陳廷俊

摘要：梳理化學(xué)鍵理論的建立和發(fā)展脈絡(luò)，研究必修階段化學(xué)鍵理論的學(xué)習(xí)要求，按照“宏觀辨識(shí)離子鍵與共價(jià)鍵的存在、微觀探析離子鍵與共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)、深刻理解離子鍵與共價(jià)鍵的關(guān)系”的認(rèn)知順序進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐；提出化學(xué)鍵教學(xué)要正確認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵理論模型與實(shí)物模型的不同功能，認(rèn)真厘清離子鍵和共價(jià)鍵的區(qū)別和聯(lián)系等觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍵；離子鍵；共價(jià)鍵；認(rèn)知模型

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12-0062-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.016

一、化學(xué)鍵理論的建立和發(fā)展脈絡(luò)

化學(xué)鍵是區(qū)別于分子間作用力的一種粒子間強(qiáng)烈的相互作用?；瘜W(xué)鍵主要包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵，無論是陰陽離子的相互吸引與排斥、原子間的電子云重疊、金屬陽離子和自由電子的相互作用，其本質(zhì)都是靜電作用，不同的只是作用方式和程度有所差異?；瘜W(xué)鍵理論能夠從微觀層面較好地認(rèn)識(shí)物質(zhì)分類、解釋物質(zhì)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系、理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)與能量變化，是落實(shí)宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心理論。

從貝采里烏斯（1812年）的電化二元學(xué)說→富蘭克蘭（1852年）的原子價(jià)→維爾納（1893年）的配位理論→科賽爾（1916年）的離子鍵→路易斯（1916年）的共價(jià)鍵→海特勒和倫敦（1927年）的價(jià)鍵理論（VB法）→鮑林與斯萊特（193 1年）的雜化軌道理論→馬利肯（1932年）的分子軌道理論→比約克斯騰和耶格爾（1949年）的化學(xué)鍵理論。[1，2]人們對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)由模糊到清晰、靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、定性到定量，經(jīng)歷了不斷發(fā)展和完善的過程，理論體系日趨完善。同時(shí)，隨著X射線、波譜、掃描隧道顯微鏡等技術(shù)應(yīng)用于研究分子結(jié)構(gòu)，人們對(duì)化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)越來越深入，已經(jīng)能夠捕捉到化學(xué)鍵形成的過渡狀態(tài)和分子結(jié)構(gòu)，離揭開粒子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越來越近。

二、必修階段化學(xué)鍵理論的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平

2017年版（2020年修訂）普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)必修內(nèi)容要求：認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成，建立化學(xué)鍵概念，能判斷簡(jiǎn)單離子化合物和共價(jià)化合物中的化學(xué)鍵類型。知道分子存在一定的空間結(jié)構(gòu)。認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化及能量變化的主要原因。[3]金屬鍵、共價(jià)鍵的本質(zhì)與分子空間構(gòu)型、化學(xué)鍵特點(diǎn)及物質(zhì)性質(zhì)等將在選修模塊學(xué)習(xí)。學(xué)業(yè)質(zhì)量水平為：【水平1-2】能從物質(zhì)的組成、構(gòu)成微粒、主要性質(zhì)等方面解釋或說明化學(xué)變化的本質(zhì)特征；【水平2-1】能從構(gòu)成物質(zhì)微粒、化學(xué)鍵等方面說明常見物質(zhì)的主要性質(zhì)；能用模型、符號(hào)等方式對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化進(jìn)行綜合表征。

必修階段，化學(xué)鍵安排在元素周期表（律）之后，[4]其目的是引導(dǎo)學(xué)生從元素在周期表中的位置分析原子結(jié)構(gòu)，通過原子得失電子趨勢(shì)認(rèn)識(shí)粒子間的相互作用，從微觀視角分析離子鍵和共價(jià)鍵的形成過程，理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)。鑒于此，教學(xué)時(shí)可選擇學(xué)生熟悉的典型離子（共價(jià)）化合物為研究對(duì)象，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和知識(shí)邏輯，按照“宏觀辨識(shí)離子鍵與共價(jià)鍵的存在、微觀探析離子鍵與共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)、深刻理解離子鍵與共價(jià)鍵的關(guān)系”的認(rèn)知順序，讓學(xué)生從宏觀辨識(shí)走向微觀探析，用證據(jù)揭示化學(xué)鍵的強(qiáng)烈相互作用的本質(zhì)內(nèi)涵，通過原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析形成化學(xué)鍵的類型，運(yùn)用符號(hào)進(jìn)行表征并解釋物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)本質(zhì)，體會(huì)化學(xué)鍵的應(yīng)用價(jià)值。

