在此基礎上建立起模型，并能運用建立起的模型解釋化學現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質和規(guī)律[2]。

化學科學和化學教學中的模型主要有實物模型，符號模型和思維模型等三種類型，其中實物模型是對事物實實在在的模擬，它能將真實物體的形狀圖畫或者三維結構直觀地反映出來，這些模型可能依據了幾何原理對原型進行了擴大或縮小，也可能只是對原型的輪廓或結構進行了簡單模擬。在化學教學中使用實物模型，可以將微觀現(xiàn)象宏觀化，抽象事物具體化，讓學生比較容易接受原型、理解原型[3]。

學生在學習碳元素的三種同素異形體時，初高中化學教材都對C60分子進行了介紹，C60分子因其高對稱性的籠狀結構，自1985年發(fā)現(xiàn)以來，全碳籠狀結構概念已經廣泛影響到化學物理、材料等科學領域[4]。用傳統(tǒng)的球棍模型構建C60分子時，需要考慮C60中碳原子的雜化方式，選擇合適的球和塑料短棍搭建，以達到相應的曲率。筆者在教學中，發(fā)現(xiàn)用編織手工藝品的塑料串珠和柔軟的魚線構建的C60分子的實物模型，可以很好地展現(xiàn)分子的曲率。利用此方法，還可以構建可燃冰等具有籠狀結構的模型，這些實物模型小巧方便易于觀察。通過實物模型的構建，將內隱或看不見的物體外顯化、可視化，培養(yǎng)學生的空間想象能力和建模能力，以及運用模型解決問題的能力。

二、C60分子模型的建立

1.模型材料

材料：不同顏色的具有合適孔徑的塑料串珠，魚線若干，如圖1所示。

以C60球型分子模型為例介紹，在構建模型的過程中參照C60分子的拓撲圖。C60分子是由12個五邊形，20個六邊形組成的類似足球結構的具有曲率的分子。用塑料串珠代表共價鍵，用柔軟的魚線連接串珠，串珠共用的點表示碳原子。

在構建C60分子過程中，選擇C60分子的拓撲圖（如圖2-1）中心的五元環(huán)開始，取5顆串珠用魚線穿起來，如圖2-2所示，將5顆串珠分別標號為1到5，如串珠模型示意圖2-3所示，將魚線兩端標號為a和b，為了便于觀察，將魚線a端的前端標注為紅色。

將魚線b端穿入第5號串珠，穿入方法如圖3-1所示，構成了C60分子拓撲圖的中心的五元環(huán)，如圖3-2所示，并將該五元環(huán)命名為五元環(huán)A。將第5號串珠作為五元環(huán)A和第一個相鄰的六元環(huán)的一個碳碳鍵，從魚線b端再穿入5顆串珠，標號為6到10，如圖3-3所示。緊接著將魚線a端穿入第10號串珠，穿入方法如圖3-4所示，此時，構成了和五元環(huán)A相鄰的第一個六元環(huán)B，具體命名如圖3-5所示。

再將魚線b端穿入第1號串珠，穿入方法如圖4-1所示，魚線B端穿入1號串珠后，此時5號，10號，1號串珠擁有一個共同的交點，如圖4-2所示，這個交點就是C60分子中的一個碳原子，因此塑料串珠代表碳原子之間的共價鍵，串珠共同的交點表示C60分子中的碳原子。

將1號和10號串珠作為和五元環(huán)A相鄰的第二個六元環(huán)的兩個碳原子間的共價鍵，將魚線從a端再穿入4顆串珠，同1號和10號串珠構成六元環(huán)。如圖4-3所示，將穿入的4個串珠標號為11號到14號，再將魚線b端穿入第14號串珠中，穿入方法如圖4-4所示。此時，1號，10號，11到14號這6顆串珠構成了和五元環(huán)A相鄰的第二個六元環(huán)C，如圖4-5所示。

根據上述構建模型的方法，以此類推，構建出Coo分子的拓撲圖中第一圈和第二圈的結構，如圖5-1標示，串珠模型見5-2所示。

由于正六邊形內角為120度，正五邊形的內角為108度，當五元環(huán)A和六元環(huán)B和C相鄰的時候，∠1+∠2+∠3的角度小于360度，如圖6-1所示。

隨著這樣五元環(huán)和六元環(huán)相連的結構的增多，構建的模型逐漸具有曲率，根據C60分子的拓撲圖中五元環(huán)和六元環(huán)連接情況，以及C60分子中五元環(huán)周圍都是六元環(huán)的結構特點，按照圖6-2所示的順序，繼續(xù)構建分子，逐漸構建出球狀結構，如圖7所示。

3.模型建立的意義

C60分子模型的建立，得益于魚線的柔軟和塑料串珠的剛性，利用此方法可以構建多種具有籠狀結構的分子及晶體結構，如可燃冰晶體。

可燃冰晶體具有籠狀分子結構，水分子通過氫鍵形成籠狀結構，甲烷分子處于籠內，如圖8-1所示，表面小球是水分子，內部大球是甲烷分子。依據C60構建方法，利用塑料串珠和魚線，構建可燃冰的串珠模型，將8-1的平面圖轉換成立體結構，如圖8-2所示。串珠共用的點表示水分子，塑料串珠代表氫鍵，中間的大球表示甲烷分子，學生通過可燃冰串珠模型可以更好地分析最小的環(huán)中連接的原子總數，從而理解可燃冰的空間構型。

可燃冰晶體具有多種籠狀結構，其中一種結構是由1個圖8-2所示的籠分別用2個面與另外兩個相同的籠共面而成，學生可以利用串珠模型構建共用2個面的籠狀結構，如圖9所示，構建的模型可以幫助學生分析中間可燃冰籠實際占有的水分子個數，認識可燃冰晶體的微觀結構。

可以引導學生，上網查閱相關文獻和著作，構建化學研究前沿的分子模型，從而了解化學科學研究動態(tài)和科學前沿，開拓學生的視野，感悟化學學科的魅力，激發(fā)他們學習化學的興趣和熱情。

三、總結與反思

構建模型是一個復雜的思維過程，化學模型的構建與運用也是研究化學科學的基本方法之一。通過C60分子模型和可燃冰模型的構建，讓學生實際動手操作，使得抽象的微觀結構具體化，降低了學生學習的難度，再引導學生檢驗或修改自己構建的模型，通過模型構建活動，讓學生對分子及晶體結構有更深入的理解，為進一步學好晶體結構等化學知識奠定基礎。教師在教學過程中讓學生體會建模的思路、方法，讓學生體驗模型構建的過程，增進學生對模型本身的理解，培養(yǎng)學生建模的興趣，提高學生對科學方法的認識和模型認知水平。

參考文獻

[1]吳君磊.基于發(fā)展學生“模型認知”素養(yǎng)的教學設計——以蘇教版“苯酚的性質和應用”為例[J].化學教與學，2018（1）：25-28

[2][3]李鵬鴿，龔文慧，秦蕊，王旭，夏志卿.模型認知素養(yǎng)及其在化學概念教學中的落實[J].教學與管理（中學版），2018（2）：64-66

[4]劉新錦，朱亞先，高飛等.無機元素化學（第2版）[M].北京：科學出版社，2010：54-57