摘要：以“氫鍵的形成”為例，從宏觀可見的現(xiàn)象入手，結(jié)合簡單易行的實驗，使學(xué)生切實感觸氫鍵的存在。由表及里、由淺入深、由此及彼，不斷豐富和完善對氫鍵的認(rèn)識和理解，提供認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其相互關(guān)系的學(xué)科視角，實現(xiàn)“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：氫鍵;核心素養(yǎng);宏觀辨識;微觀探析

文章編號：1008-0546（2020）10-0058-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.016

“宏觀辨識與微觀探析”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)的構(gòu)成內(nèi)容之一。其中，宏觀辨識是學(xué)生認(rèn)識化學(xué)的出發(fā)點，微觀探析則是對事物本質(zhì)的理解[1]。兩者的結(jié)合體現(xiàn)了從分子、原子層次認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)變及其相互關(guān)系的學(xué)科視角。

北師大化學(xué)系吳國慶教授曾指出：“宏觀與微觀聯(lián)系是化學(xué)不同于其他科學(xué)最特征的思維方式，離開這個基本點就不是化學(xué)”。而這一思維方式在選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的學(xué)習(xí)過程中尤為重要。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確指出：本課程模塊將從原子、分子水平上認(rèn)識物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，以微粒之間不同的作用力為線索，側(cè)重研究不同類型物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)，進一步豐富學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。通過本課程模塊的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識，深入認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[2]。

在此，筆者以該模塊中“氫鍵的形成”為例，開展“宏微結(jié)合”視角下的教學(xué)實踐與探索。

一、教學(xué)分析

“氫鍵的形成”位于蘇教版選修3《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》的專題3，在此之前學(xué)生對化學(xué)鍵以及范德華力已經(jīng)有了一定的認(rèn)知。而氫鍵作為一種特殊的分子間相互作用，它與化學(xué)鍵和范德華力又有怎樣的聯(lián)系與區(qū)別，對物質(zhì)的性質(zhì)又會產(chǎn)生怎樣的影響，對于學(xué)生來說依舊是看不見、摸不著，內(nèi)容抽象、理論性強。

高中化學(xué)關(guān)于氫鍵形成的教學(xué)文獻(xiàn)數(shù)量并不多，從文獻(xiàn)研究來看教學(xué)方法上主要側(cè)重于理論講授法。如王成秩、胡志剛老師的《化學(xué)教學(xué)中的比較邏輯——“氫鍵的形成”教學(xué)設(shè)計》[3]、黎茂榮老師的《從教材“一般”到課堂“不一般”的研究——以人教版<化學(xué)2>“氫鍵”為例》[4]、高杰、王磊老師的《培養(yǎng)學(xué)生高級思維能力的“分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)”探究教學(xué)》[5]，三文均是從氨氣、水、氟化氫的沸點數(shù)據(jù)反常人手展開氫鍵的教學(xué)。而通過實驗探究來認(rèn)識氫鍵的案例更少，陸瑾瑾老師在《“氫鍵”的教學(xué)實踐》[6]一文中通過觀察汞、汽油、水三種液體液滴的形狀來比較氫鍵、范德華力和化學(xué)鍵的大小，實驗中所用金屬汞有毒，對操作環(huán)境有較高的要求;另一方面，汽油是混合物，對于說明微粒結(jié)構(gòu)、微粒間作用和物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系帶來了復(fù)雜性。徐惠老師在《以數(shù)字化探究實驗引領(lǐng)“分子間作用力”教學(xué)》[7]一文中則通過溫度傳感器測定正丁醇和正己烷揮發(fā)時溫度變化程度的差異，簡單直觀地說明了正丁醇分子間氫鍵的存在，但對于沒有數(shù)字化實驗儀器與設(shè)備的學(xué)校來說，仍無法進行該項實驗研究。

二、設(shè)計思想

基于上述分析和研究，本節(jié)課的設(shè)計從兩個維度人手：一是加強學(xué)科之間的融合，借助學(xué)生日常生活中能接觸到的宏觀現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考隱藏其背后的微觀原因;二是借助常見的儀器、模型和化學(xué)試劑，以更加安全、有效和簡易的實驗，使學(xué)生直觀地感觸氫鍵的存在，將無形化為有形，降低學(xué)生對氫鍵理解的難度，再結(jié)合理論數(shù)據(jù)進行深入分析，從而增加可接受性，促進學(xué)生對氫鍵的認(rèn)識。這樣既符合學(xué)生已有的認(rèn)知規(guī)律，又有利于學(xué)生微粒觀的形成。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知道氫鍵形成的條件及氫鍵的概念、分類和特點，理解氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。