三、必修“化學(xué)鍵”課堂教學(xué)片段

1．宏觀辨識(shí)離子鍵與共價(jià)鍵的存在

【師】展示元素鈉、氯的相關(guān)物質(zhì)圖片：Na、Na2O、Na2O2 NaOH、NaCl、HCl、CI2等。

【生】思考交流。以Na生成NaCl、HCl為例，說出其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及NaCl、HCl的物理性質(zhì)。

【師生】Na在Cl2中燃燒發(fā)出黃色火焰，產(chǎn)生大量白煙；純凈的H2在CI2中安靜燃燒，發(fā)出蒼白色火焰，集氣瓶口產(chǎn)生白霧。常溫下，NaCl是固體、易溶于水；HCl是氣體、極易溶于水。

【師】請(qǐng)解釋NaCI、HCl的水溶液能導(dǎo)電，熔融的NaCl能導(dǎo)電而液態(tài)的HCl不導(dǎo)電的原因。

【生】NaCl、HCl的水溶液，熔融的NaCl導(dǎo)電是因?yàn)槠潆婋x產(chǎn)生了自由移動(dòng)的離子，而液態(tài)的HCl不導(dǎo)電說明其沒有電離出自由移動(dòng)的離子。

【師生】圖1是Na+和CI形成NaCl的堆積模型。每個(gè)Na+結(jié)合6個(gè)Cl-，每個(gè)Cl-結(jié)合6個(gè)Na+；圖2是由圖1抽象出的NaCl晶胞（最小結(jié)構(gòu)單元）模型；圖3是未加熱前同一層中Na+和Cl-的排列情況，Na+和Cl-不能自由移動(dòng)；圖4是高溫下，Na+和CI-可以自由移動(dòng)。

【師】由上面分析知，NaCl是由Na+和CI構(gòu)成的，Na+和cr之間存在強(qiáng)烈的相互作用——離子鍵，離子鍵使得Na+和CI不能自由移動(dòng)；當(dāng)其溶于水或熔融時(shí)，離子鍵被破壞，Na+和CI能自由移動(dòng)。HCl由分子構(gòu)成，H和Cl之間存在強(qiáng)烈的相互作用——共價(jià)鍵，當(dāng)其溶于水時(shí)，共價(jià)鍵被破壞，而液態(tài)時(shí)共價(jià)鍵沒有被破壞。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的物質(zhì)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引入粒子間存在相互作用（離子鍵和共價(jià)鍵），以NaCl、HCl的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)作為證據(jù)，啟發(fā)學(xué)生思考宏觀現(xiàn)象背后的微觀結(jié)構(gòu)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并培養(yǎng)其宏觀辨識(shí)與微觀探析、模型認(rèn)知與證據(jù)推理等化學(xué)核心素養(yǎng)。

2．微觀探析離子鍵與共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)

【師】請(qǐng)從微觀視角解釋NaCl、HCl的形成過程。

【生】畫出H、Na、Cl的原子結(jié)構(gòu)示意圖，交流討論。

【師生】根據(jù)原子核外電子排布知，鈉原子容易失去最外層1個(gè)電子達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，氯原子容易得到1個(gè)電子達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)鈉原子將最外層1個(gè)電子轉(zhuǎn)移給氯原子時(shí)，鈉原子變成帶1個(gè)單位正電荷的Na+，氯原子變成帶1個(gè)單位負(fù)電荷的Cl-。帶相反電荷的Na+與CI相互吸引，但由于雙方原子核、核外電子之間又存在斥力，Na+與CI不可能無限接近。當(dāng)引力等于斥力時(shí)，Na+與CI處于一種靜電平衡狀態(tài)，形成化合物NaCl（見圖5），形成過程用電子式表示為：Nax7-C1：～}Na+[x Ci：]一。這種帶相反電荷離子之間的相互作用稱為離子鍵，由離子鍵構(gòu)成的化合物稱為離子化合物。

