徐音辰

(上海外國語大學尚陽外國語學校 上海 200333)

高中化學學習中，涉及到物質微觀結構的部分，例如分子空間構型，物理性質變化規(guī)律等，學生想理解透徹往往比較困難，部分學生只能采取死記硬背的方法。這樣的學習模式不利于化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和落實。高中化學核心素養(yǎng)中與物質結構學習相關的素養(yǎng)為“宏觀辨識與微觀探析”和“證據(jù)推理與模型認知”。[1]

前者是化學學科解決問題的重要思維視角，“宏觀”指的是物質的性質及存在狀態(tài)，這些表現(xiàn)具有肉眼可觀察或儀器能展現(xiàn)，“微觀”指基本粒子層面探究和分析物質的組成、結構、性質。[2]

后者則要求“建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象本質和規(guī)律”。教師應深入理解并挖掘教材文本中蘊含的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標，并指導課堂教學。教師應重視課堂中實物模型、思維模型、數(shù)學模型的功能與價值。[3]

下面以筆者教學過程中與“物質結構”相關的兩個案例為例，具體分析一下知識背后如何體現(xiàn)核心素養(yǎng)。

1.堿金屬的密度并沒有嚴格遞變，其中鉀是反常的

一堂組內年輕教師的習題講評課中，針對一道例題中學生提出的質疑，在課后教師討論中引出了堿金屬密度并非嚴格遞增，鉀比鈉略小,詳見表1。筆者以前講周期律的時候都不會太在意密度的遞變規(guī)律，覺得大趨勢是密度變大的就行了唄。而且這也不算一個常規(guī)“考點”。但研討過程中教師們都認為：既然問題被發(fā)現(xiàn)了，而且教材中明確給出了密度的數(shù)據(jù)，教師就應該根據(jù)宏觀現(xiàn)象推測微觀結構尋求滿意的解釋。

表1 堿金屬的主要性質

圖1 堿金屬的堆積方式及晶胞參數(shù)

由于堿金屬都是一種堆積方式，所以z不變，同樣不變的常數(shù)一并約去，就得到密度ρ正比于M/r3的結論?？梢姡瑝A金屬的密度受其摩爾質量和半徑的共同影響。下面就以鋰、鈉、鉀分別計算。

Li∝7/0.1523Na∝23/0.1863K∝39/0.2273

觀察后發(fā)現(xiàn)，從鋰到鈉，表達式中分子擴大3倍多，分母只擴大了大約1.83倍；而從鈉到鉀，分子擴大了約1.7倍，分母擴大了約1.8倍。這樣就從微觀角度，構建幾何模型解釋出鉀密度的“反常”現(xiàn)象了。

2.甲烷的鍵角為什么是109°28′？

學習有機化學中，接觸到最簡單的有機物甲烷，學生都容易說出其空間結構為正四面體，鍵角為109°28′。那么為什么這種結構和鍵角呢？其實這并不難推出，利用中學幾何知識，建立好數(shù)學模型，完全就能解答。

我們先從雜化軌道開始說起。碳的價電子為4，但是4個電子分別處于2s和2p軌道上，且2s上的為成對電子。我們知道當兩個原子都有未成對電子時就能形成一對共用電子對，也就形成了共價鍵。所以要形成CH4，按碳原有的軌道“安排”與氫原子成鍵就不太妥當。為了解釋成鍵，美國化學家鮑林提出了雜化軌道理論，s和p軌道以一定方式形成雜化軌道來成鍵，這種成鍵是更穩(wěn)定的。甲烷形成的是sp3雜化軌道，其軌道形狀是正四面體。與碳成鍵的其他原子相同時，按照最大重疊原理所形成的分子結構也是正四面體，所以甲烷分子中，碳原子位于體心，四個氫原子位于頂點。

圖2 正四面體外接正方體

以斜切面AA1CC1為觀察視角，再利用一次勾股定理，體對角線為所以正四面體體心到頂點距離(其實R也可以理解為正四面體外接圓的半徑)

圖3 構建模型中的θ相當于甲烷分子鍵角

聯(lián)系幾何中角度制60分為一度，所以109.47°=109°28′(當然兩者都只保留了5位有效數(shù)字)

以上兩個例子中都是教師教學過程中容易忽略的問題，教師和學生可能就參與簡單記憶的手段，并沒有深入挖掘成因。筆者在求解過程中充分利用了宏觀辨析與微觀探析和證據(jù)推理與模型認知的素養(yǎng)，而運用到的基礎知識中學生也是具備的，教師完全可以給學生解釋，并在教學中培養(yǎng)和提升學生的思維能力。