談高中化學(xué)選修模塊中核外電子排布的教學(xué)
2014-10-17 18:25顧曄
化學(xué)教學(xué) 2014年7期
摘要：列舉了國內(nèi)外文獻中關(guān)于核外電子排布的若干觀點，指出由于宏觀、微觀的物質(zhì)研究方式上的差異，容易導(dǎo)致核外電子排布認知學(xué)習(xí)的兩個誤區(qū)。比較了3種版本選修教材對核外電子排布規(guī)律內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，建議以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，在教學(xué)過程中提倡用量子觀點整體看待核外電子排布，更加客觀、科學(xué)地描述，還原給學(xué)生一個真實的、本質(zhì)的理論知識。
關(guān)鍵詞：核外電子排布；原子結(jié)構(gòu)；教學(xué)研討
文章編號：1005–6629（2014）7–0050–04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B
近期讀了Eric Scerri發(fā)表在EIC（Education in Chemistry，英國《化學(xué)教學(xué)》）的一篇文章“The trouble with the aufbau principle”，文章主要闡述了以下觀點[1]：（1）幾代化學(xué)教師用“aufbau principle”（構(gòu)造原理，aufbau源自德語，意為建造、構(gòu)建等）誤導(dǎo)了學(xué)生對核外電子排布的理解；（2）結(jié)合鈧（Sc）的核外電子排布指出機械使用構(gòu)造原理的不足；（3）迄今為止，很少的教學(xué)資源（教材）能準(zhǔn)確地闡釋多電子原子的核外電子排布。難道這么明顯的問題直到今天才被發(fā)現(xiàn)？查閱文獻資料發(fā)現(xiàn)，類似問題在國內(nèi)很多雜志和教材早有闡述。如1956年徐光憲先生從光譜數(shù)據(jù)歸納出原子、離子的電子能級分組法[2]；1988年王英杰綜合了多種觀點提出“絕不能把4s和3d軌道能級高低看成是第四周期元素原子電子填充次序的主要依據(jù)[3]”；北大華彤文教授等主編的《普通化學(xué)原理》中提出“電子軌道能量高低應(yīng)根據(jù)能量公式綜合考慮各個因素的總效果……[4]”。
經(jīng)歷了3輪高中化學(xué)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”選修模塊的教學(xué)，讀了上述文獻后感觸頗多：自己平時也是依據(jù)能級能量高低順序（構(gòu)造原理：1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d……）進行核外電子排布的教學(xué)的，問題出在哪？
1 兩個關(guān)鍵問題
1.1 電子是逐個排入各能級的嗎
包括筆者在內(nèi)的很多中學(xué)老師都是這樣教學(xué)生核外電子排布方式的：某元素，如氮元素原子核外共有7個電子，2個電子先排入K層，剩下5個電子排入L層，若L層排滿排入M層……，這樣進行原子核外電子排布在18號元素之前是沒有問題的。有了能級的概念后，開始這樣解釋鉀元素（Z=19）基態(tài)原子的核外電子排布，前18個電子依次排入1s、2s、2p、3s、3p能級，最后1個電子排入能量較低的4s能級（或4s軌道），即[Ar]4s1，依據(jù)是構(gòu)造原理中電子先填充4s能級，后填充3d能級。到此，我們是否思考過這樣的問題：多電子原子核外的電子是逐個排入的嗎？不同能級（或原子軌道）的相對能量是固定不變的嗎？
仔細想來，（1）多電子原子的核外電子排布不是逐個依次進入各能級的，原子核外電子是一個整體，只不過光譜實驗的事實告訴我們哪樣的核外電子排布最穩(wěn)定（能量最低）。（2）對于鉀、鈣，用Slater規(guī)則計算E4s
1.2 先有構(gòu)造原理，還是先有核外電子排布的事實著名化學(xué)家鮑林根據(jù)大量光譜實驗數(shù)據(jù)以及理論計算的結(jié)果，繪制了原子軌道近似能級圖（圖2），同時他還強調(diào)，N層的4s軌道比M層的3d軌道穩(wěn)定一些，各軌道的相對穩(wěn)定性可用圖2來近似地表示[8]。所以有一個問題必須明確：不是因為有了構(gòu)造原理（或其他核外電子排布規(guī)律）才有了核外電子排布式，是科學(xué)家根據(jù)光譜實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了諸多元素的基態(tài)原子的核外電子排布方式，然后再用相關(guān)理論去解釋，而這些理論本身就在逐步完善之中。