2.通過研究水中氫鍵的形成過程，結(jié)合氫鍵強弱的對比實驗、氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生影響的探究實驗，理解氫鍵的本質(zhì)，體會氫鍵的特點以及和范德華力和化學(xué)鍵的區(qū)別。

3.通過實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識和觀察能力，體會物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性質(zhì)的影響。

四、教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖1所示。

五、教學(xué)過程與反思

1.認(rèn)識氫鍵存在的現(xiàn)象

【引入】水是地球?qū)θ祟惖酿佡?，也是一切生命活動的開始，生命體重要的生理活動都要依賴水，甚至在水中發(fā)生。這也是為什么我們在別的星球?qū)ふ疑暮圹E時，總是找尋水的跡象。不過，你可知道，外表“溫柔”的水，內(nèi)部卻蘊含著不可小覷的力量。

【分組實驗】硬幣滴水實驗。下面請同學(xué)們來完成一個小實驗：向一枚一元硬幣上，慢慢滴水，請你試一試這枚硬幣上最多能滴多少滴水而不外溢？最多的一組，學(xué)生滴到了50滴，這個數(shù)目都超出了學(xué)生的估計。

【演示實驗】對比：向一元硬幣上滴加正己烷：25滴左右。

【問題討論】1.硬幣上為什么能滴那么多水而不外溢？2.水和正己烷均由分子組成，分子間作用力的強弱與哪些因素有關(guān)？3.為什么一元硬幣上水的滴數(shù)遠(yuǎn)多于正己烷？4.水相對分子質(zhì)量較小，在常溫常壓下卻是液體，如何解釋這一反?，F(xiàn)象？

【學(xué)生分析】通過物理學(xué)科選修3-3第七章對表面張力的學(xué)習(xí)，學(xué)生能分析得出一元硬幣上能滴一定數(shù)目的液體是由于液體的表面張力。這一宏觀現(xiàn)象說明組成物質(zhì)的分子之間存在著相互作用，且水分子之間的相互作用強于正己烷分子之間的相互作用。然而，基于原有認(rèn)知，范德華力大小受相對分子質(zhì)量大小的影響，水的相對分子質(zhì)量遠(yuǎn)小于正己烷，分子之間的相互作用應(yīng)比正己烷分子的相互作用弱，因此對后兩個現(xiàn)象學(xué)生無法解釋。

【模型展示】水分子間的氫鍵實物模型，如圖2。

【知識小結(jié)】組成水分子的氧原子半徑較小但電負(fù)性很大，且比氫大得多。從而使氫和氧之間的共用電子對，強烈偏向氧，氧原子負(fù)電性明顯增強，而氫原子幾乎成為裸露的“質(zhì)子”，正電性明顯。液態(tài)水中，分子間距離相對氣態(tài)水要小的多，這樣一個水分子呈正電性的氫原子和另一個水分子呈負(fù)電性的氧原子之間就會產(chǎn)生一種不同于范德華力的靜電作用，這種特殊的作用就是——氫鍵。

教學(xué)反思：表面張力是物質(zhì)所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)，是學(xué)生在物理學(xué)科中已學(xué)知識。通過硬幣滴水的實驗喚起了學(xué)生對原有認(rèn)知的新思考，學(xué)生從直觀現(xiàn)象領(lǐng)會到了化學(xué)和物理學(xué)科對同一現(xiàn)象不同層面與角度的理解，體會了學(xué)科間的聯(lián)系與區(qū)別。同時，通過硬幣上滴正己烷的對比實驗，引發(fā)學(xué)生已有理論知識和實驗現(xiàn)象的矛盾，促進學(xué)生深入思考，也由此引出氫鍵的概念。而借助結(jié)構(gòu)模型的展示，形象地將水分子及其空間分布呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，實現(xiàn)從微觀不可見向宏觀可見的轉(zhuǎn)化，學(xué)生較快地理解了水分子中的氫鍵是如何形成的。

