結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的“新”認(rèn)識(shí)和“新”實(shí)踐

朱月香 錢民協(xié) 段連運(yùn)

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 北京 100871)

結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)課是化學(xué)專業(yè)本科生的一門主干基礎(chǔ)課，對(duì)于使學(xué)生建立初步的微觀結(jié)構(gòu)原理，培養(yǎng)科學(xué)精神和創(chuàng)新思維，具有不可替代的作用。我們教學(xué)小組主要在以下兩個(gè)方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 注重原始創(chuàng)新 啟迪學(xué)生思維

一般說來，寫在教科書中的內(nèi)容都是當(dāng)時(shí)最成功的原始創(chuàng)新。教師在授課中引導(dǎo)學(xué)生置身其中，積極思考，非常有利于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維及認(rèn)識(shí)問題和解決問題的能力。我們?cè)谥v授某種理論或方法的時(shí)候，倡導(dǎo)學(xué)生自問：如果是我，會(huì)怎么處理，為什么？啟發(fā)學(xué)生用“心”去體會(huì)所學(xué)理論和方法背后蘊(yùn)含的分析問題、解決問題的基本思路和方法。這樣做，使他們終身受益。例如：

量子力學(xué)基礎(chǔ)部分，教師感到難講，學(xué)生感到難學(xué)。其實(shí)這一部分內(nèi)容很有意思。量子力學(xué)的建立和發(fā)展可以說充滿了激動(dòng)人心的原始創(chuàng)新，帶給人們很多啟發(fā)。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中體會(huì)到：“危機(jī)”就是轉(zhuǎn)機(jī)，“矛盾”爆發(fā)之時(shí)亦即新成果涌現(xiàn)之際。為了得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的黑體輻射公式，普朗克勇敢地打破能量連續(xù)變化的經(jīng)典理論，提出全新的量子論假說。愛因斯坦敏銳地意識(shí)到能量量子化概念的重要性，并將其應(yīng)用于光電效應(yīng)的解釋，提出了光的波粒二象性，建立了質(zhì)能聯(lián)系定律。年輕的法國(guó)科學(xué)家德布羅意仔細(xì)考察了光學(xué)理論的發(fā)展過程，聯(lián)想到問題的另一個(gè)方面——實(shí)物微粒的運(yùn)動(dòng)特征。他認(rèn)為，在光學(xué)上，比起波動(dòng)的研究方法，是過于忽略了粒子的研究方法；而在實(shí)物微粒上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤？是不是過多地考慮了粒子的圖像，而過于忽略了波的圖像？他大膽提出實(shí)物粒子波粒二象性的假設(shè)，開啟了人們認(rèn)識(shí)微觀世界的序幕[1-2]。

德布羅意的這種打破原有界限的極限聯(lián)想思維往往會(huì)帶來人們意想不到的結(jié)果。在科學(xué)研究中，往往也需要突破常規(guī)，探索可能的極限情況。傳統(tǒng)的合成氨鐵基催化劑中，F(xiàn)e(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物質(zhì)的量比為0.5時(shí)活性最高，在近80年的時(shí)間內(nèi)，研究工作都是在Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物質(zhì)的量比在0.4～0.7范圍內(nèi)圍繞這個(gè)活性最高點(diǎn)來做文章，通過加入各種助劑來提高催化劑的活性。我國(guó)科學(xué)家劉化章教授打破了原有的研究框架，將這個(gè)比例增大到10，結(jié)果得到了一個(gè)新的催化體系——維氏體Fe1-xO(0.04≤x≤ 0.10),活性提高了20%。他對(duì)催化劑活性與組成的關(guān)系提出了一個(gè)全新的概念，并預(yù)測(cè)了隨著催化劑組成不同，可能存在的另外幾個(gè)活性極大點(diǎn)[3]。

