張道年
摘要:銅離子在水溶液中與不同微粒通過(guò)不同類型的相互作用力相結(jié)合。在“宏觀辨識(shí)與微觀探析”背景下以形成配位鍵作為目標(biāo),促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸理解“相互作用力”學(xué)習(xí)中的線索,形成整體觀念。
關(guān)鍵詞:配位鍵;大概念;相互作用力;學(xué)習(xí)進(jìn)階
文章編號(hào):1008-0546(2022)02x-0007-06
中圖分類號(hào):G632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.002
一、提出問(wèn)題
所謂大概念并非指學(xué)科中某一具體的概念或方法,而是這些具體知識(shí)背后所反映出的學(xué)科本質(zhì),可運(yùn)用于新的情境,具有持久的可遷移應(yīng)用價(jià)值[1,2]。相互作用力是化學(xué)學(xué)科大概念之一,化學(xué)中有較多知識(shí)與相互作用力有關(guān),在分章節(jié)教學(xué)中與相互作用力有關(guān)的內(nèi)容往往是割裂的,不能夠形成一個(gè)整體,在教學(xué)過(guò)程中雖然遵循循序漸進(jìn)有一定的合理性,但是從學(xué)生的視角來(lái)看化學(xué)知識(shí)就顯得較為雜亂了,盡管這種看法與事實(shí)是嚴(yán)重不符的。
化學(xué)是一門有邏輯體系的學(xué)科,從表1可見(jiàn)相互作用力是存在于不同的微粒中的,但是“相互作用力”這一概念比較抽象,學(xué)生難以理解全面,特別是在初學(xué)階段更是如此,所以相互作用力展現(xiàn)在學(xué)生面前看似比較分散,但本質(zhì)上也是在遵循著學(xué)習(xí)認(rèn)知的階段性。例如:初中和必修學(xué)習(xí)階段所學(xué)習(xí)的石墨、金剛石和C60都是碳原子,但是由于原子之間的相互作用力的連接方式不同,所以物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不同;強(qiáng)弱電解質(zhì)之間也是由于微粒之間的相互作用力的類型和強(qiáng)度不同所以表現(xiàn)出來(lái)的化學(xué)性質(zhì)是不同的。而在選修階段介紹了分子間作用力、氫鍵和配位鍵等類型相互作用力,學(xué)習(xí)了可以用電解這種更為劇烈的方式使得相互作用力變?nèi)跎踔料А2煌⒘Vg按照相互作用力的理念將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)連接在一起,形成一個(gè)整體。相互作用力這一大概念體系可以用大小、方向和曲線等表征方式等來(lái)表示。相互作用力的大小包括電解時(shí)的電壓大小、物質(zhì)分解時(shí)加熱所需要的溫度等。例如:Na、Mg、Al等分別與H2O反應(yīng)的難易程度凸顯出核外電子與原子核之間的相互作用力大小關(guān)系。相互作用力的方向包括水合銅離子是正四面體結(jié)構(gòu),凸顯配位鍵是有方向的,而共價(jià)鍵、氫鍵等也都具有方向性。相互作用力的表征方式包括曲線、分子或原子模型、化學(xué)方程式、熱化學(xué)方程式、氫鍵表示式等,以水分子為例,分子內(nèi)外有很多種類型的相互作用力。例如:氧原子內(nèi)的原子核與核外電子之間的相互吸引和排斥,氧原子與氫原子之間的相互作用力即共價(jià)鍵,水分子與水分子之間有分子間作用力及氫鍵,而水合氫離子(H3O+)中有配位鍵(圖1)。
二、多種相互作用力關(guān)聯(lián)性的認(rèn)知水平及測(cè)評(píng)分析
相互作用力是抽象的,看不到、摸不著,學(xué)生是否能感知到相互作用力的存在呢?的確,對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)相互作用力在一定程度上是難以理解的,學(xué)生對(duì)相互
作用力似乎有些暈。經(jīng)過(guò)紙筆測(cè)試和訪談發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對(duì)相互作用力的表征形式理解存在偏差,包括曲線表征、電極方程式、蓋斯定律等。針對(duì)于上述的情況,筆者精心篩選5道與相互作用力有關(guān)的測(cè)試題,包括以電解的形式出現(xiàn)的考查原子核與電子的靜電引力、以蓋斯定律的形式出現(xiàn)的考查共價(jià)鍵的強(qiáng)弱、以沸點(diǎn)高低判斷考查分子間作用力、以CuSO4·5H2O為例考查配位鍵、以氨水為載體考查氫鍵等。運(yùn)用系列測(cè)試題(表2)和測(cè)后訪談發(fā)現(xiàn),學(xué)生首先需要解決的對(duì)相互作用力表征方式的理解問(wèn)題,而能不能較好地理解微粒之間的相互作用力取決于學(xué)生對(duì)離子鍵、共價(jià)鍵、分子間作用力、氫鍵和配位鍵的理解程度。但是通過(guò)測(cè)試和個(gè)人訪談發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)上述系列問(wèn)題的解決能力不是很強(qiáng),甚至部分地方存在認(rèn)識(shí)不清、理解不到位的情況,其原因包括相互作用力本身比較抽象,學(xué)生理解起來(lái)的確存在困難;學(xué)生將相互作用力與其表征形式關(guān)聯(lián)起來(lái)有一定難度,影響了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的準(zhǔn)確把握等。