2.理解氫鍵存在的意義

【問題討論】從硬幣滴水實驗，我們已經(jīng)感受到了氫鍵的作用強于范德華力，那么氫鍵是否屬于化學(xué)鍵中的一種，與化學(xué)鍵相比，它的強度又如何？

【分組實驗】在玻璃片上不同位置分別滴加幾滴正己烷和水，觀察液滴滴落后形狀的差異，再與水銀開關(guān)中的水銀相比較。

【學(xué)生描述】正己烷的液滴攤開很大，而水滴則相對聚攏，呈半球狀。水銀開關(guān)中的液滴則呈球形，且不管水銀開關(guān)怎么放置，汞的液滴始終呈圓球形。

【資料卡】液滴的形狀差異，意味著液體內(nèi)部微粒之間的作用力不同。內(nèi)部作用力越大，液滴表面積越小，越趨向球狀。

【學(xué)生分析】汞中微粒間作用力>水中微粒間作用力>正己烷中微粒間作用力，即金屬鍵>氫鍵>范德華力

【數(shù)據(jù)展示】展示具體數(shù)據(jù)（見表1）。

【知識小結(jié)】所以，盡管人們把氫鍵也稱作“鍵”，但與化學(xué)鍵相比要弱得多，并不屬于化學(xué)鍵，而是存在于分子之間一種特殊的相互作用，但是它又強于普通的分子間作用力——范德華力.從而使含有氫鍵物質(zhì)的性質(zhì)表現(xiàn)出了一些特殊性。

教學(xué)反思：引導(dǎo)學(xué)生對比水、正己烷、汞三種液體的液滴形狀，從液滴的外觀差異這一宏觀現(xiàn)象，挖掘微觀的本質(zhì)原因，使學(xué)生對氫鍵、范德華力、化學(xué)鍵強度大小的認(rèn)識不再停留在數(shù)據(jù)分析，而是有了直觀感性的感受。實驗中用水銀開關(guān)代替了直接觀察汞的液滴，相對比較安全，該開關(guān)在電子產(chǎn)品市場很容易購買，且可以反復(fù)使用。選擇正己烷代替了汽油，用純凈物代替了混合物，且正己烷是低毒性試劑，實驗安全性相對較高。

【問題討論】

1.觀察玻璃片表面，正己烷和水的液滴是否還存在？如何解釋這個現(xiàn)象？

2.為什么氨氣極易溶于水？

3.一般來說，從液體變成固體，密度會增大的，但為什么冰的密度比水?。?/p>

4.水的化學(xué)性質(zhì)也是比較穩(wěn)定的，2000℃以上才能分解，這是否和水分子間存在氫鍵有關(guān)？

5.觀察對羥基苯甲醛的樣品，描述它的狀態(tài)，寫出其結(jié)構(gòu)簡式，對羥基苯甲醛分子間是否可能存在氫鍵？對比鄰羥基苯甲醛的狀態(tài)，和對羥基苯甲醛有何不同，能否嘗試分析其中的原因？

【學(xué)生分析】1.一段時間后，正己烷液滴消失，水滴還在，說明正己烷比水更易揮發(fā)。這是由于水分子間存在氫鍵，改變它的狀態(tài)必須提高溫度，額外提供更多的能量打破氫鍵，從而水的沸點較高，較難揮發(fā)。2.氨分子和水分子之間可以產(chǎn)生氫鍵，加強了氨分子和水分子的締合，所以在水中溶解度增大。4.水的分解斷開的是水分子中的氫氧共價鍵，與氫鍵無關(guān)。

【教師分析】3.溫度降低，水結(jié)冰，從水的晶胞結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出，每個水分子周圍的氫鍵有固定的方向和數(shù)目，也就是說氫鍵是有方向性和飽和性的。因此，氫鍵的存在就迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向4個相鄰的水分子相互吸引，最終形成了四面體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種排列方式使得冰中水分子的空間利用率不高，留有相當(dāng)大的空隙。所以，當(dāng)水結(jié)冰時體積反而會膨脹，但質(zhì)量不變，所以密度變小，從而浮在水面上。也正是這個原因，在寒冷的冬天水總是從表面結(jié)冰，而水底的溫度不會過低，保護了水底生物。綜上來看，是氫鍵給予了水力量，而水又為生命的延續(xù)帶來了希望。5.鄰羥基苯甲醛中，由于羥基和醛基相鄰，所以羥基上的氫和醛基上的氧之間產(chǎn)生了氫鍵，使分子內(nèi)部的締合更加緊密，而分子間的相互作用反而變?nèi)趿?。因此鄰羥基苯甲醛的熔沸點比對羥基苯甲醛低，對羥基苯甲醛為固體，而鄰羥基苯甲醛為液體。因此，氫鍵不僅僅可以存在于分子之間，還可以存在于分子內(nèi)。