原著圖題譯文[9]：原子軌道能量的近似序列，每個圓圈代表1個原子軌道，它可以容納1個電子或者2個自旋方向相反的電子，最下面的圓圈表示能量最低的原子軌道（1s）。
2 選修模塊中核外電子排布規(guī)律的教學(xué)建議
2.1 嚴(yán)格、認真地把握課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)要求
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)主題1“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”中提出“了解原子結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理，知道原子核外電子的能級分布，能用電子排布式表示常見元素（1～36號）原子核外電子排布[10]?！鄙鲜鰞?nèi)容簡潔明了，貼合學(xué)生的認知水平和認識層次，我們在教學(xué)中不能隨意地進行增減，如“構(gòu)造原理”是了解層次，不需研究其成因，顯然“屏蔽效應(yīng)”和“鉆穿效應(yīng)”是不宜在此補充的（競賽輔導(dǎo)除外）；電子排布式的掌握也有2個重要限定：①范圍：1～36號，不需隨意延伸；②對象：原子（簡單離子不需出現(xiàn)）。
有時教學(xué)中的一些問題就是教師不經(jīng)意的拓展、延伸導(dǎo)致的。還是以鈧（Sc）為例：21號元素Sc的基態(tài)原子核外電子排布式為[Ar]3d14s2，本來是無可爭議的，但如果有下列教學(xué)過程，情況就比較復(fù)雜了：
[師]試寫出Sc+離子的核外電子排布式。
[生A] [Ar]3d04s2
[生B] [Ar]3d14s1
[師]為什么2位同學(xué)的答案存在差異，闡述各自的理由？
[生A] Sc+離子是在基態(tài)Sc原子的基礎(chǔ)上失去1個電子得到的，那么能量最高的（最不穩(wěn)定）的電子最易失去，根據(jù)構(gòu)造原理示意圖，3d能級的能量略高于4s能級，故有電子排布式：[Ar]3d04s2。
[生B] Sc+離子是在基態(tài)Sc原子的基礎(chǔ)上失去1個電子得到的，4s能級屬于N能層，是最外層，原子易失去最外層電子，故有電子排布式：[Ar]3d14s1。
事實上，2種回答的理由均將軌道能量固定化了，即用宏觀思維處理微觀現(xiàn)象，都是不可取的，Sc+離子的核外電子排布（[Ar]3d14s1）是光譜實驗的結(jié)果；但錯不在學(xué)生，是我們的提問超出了課程標(biāo)準(zhǔn)的要求！
不僅有教師這樣問、這樣教，還有試題（高三模擬題）這樣考，不少教師就是因為有了類似考題的出現(xiàn)（見下例）才進行了教學(xué)內(nèi)容的拓展。試想，學(xué)生在掌握Ti的電子排布式（[Ar]3d24s2）的基礎(chǔ)上如何判斷Ti2+基態(tài)的電子排布，是[Ar]3d04s2還是[Ar]3d24s0抑或是[Ar]3d14s1，不僅學(xué)生已有知識無從判斷4s和3d軌道能量的相對大小，即便知道，原子與離子的計算方式也是不盡相同的，否則徐光憲先生就不會在“一個新的電子能級分組法”一文中將原子與離子區(qū)分對待了。
例 2013年某市高三一模試題（節(jié)選）：氫能的存儲是氫能應(yīng)用的主要瓶頸，目前所采用或正在研究的主要儲氫材料有：配位氫化物、富氫載體化合物、碳質(zhì)材料、金屬氫化物等。
（1）Ti（BH4）2是一種過渡元素硼氫化物儲氫材料。
①Ti2+基態(tài)的電子排布式可表示為 。[其余小題略去]
2.2 理性、靈活地處理教材中的教學(xué)資源
從表1對3種版本教材對原子核外電子排布的教學(xué)內(nèi)容編排梳理可以看出：三者內(nèi)容選擇、呈現(xiàn)順序等既有共同點，又各具特色，我們在教學(xué)過程中需理性選擇、靈活把握。
2.2.1 靈活處理構(gòu)造原理的鋪墊知識
3種版本教材在介紹核外電子排布規(guī)律之前均有相關(guān)知識的鋪墊（表1），均在必修模塊電子層（能層）的基礎(chǔ)上用不同方法引入了能級（或原子軌道）的概念，為構(gòu)造原理的介紹打好了基礎(chǔ)。其中，人教版教材簡單引入能級概念后直接給出構(gòu)造原理，在后續(xù)內(nèi)容中才逐漸展開能量最低原理、泡利原理及洪特規(guī)則的介紹，是“倒敘式”的編寫方式；魯科版則較為系統(tǒng)地在上一節(jié)內(nèi)容中講述了“量子力學(xué)對原子核外電子運動狀態(tài)的描述（包括4個量子數(shù)）”，是典型的高校教材的編寫模式；蘇教版編寫風(fēng)格介于上述二者之間，可謂各有特色。