【師生】氫原子、氯原子都不容易從對(duì)方獲得電子。當(dāng)氫原子將1個(gè)電子和氯原子最外層的1個(gè)電子形成共用電子對(duì)，圍繞雙方原子核高速運(yùn)動(dòng)，氫原子和氯原子都達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而形成HCl分子（見圖6），形成過程用電子式表示為：Hx+．Cl： -～H i Cl：。原子間通過共用電子對(duì)所形成的相互作用稱為共價(jià)鍵，以共用電子對(duì)形成分子的化合物稱為共價(jià)化合物。

【師】氫原子和氯原子對(duì)共用電子對(duì)的影響程度是否相同？

【生】氯原子得電子能力比氫原子強(qiáng)，共用電子對(duì)偏向氯原子、偏離氫原子，氯原子帶部分負(fù)電荷（一1價(jià)）、氫原子帶部分正電荷（+1價(jià)），共用電子對(duì)發(fā)生偏移的共價(jià)鍵為極性共價(jià)鍵（極性鍵）。

【師】請(qǐng)根據(jù)H2（g）+Cl2（g）=2HCl（g）反應(yīng)的能量變化示意圖（見圖7），[3]從化學(xué)鍵變化的視角分析化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。

【生】交流討論?；瘜W(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程。斷裂化學(xué)鍵要吸收能量，形成化學(xué)鍵要釋放能量。

【師】2015年，美國(guó)科學(xué)家利用X射線激光第一次看到了化學(xué)鍵形成的過渡狀態(tài)：兩個(gè)原子開始形成一個(gè)弱鍵，處在變成一個(gè)分子的過程中，催化劑能抓住CO分子和氧原子，讓它們彼此靠近，更容易地結(jié)合形成CO2分子（見圖8）。設(shè)計(jì)意圖：從Na、Cl、H的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析NaCl、HCl的形成過程，揭示離子鍵和共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì)、運(yùn)用符號(hào)正確表征其形成過程，從化學(xué)鍵視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)分類、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理解化學(xué)反應(yīng)與化學(xué)鍵的內(nèi)在聯(lián)系。

3．深刻理解離子鍵與共價(jià)鍵的關(guān)系

【師】請(qǐng)推測(cè)形成離子鍵、共價(jià)鍵的元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

【生】活潑金屬（IA、ⅡA）與活潑非金屬（ⅥA、ⅦA）元素之間趨于形成離子鍵，非金屬元素原子間趨于形成共價(jià)鍵。稀有氣體原子因?yàn)樽钔鈱舆_(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，單質(zhì)中不存在化學(xué)鍵。

【師】除了根據(jù)原子結(jié)構(gòu)最外層電子判斷元素原子形成化學(xué)鍵的類型，化學(xué)家還通過電負(fù)性來判斷離子鍵和共價(jià)鍵。

【資料卡片】元素的電負(fù)性（見表1）：判斷金屬性和非金屬性強(qiáng)弱的依據(jù)，電負(fù)性越大，原子得電子的能力越強(qiáng)。經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：如果兩成鍵元素之間的電負(fù)性差值大于1.7，它們通常形成離子鍵；小于1.7通常形成共價(jià)鍵。

【生】根據(jù)表1電負(fù)性數(shù)值計(jì)算CsF、NaCl、MgCI2、AICl3、HCl中成鍵原子的電負(fù)性差值（填人表2），并通過經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來判斷形成的化學(xué)鍵類型。

CsF、NaCl、MgCl2、AICI3、HCl中成鍵原子的電負(fù)性差值分別為3.1、2.1、1.8、1.5、0.9。依據(jù)電負(fù)性經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，得出AICl3、HCI是通過共價(jià)鍵形成的。

【師】提供文獻(xiàn)資料：CsF、NaCl、MgCI：、AICl，、HCl離子鍵百分?jǐn)?shù)分別約為92%、67%、55%、43%、19%。[6]當(dāng)成鍵原子離子鍵成分較大時(shí)，通常當(dāng)作離子鍵；當(dāng)成鍵原子共價(jià)鍵成分較大時(shí)，通常當(dāng)作共價(jià)鍵。離子鍵可以看作是極性很強(qiáng)的共價(jià)鍵，此時(shí)共用電子對(duì)基本為得電子能力強(qiáng)的原子獨(dú)有。

設(shè)計(jì)意圖：離子鍵、共價(jià)鍵是兩種不同的化學(xué)鍵，其主要區(qū)別是成鍵粒子和成鍵方式，但二者并不是絕對(duì)分割的。因此，提供電負(fù)性數(shù)據(jù)與物質(zhì)離子鍵百分?jǐn)?shù)，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)理性分析離子鍵與共價(jià)鍵的關(guān)系，深刻理解共價(jià)鍵（非極性鍵、極性鍵）和離子鍵的內(nèi)在變化規(guī)律。