微粒之間相互作用力是客觀存在的,我們依靠多種表征方式把它們表示出來(lái)。但正是由于表達(dá)方式的多樣化,教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)出“散雜亂”的境況,造成學(xué)習(xí)目標(biāo)不夠集中,學(xué)生很難抓住重點(diǎn),因此單元教學(xué)的重要作用就凸顯出來(lái)了。當(dāng)將“貌似不同”的內(nèi)容融合在一起,以某條線索貫穿起來(lái),我們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)整個(gè)知識(shí)體系的理解將會(huì)大有不同,而“配合物”就是這種學(xué)習(xí)方式的有效載體。應(yīng)用SPSS23.0的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)幾種類型的相互作用力有顯著性相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明學(xué)生在“相互作用力”的概念上存在認(rèn)知障礙,因此也不難理解學(xué)生對(duì)微粒之間的相互作用力認(rèn)識(shí)是比較狹隘的,原因可能源于微粒之間的各種類型的相互作用力內(nèi)容較為分散,教學(xué)中教師也沒(méi)有進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w納、總結(jié)和提升,教師也未能將“大概念”的思想融合在教學(xué)中。
配合物及配離子在高中教材中涉及的并不多,因此學(xué)生了解配位鍵的途徑并不多,但也并非不熟悉。配位鍵是一種特殊形式的相互作用力,包括銀氨絡(luò)離子、硫氰化鐵、四水合銅離子、四氨合銅離子等都存在。高一時(shí)曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)NH+4就存在配位鍵的雛形,因此同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)“配合物”之前已經(jīng)有了一定的知識(shí)基礎(chǔ)。因?yàn)榕潆x子都是在溶液中存在,因此在學(xué)習(xí)配位鍵時(shí)必定會(huì)涉及離子鍵、共價(jià)鍵、分子間作用力和氫鍵等相互作用力等形式,所以若以配位鍵作為教學(xué)中心,再整合其他類型的相互作用力作為教學(xué)載體,更容易提升學(xué)生對(duì)相互作用力這一大概念的理解和認(rèn)識(shí),也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)各種相互作用力的理解?!芭浜衔铩币耘潆x子和配位鍵為學(xué)習(xí)目標(biāo),以“固體溶解”“顏色變化”“沉淀的生成和溶解”等一系列宏觀現(xiàn)象去推理微觀變化,也就是多種“相互作用力”類型不斷變化的結(jié)果。從大概念“相互作用力”的角度對(duì)“配合物”教學(xué),不但能夠更好地理解配合物和配位鍵,反映化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”等,而且“顏色”“沉淀”等變化的線索也在有效地提示同學(xué)們有“相互作用力”的變化,促使學(xué)生建構(gòu)整體觀?!芭浜衔铩卑膬?nèi)容幾乎涵蓋了高中所學(xué)習(xí)的所有的相互作用力的類型(表3)。
三、“以相互作用力為載體的配合物”教學(xué)設(shè)計(jì)
從大概念的角度出發(fā),以銅微粒的變化過(guò)程為載體,以宏觀現(xiàn)象作為線索探究相互作用力類型的變化。宏觀現(xiàn)象變化的背后必定有微觀變化,也就是圍繞在銅微粒周圍的相互作用力類型發(fā)生了變化。銅原子內(nèi)部有原子核與電子之間的相互作用力,因此能夠形成穩(wěn)定的原子,而當(dāng)單質(zhì)銅與濃硫酸在加熱條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸銅,Cu2+與SO2-之間有離子4鍵,相互作用力的類型就發(fā)生了變化。當(dāng)硫酸銅固體溶于水后生成藍(lán)色溶液,銅離子與4個(gè)水分子形成了配離子Cu(HO)2+,微粒之間的相互作用力類型再一24次發(fā)生了變化。氨水中微粒的情況就更為復(fù)雜,例如氨氣與水之間有氫鍵,但是氨氣與水發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)NH3·H2O又會(huì)電離出OH-離子,又有離子鍵。