筆者建議教學(xué)過程中需根據(jù)教材特點化繁為簡，突出主干知識，即始終圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)“能用電子排布式表示常見元素（1～36號）原子核外電子排布”的教學(xué)要求，不宜過度深化或簡化，不要過早地要求學(xué)生從量子力學(xué)的角度分析電子的運動規(guī)律（適當(dāng)了解是可以的），但也不能讓學(xué)生機械地背誦構(gòu)造原理，將微觀知識宏觀化。
2.2.2 仔細比較構(gòu)造原理示意圖
盡管名稱不同，3種版本選修教材中均出現(xiàn)了“構(gòu)造原理示意圖”，且示意圖中均用圓圈表示能級（或原子軌道），用箭頭指向表示填充順序，可仔細分析又略有不同：人教版和魯科版均用彩色圓圈進行了顏色區(qū)分，其中人教版用同種顏色表示了主量子數(shù)（n）相同的原子軌道[14]（圖3），魯科版用同種顏色表示了角量子數(shù)（l）相同的原子軌道（圖略），蘇教版則未做明顯區(qū)別。更為重要的是，若將這3幅圖與圖2比較則會發(fā)現(xiàn)，鮑林的原子軌道能級近似圖更加科學(xué)，其中不同能級之間的能量差不是“等距”的，尤其3d、4s等能級之間的能量差異很小，也沒有所謂的“填充引導(dǎo)箭頭”，圖題也較為詳細，突出了“approximate（近似）”等關(guān)鍵的限定詞。
對于教師而言，應(yīng)該知曉的是，圖3中圓圈之間的距離不能代表真實軌道能量之間的差異（三種版本教材中的插圖圓圈間都是等距的），不同能級之間的能量差異不易在一幅圖上完整體現(xiàn)。由于高中學(xué)生缺乏對屏蔽效應(yīng)、鉆穿效應(yīng)以及由此引起的能級交錯的認識，我們在教學(xué)中不宜“深化拓展”對圖3的認識。該構(gòu)造原理示意圖的價值就在于幫助學(xué)生對核外電子排布有一個初步的了解，對于學(xué)有余力的學(xué)生（如競賽輔導(dǎo)課等）可以引導(dǎo)他們對圖2、圖3進行比較，并輔以能級交錯進行補充說明。
2.2.3 理性看待教材中的補充說明文字
表1中列出的3種版本教材中的“補充說明文字”無論在正文中還是在特色欄目中，均對核外電子排布的教學(xué)起到了畫龍點睛的作用。如果教材中沒有“大多數(shù)”、“絕大多數(shù)”及“不可分辨”等看似模糊的修飾詞語，核外電子排布的相關(guān)結(jié)論將缺乏科學(xué)性，而且主次、因果也會顛倒：核外電子排布規(guī)律只是從光譜實驗和量子力學(xué)計算等歸納出的經(jīng)驗規(guī)律，是用來解釋的一種理論，而不是電子排布的原因。要讓學(xué)生知道“原子的核外電子排布要以實驗測定的結(jié)果為準(zhǔn)”[15]。教師在教學(xué)過程中需要對這些看似不起眼的“大多數(shù)”、“絕大多數(shù)”及“不可分辨”等修飾詞語予以強調(diào)，以教給學(xué)生更加真實的化學(xué)，激發(fā)他們對微觀世界的認知熱情。
3 幾點反思
3.1 用量子視角看待電子排布問題
原子核外電子排布是微觀世界的問題，對待微觀世界的問題不能隨意搬用宏觀問題的處理方法，例如電子層（electronic shell）和原子軌道（atomic orbitals）都是科學(xué)家為研究、解釋問題方便進行的模型假設(shè)，而字面意思卻讓我們聯(lián)想到現(xiàn)實生活中的層狀結(jié)構(gòu)（如洋蔥模型）和軌道模型（如摩天輪、鐵軌等），把一個個電子逐個去填充就是自然而然的事情了?？墒聦嵅皇沁@樣的，電子不會逐個填充到電子層上（倒是可以逐個失去電子），正如魯科版教材所說“人們并不能指定哪個電子排布在哪個原子軌道上”[16]。很多物質(zhì)結(jié)構(gòu)中問題的出現(xiàn)皆出自微觀問題宏觀化的簡單處理方式。
3.2 用否定之否定的辯證態(tài)度期待超越量子力學(xué)模型的理論的出現(xiàn)
目前為止，量子力學(xué)模型（Quantum Mechanical Model）是解釋原子結(jié)構(gòu)的最前沿的理論，可是誰都不能說我們已經(jīng)對原子結(jié)構(gòu)有了清楚透徹的認識，薛定諤方程可以解出單電子原子的電子概率分布和軌道能量[17]，而多電子原子的薛定諤方程卻只能用中心立場模型近似求解，故該模型也未成熟。經(jīng)歷了古希臘哲學(xué)家德謨克利特的古代原子觀、道爾頓的近代原子學(xué)說、湯姆生的棗糕模型、盧瑟福的α粒子散射實驗、玻爾理論、薛定諤方程……每一次原子結(jié)構(gòu)新模型的提出都是對已有模型的否定，而所謂的“新”也是暫時的，隨著科學(xué)的進步和技術(shù)的發(fā)展，難保“新”模型不會成為以后被否定的對象，在否定與肯定的交替中原子結(jié)構(gòu)理論才會日臻完善[18]，我們期待新的原子結(jié)構(gòu)的理論出現(xiàn)……
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