四、教學(xué)思考

1．正確認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵理論模型與實(shí)物模型的不同功能

化學(xué)鍵的理論模型是從微觀視角對(duì)粒子間相互作用的本質(zhì)分析，為了幫助學(xué)生理解抽象的理論模型，教學(xué)時(shí)通常采用實(shí)物模型來模擬化學(xué)鍵。如，填充（比例）模型、球棍模型、晶胞模型，以及各種圖式（原子或離子結(jié)構(gòu)示意圖、電子式、結(jié)構(gòu)式、電子云等）。這些實(shí)物模型主要是通過直觀模擬來幫助學(xué)生理解微粒間的相互作用，化抽象為具體、變微觀為宏觀。教師在使用時(shí)要注意靜態(tài)模型與真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的差異，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察靜態(tài)模型去想象粒子動(dòng)態(tài)的成鍵過程。如，電子式只是一種簡(jiǎn)化的圖式，實(shí)際上每個(gè)電子的具體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要用4個(gè)量子數(shù)表示，共用電子對(duì)要通過電子云重疊來描述，切不可讓學(xué)生形成實(shí)物模型就是粒子真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

2．認(rèn)真厘清離子鍵和共價(jià)鍵的區(qū)別和聯(lián)系

離子鍵和共價(jià)鍵是成鍵粒子和成鍵方式不同的兩種化學(xué)鍵，具有各自獨(dú)特的屬性和特點(diǎn)，二者并不是絕對(duì)獨(dú)立分割的，這是電子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所決定的。系統(tǒng)認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵，需要準(zhǔn)確理解共價(jià)鍵和離子鍵之間的區(qū)別和聯(lián)系，電子云重疊形成共價(jià)鍵，陰、陽離子相互作用形成離子鍵，在陰、陽離子的相互吸引和排斥過程中也存在電子云的重疊。電負(fù)性差值和離子鍵百分?jǐn)?shù)（表1、表2）說明離子鍵和共價(jià)鍵沒有絕對(duì)的界限。從非極性鍵到極性鍵，共用電子對(duì)受成鍵原子的作用程度在改變，從無偏移到發(fā)生偏移，當(dāng)極性鍵強(qiáng)到幾乎完全為一方原子獨(dú)有時(shí)就變成了離子鍵?？梢?，離子鍵和共價(jià)鍵是相對(duì)而言的，沒有100%的離子鍵，從非極性鍵一極性鍵一離子鍵是成鍵原子得失電子能力的具體反映。

3.系統(tǒng)建構(gòu)必修學(xué)習(xí)階段化學(xué)鍵的認(rèn)知模型

人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界總是遵循從特殊到一般、從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)的順序。化合物中不同原子（離子）間的數(shù)目比，宏觀表現(xiàn)為化合價(jià)，微觀則是電子得失或電子對(duì)偏移。根據(jù)化學(xué)鍵類型可以判斷化合物類型，這是物質(zhì)分類的延伸，大多數(shù)鹽、活潑金屬氧化物、強(qiáng)堿通過離子鍵構(gòu)成，屬于離子化合物，熔融狀態(tài)能夠電離；非金屬氧化物、弱堿、酸、大多數(shù)有機(jī)物通過共價(jià)鍵形成，屬于共價(jià)化合物，熔融狀態(tài)不能導(dǎo)電。因此，必修階段化學(xué)鍵教學(xué)要按照“元素位置→元素原子結(jié)構(gòu)→得失電子趨勢(shì)→粒子間的相互作用→化學(xué)鍵類型→物質(zhì)類別→物質(zhì)性質(zhì)→化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)”的認(rèn)識(shí)思路，從宏觀辨識(shí)（物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)類別、成鍵元素），微觀探析（成鍵微粒、成鍵本質(zhì)、反應(yīng)實(shí)質(zhì)），符號(hào)表征（電子式、結(jié)構(gòu)式、模型）等角度系統(tǒng)建構(gòu)化學(xué)鍵的認(rèn)知模型（見圖9），讓學(xué)生真正理解化學(xué)鍵的本質(zhì)和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[5]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心．化學(xué)（選擇性必修1）[M]．北京：人民教育出版社．2020．

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