當(dāng)再向Cu(HO)2+中滴加少量氨水時(shí)形成了氫氧化銅沉淀,這24是離子鍵。但是當(dāng)氨水的量增多時(shí),氨水又會(huì)與Cu2+反應(yīng)生成配離子Cu(NH)2+,此時(shí)得到的是絳藍(lán)色的溶液,配離子出現(xiàn)了(見(jiàn)圖2)。隨著體系內(nèi)相互作用力類型發(fā)生了變化,體系的顏色也發(fā)生了變化,其實(shí)就是兩條線索,一條是宏觀可見(jiàn)的體系顏色變化,另一條是微觀的相互作用力類型變化。按照“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)的研究過(guò)程設(shè)計(jì)“配合物”的教學(xué)過(guò)程。
1.教學(xué)目標(biāo)
銅微粒在不同條件下與其他微粒有一定的相互作用力,包括OH-、NH3、H2O、SO2-等。培養(yǎng)學(xué)生從反應(yīng)現(xiàn)象的變化去察覺(jué)微觀變化,培養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的素養(yǎng)。
2.學(xué)情分析
學(xué)生對(duì)相互作用力類型的理解呈散點(diǎn)狀,因此可以用大概念將相互作用力的不同類型整合起來(lái)。從相互作用力的角度去看“配位鍵”視角相對(duì)較為新穎,包括宏微結(jié)合、絡(luò)合物結(jié)構(gòu)和相互作用力類型問(wèn)題。
3.教學(xué)步驟
【實(shí)驗(yàn)】展示硫酸銅(CuSO4)白色固體,配制成CuSO4溶液。再向溶液中滴加少量氨水,觀察現(xiàn)象,繼續(xù)滴加過(guò)量氨水,觀察現(xiàn)象(表4)。
在實(shí)驗(yàn)操作中圍繞著Cu2+周圍的相互作用力類型不斷變化,配位鍵在此過(guò)程中是重點(diǎn)。配位鍵的中心離子提供了空軌道,而配位分子提供孤對(duì)電子,相互作用就形成了配位鍵。配位鍵與共價(jià)鍵有區(qū)別也有聯(lián)系,聯(lián)系在于配位鍵從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是共價(jià)鍵,區(qū)別就在于兩個(gè)微粒之間的一對(duì)電子的來(lái)源不同。除此之外,配位鍵與共價(jià)鍵一樣也具有方向性。
(1)從宏觀的顏色變化看微觀的相互作用力類型變化(圖3-5)
觀察CuSO4固體的顏色是白色,而觀察到的CuSO4溶液和膽礬(CuSO4·H2O)的顏色是藍(lán)色的,Cu(NH)2+的溶液是絳藍(lán)色的。多種體系顏色的不同34給與學(xué)生的視覺(jué)沖擊是巨大的,也培養(yǎng)了學(xué)生以“宏觀辨識(shí)與微觀探析”為中心的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。
(2)在實(shí)驗(yàn)操作中體會(huì)相互作用力的多樣性學(xué)生發(fā)現(xiàn)體系顏色的變化是由于不斷地有其他類型的微?!瓣J”進(jìn)原體系的緣故,要么包圍原來(lái)的微粒,例如水分子對(duì)離子鍵的“切斷”作用;要么與原來(lái)的微粒發(fā)生反應(yīng),例如氨水與Cu2+發(fā)生反應(yīng)等。同時(shí)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生也體會(huì)到微粒的多樣性等,例如氨水中微粒種類多種多樣,相互作用力類型包括氫鍵、分子間作用力、離子鍵等,而一水合氨(NH3·H2O)中的氫鍵形式如圖6所示。
(3)配位鍵的方向性
向CuSO4溶液滴加少量氨水,出現(xiàn)藍(lán)色Cu(OH)2沉淀(圖7左),繼續(xù)向濁液中滴加過(guò)量氨水,藍(lán)色沉淀消失,并形成絳藍(lán)色溶液(圖7右)。隨著物質(zhì)的顏色和狀態(tài)發(fā)生變化說(shuō)明了在此過(guò)程中微觀粒子間的相互作用力也在變化。CuSO4固體是白色的,Cu2+和SO2-之間是4離子鍵,加水后CuSO4溶解,一個(gè)Cu2+四周有4個(gè)水分子以配位鍵相連接成Cu(HO)2+,溶液呈藍(lán)色。慢慢滴加氨水(NH3),氨水呈堿性,Cu在OH離子的誘惑下與水分子“決裂”而形成Cu(OH)2,Cu(OH)2是難溶于水的離子化合物,Cu2+與OH-離子之間的離子鍵相當(dāng)?shù)膹?qiáng),很難被水分子“截?cái)唷?。但是?dāng)氨水濃度大時(shí)Cu2+和OH-之間的離子鍵還是被破壞了,形成更難電離的配離子Cu(NH)2+。離子鍵無(wú)方向性,但是配位鍵有方向性(圖8、圖9所示)。
四、教學(xué)反思
1.相互作用力的“串聯(lián)”作用