教學(xué)反思：通過系列問題的討論，學(xué)生進一步建立了物質(zhì)宏觀性質(zhì)和氫鍵結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。問題l、2、4學(xué)生能自主分析。而問題3學(xué)生回答起來比較困難，由老師補充分析闡述。學(xué)生感受到了水中氫鍵的存在對于地球生命延續(xù)的重要意義。問題5則引導(dǎo)學(xué)生觀察了對羥基苯甲醛和鄰羥基苯甲醛常溫常壓下的狀態(tài)，依舊從肉眼可見的物質(zhì)狀態(tài)差異，幫助學(xué)生理解分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵的不同，加深了對氫鍵存在范圍的理解。

3.“看見”氫鍵存在的影像

【觀看視頻】直到2013年11月，我國中科院國家納米科學(xué)中心科研人員利用非接觸原子力顯微鏡，在國際上首次拍到了氫鍵的照片，實現(xiàn)了氫鍵的實空間成像。

【投影】8-羥基喹啉分子間氫鍵的實空間圖像（圖3）。

教學(xué)反思：通過網(wǎng)絡(luò)查找中國科普博覽網(wǎng)頁了解，隨著微觀物理學(xué)和新的物理實驗方法與實驗技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究進入了一個新的階段，能將肉眼難以觀察到的微觀現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可看可知的實際影像。我國科學(xué)家的這一研究成果在當(dāng)時即引發(fā)了世界各國的關(guān)注。但課堂教學(xué)之后，筆者在文獻(xiàn)的深入研究中卻發(fā)現(xiàn)，2014年荷蘭科學(xué)家對該圖像提出了質(zhì)疑，因為用同樣的方法在不存在氫鍵的1，2-吡啶乙炔中也“看到”了類似8-羥基喹啉的氫鍵圖像（圖4）。因此，在氫鍵的教學(xué)中是否引用該素材需要審慎。

4.“觸摸”氫鍵存在的力量

【敘述】那么，同學(xué)們是否想親手“觸摸”，感覺氫鍵的存在呢？

【分組實驗】有一瓶未知液體：觀察：無色透明油狀液體。用棉簽蘸取少量液體涂在手指上，學(xué)生感覺有點粘稠，再取少量該液體滴入水中，卻沒有分層，說明這個油狀液體可以溶于水。

【問題】這是大家非常熟悉的一種有機物“甘油”。分析甘油的結(jié)構(gòu)，結(jié)合今天你對氫鍵的認(rèn)識，大膽猜測為什么甘油會有較大的粘度，但是又能和水以任意比互溶？

【學(xué)生分析】因為甘油分子中有多個羥基，可能形成較多的分子間氫鍵，從而增大了甘油的粘度。當(dāng)甘油與水混合，又可以和水分子之間形成分子間氫鍵，增大了甘油在水中的溶解度。

【總結(jié)】氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生的影響，正是體現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性質(zhì)的決定作用。當(dāng)然，物質(zhì)的某種性質(zhì)，可能是多種微觀因素共同決定的結(jié)果，我們也需要辯證看待。 教學(xué)反思：文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液體分子間形成氫鍵，則分子間親和力增大，則其粘度增大。如分子量為92的甲苯與甘油的粘度的比較。20℃時，甲苯的粘度為5.903毫泊，甘油為10690毫泊。這是由于甘油液體分子間形成氫鍵，則其粘度很大，而甲苯液體分子間不能形成氫鍵，則其粘度很小[8]。盡管氫鍵對粘度的影響課本沒有要求，但在課本知識基礎(chǔ)上稍作延伸，能使學(xué)生對氫鍵的認(rèn)知從“看見”又上升到“觸摸”，實驗過程中學(xué)生饒有興趣，有學(xué)生猜到了可能是甘油，因為老師敢大膽地讓他們觸摸，應(yīng)該沒有毒害。甘油如油般的黏膩但也能和水相互溶解的特點，給學(xué)生留下了深刻印象，從而拓寬了氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)影響的認(rèn)識。