學(xué)生是難以識(shí)別微觀的相互作用力的變化,但是卻可以通過(guò)宏觀現(xiàn)象的變化來(lái)引導(dǎo)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。并不是所有的化學(xué)反應(yīng)都有明顯現(xiàn)象的,通過(guò)宏觀現(xiàn)象更能說(shuō)明問(wèn)題,更能激發(fā)學(xué)生看到現(xiàn)象背后的問(wèn)題。而在配合物一節(jié),筆者發(fā)現(xiàn)配合物的制取過(guò)程中包含了多種顏色、多種狀態(tài)的變化,也包含了多種相互作用力的轉(zhuǎn)化,因此“相互作用力”可以作為一條線索,從大概念的角度促使學(xué)生更好地理解配合物的相關(guān)知識(shí)。在制取配離子為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,基本囊括了學(xué)生高中階段所學(xué)習(xí)的所有類型的相互作用力。課堂教學(xué)中以實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程為線索,邊實(shí)驗(yàn)邊講解,提醒學(xué)生思考溶液之中包括了哪些相互作用力。在一系列物質(zhì)的顏色和狀態(tài)的變化中,反映出的事實(shí)就是微粒之間的相互作用力的類型在變化。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?表面上看是由于相互作用力的類型變化了,其實(shí)是穩(wěn)定性的問(wèn)題。在大概念觀念視角下“相互作用力”是有大小和方向的。配合物教學(xué)過(guò)程中“相互作用力”是非常有力的工具,它是一條主線,將微粒銅的經(jīng)歷串聯(lián)在一起,教學(xué)實(shí)踐證明學(xué)生更容易理解。向Cu(HO)2+離子的溶液中滴加氨水,原來(lái)的配位24鍵會(huì)斷裂,生成了離子鍵,得到藍(lán)色的Cu(OH)2沉淀。學(xué)生察覺(jué)到了顏色變化、狀態(tài)變化等宏觀現(xiàn)象。當(dāng)氨水慢慢增多時(shí),藍(lán)色沉淀又會(huì)消失,最后得到絳藍(lán)色溶液溶液,其中就包含了配位鍵,突出了“量變引起質(zhì)變”大自然的規(guī)律。配位鍵看似是“新生事物”,但是與共價(jià)鍵之間又千絲萬(wàn)縷的關(guān)系,共價(jià)鍵具有方向性和飽和性,而配位鍵也是如此。用“配合物”作為教學(xué)載體,以大概念“相互作用力”作為宏觀現(xiàn)象變化背后的微觀本質(zhì)的原因,學(xué)生感覺(jué)更有條理性,更容易把握要領(lǐng)。
2.大概念與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)
大概念“相互作用力”在本質(zhì)上與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”相關(guān)聯(lián),雖然學(xué)生是難以直接察覺(jué)微粒之間的相互作用的,但是根據(jù)現(xiàn)象的變化,例如顏色變化、狀態(tài)變化等都是可以作為相互作用力變化的依據(jù)的?;瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析“”變化觀念與平衡思想”等,而其中的每一項(xiàng)素養(yǎng)都包含大概念的一種,例如“相互作用力”就能夠體現(xiàn)在宏微結(jié)合中,相互作用力類型這種微觀的變化往往都會(huì)伴隨著宏觀現(xiàn)象的變化,例如反應(yīng)體系的顏色等,雖然這其中的關(guān)系比較復(fù)雜,但是對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)必定可以根據(jù)相關(guān)變化而變化體會(huì)到這一點(diǎn)。
學(xué)生在高一、高二新課學(xué)習(xí)階段往往都是在學(xué)習(xí)分散的知識(shí)點(diǎn),感覺(jué)到化學(xué)學(xué)科知識(shí)較為零碎,但實(shí)際上化學(xué)學(xué)科也是一門較為系統(tǒng)的學(xué)科,之所以感覺(jué)零碎還是處于學(xué)習(xí)的初級(jí)階段,當(dāng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容相對(duì)寬厚之后就可以通過(guò)“大概念”予以說(shuō)明,所以大概念的教學(xué)在高三二輪復(fù)習(xí)更有市場(chǎng)。除了“相互作用力”之外,“能量觀”“能量守恒規(guī)律”“平衡觀”的“平衡移動(dòng)”“穩(wěn)定性”中的“能量最低原理”等,現(xiàn)象只是外部的、表觀的,并非本質(zhì),但是透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì),一系列顏色變化的背后體現(xiàn)出來(lái)的就是相互作用力的變化。
參考文獻(xiàn)
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