5.展望氫鍵的未來

【敘述】氫鍵對物質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生影響的同時，還是關(guān)乎人類生命和生活的一種神奇的力量。生命體中許多大分子的內(nèi)部也存在氫鍵。生物遺傳密碼的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的兩條螺旋鏈也正是用氫鍵相互結(jié)合的。同時必須遵循的堿基互補配對原則，A只能配T，C只能配G，也是由它們之間形成氫鍵的數(shù)目決定的，所以可以說“沒有氫鍵就沒有生命”。

【問題思考】在大學(xué)《無機化學(xué)》中提到：三氯甲烷和丙酮混合，三氯甲烷分子中的氫原子三氯甲烷中的氫原子可以和丙酮分子的氧原子產(chǎn)生分子間氫鍵，你能嘗試解釋其中的原因么？

【學(xué)生分析】三氯甲烷分子中氫原子雖然沒有直接和電負(fù)性很強的氮、氧、氟等原子直接連接，但在三個氯原子共同吸引作用下，使碳?xì)滏I之間的電子對強烈偏向于碳原子，從而使氫原子的正電性增強，也能與丙酮的氧原子之間產(chǎn)生氫鍵。

【小結(jié)】自20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)氫鍵以來，人們對氫鍵的研究還在繼續(xù)，新的形式的氫鍵被不斷發(fā)現(xiàn)，從最初正常的氫鍵到Π型氫鍵、雙氫鍵、藍(lán)移型氫鍵以及新近的單電子氫鍵，我們對氫鍵的認(rèn)識經(jīng)歷了一次次質(zhì)的飛躍，對氫鍵的理解也不斷地豐富和完善。正如我們的課本上所說，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索永無止境！

教學(xué)反思：高中階段對于氫鍵的認(rèn)識，仍建立在直接與N、O、F相連的氫原子才能形成?；谖倚W(xué)生原有基礎(chǔ)，在課堂教學(xué)中做了適度拓展，使學(xué)生對氫鍵形成的認(rèn)識有所加深。事實上，隨著技術(shù)的發(fā)展和研究深入，從氫鍵的定義到結(jié)構(gòu)，再到應(yīng)用的進展，當(dāng)今世界對氫鍵的認(rèn)識和理解越來越豐富。作為老師，我們也需要有與時俱進的眼光，邁開跟上時代發(fā)展的步伐。通過我們的課堂教學(xué)，使學(xué)生意識到化學(xué)中任何一個理論都是在爭議中不斷更新和發(fā)展的陽、。這一思想也滲透到了課后的問題探究中。課后，老師帶領(lǐng)參加化學(xué)競賽的學(xué)生，借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)，從丙酮和三氯甲烷混合時液體溫度變化的宏觀現(xiàn)象人手，再結(jié)合氫鍵從微觀角度來分析其中的原因，并將研究結(jié)果總結(jié)，在期刊發(fā)表了《運用數(shù)字化實驗再識氫鍵》[10]一文，滿足了不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

6.板書設(shè)計

板書設(shè)計如圖5所示。

六、結(jié)語

微觀結(jié)構(gòu)的不可見性和抽象性給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了一定的困難。因此，在教學(xué)的過程中，需要教師充分挖掘生活、生產(chǎn)中學(xué)生熟悉的典型素材，從宏觀現(xiàn)象和性質(zhì)人手，再從微觀結(jié)構(gòu)剖析本質(zhì)，使具象思維和抽象思維有機結(jié)合，促進學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)思維能力的發(fā)展。此外，還應(yīng)通過多樣化、多元化的方式，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，關(guān)注學(xué)習(xí)過程中的深度體驗，同時也要關(guān)注學(xué)科之間的聯(lián)系，比如物理學(xué)科中關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，從而培養(yǎng)良好的科學(xué)研究態(tài)度。

本節(jié)課的教學(xué)立足從模型展示、實物對比、數(shù)據(jù)分析、文獻(xiàn)資料、新聞報道多方面人手，側(cè)重實驗探究，并從課上延伸到課后。學(xué)生真切感受了微觀粒子間的相互作用，產(chǎn)生了對物質(zhì)微觀世界的探求的渴望，形成了良好的學(xué)科觀念，由表及里、由淺入深、由此及彼，不斷豐富和完善對氫鍵的認(rèn)識和理解，實現(xiàn)了“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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