在認(rèn)識(shí)了微觀粒子的波粒二象性后，許多科學(xué)家經(jīng)過大量工作，建立了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)。我們?cè)谥v授量子力學(xué)基本假設(shè)時(shí)，先讓學(xué)生思考：如果讓我們來建立量子力學(xué)，首先應(yīng)該解決什么問題？經(jīng)過思考，他們梳理出如下思路：由于面臨的矛盾是，微觀粒子具有波粒二象性，不能用經(jīng)典力學(xué)來描述它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因而，應(yīng)當(dāng)首先解決狀態(tài)描述的問題。那么如何描述呢？肖像漫畫或許能給學(xué)生以啟迪：夸張的高鼻子、大嘴巴，決不是真人的樣子，但人們一看就能知道是誰。為什么？因?yàn)樽プ×巳宋锏奶攸c(diǎn)！微觀粒子最大的特點(diǎn)就是具有波性，因此，可以用波函數(shù)來描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于單粒子的一維運(yùn)動(dòng)，以經(jīng)典物理學(xué)中平面單色光的波動(dòng)方程為基礎(chǔ)，將其中的參數(shù)用波粒二象性的兩個(gè)關(guān)系式代替就可得到量子力學(xué)描述單粒子一維運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)。

結(jié)構(gòu)化學(xué)中另一個(gè)抓住特點(diǎn)解決問題的例子是簡(jiǎn)單休克爾分子軌道法(SHMO法)。為了解釋具有離域π鍵的共軛分子的性質(zhì)，休克爾緊緊抓住對(duì)分子性質(zhì)有決定性影響的π電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，忽略σ電子的影響，建立了簡(jiǎn)單有效的MO法，能較好地解釋和預(yù)測(cè)共軛體系的穩(wěn)定性、酸堿性、電磁性以及化學(xué)反應(yīng)等性能。

我們?cè)诮虒W(xué)中不斷引入科學(xué)史上的原始創(chuàng)新內(nèi)容，向?qū)W生灌輸在科學(xué)研究中“抓住關(guān)鍵因素，選準(zhǔn)突破口，解決問題，實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新” 的思想，收到較好的效果。

2 及時(shí)納新 豐富教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)過程中注意積累素材，不斷追蹤國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，堅(jiān)持教學(xué)與科研相結(jié)合，及時(shí)在適當(dāng)章節(jié)介紹與結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的科技發(fā)展的新成果、新理論和新方法，使學(xué)生開闊視野，獲得新知識(shí)和新概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和對(duì)科研工作的興趣。

在講授電子自旋量子數(shù)時(shí)，從一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)如光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)、斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)等出發(fā)，說明由解薛定諤方程得到的波函數(shù)并不能完整地描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須引入自旋運(yùn)動(dòng)的概念。1928年，狄拉克的相對(duì)論量子力學(xué)方程成功地給出了電子具有自旋運(yùn)動(dòng)的推論，但是又導(dǎo)致負(fù)能態(tài)矛盾的出現(xiàn)，讓當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家深感困惑。為了解決這一難題，狄拉克提出新的真空理論和反物質(zhì)的概念，使人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)大的飛躍。幾年后反(正)電子的存在便被科學(xué)家所證實(shí)，后來又發(fā)現(xiàn)了由正電子和電子組成的正電子素。2007年，Nature上報(bào)道了由兩個(gè)正電子素組成的反分子——正電子素分子，其結(jié)構(gòu)類似氫分子，中心為正電子，周圍為電子[4]。介紹這些新的科研成果可以使學(xué)生體會(huì)到，科學(xué)的發(fā)展是沒有止境的，有很多新的領(lǐng)域等待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

原子軌道及分子軌道的輪廓圖是根據(jù)波函數(shù)作圖得到的。2004年Nature上的一篇報(bào)道使我們可以直接看到分子軌道，這是用飛秒光譜技術(shù)得到的N2分子HOMO——2σg軌道的三維圖像[5]，與理論推導(dǎo)的結(jié)果完全一致。試想，如果可以直接觀測(cè)所有分子的前線軌道，就意味著可以在線觀看化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，那將是何等激動(dòng)人心的事！

化學(xué)鍵對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有決定性的影響。以前我們了解的鍵級(jí)最高的共價(jià)鍵是Re2Cl82-中Re和Re之間的四重鍵。2005年Science上報(bào)道了第一個(gè)具有五重鍵的Cr(Ⅰ)配合物：Ar′CrCrAr′[6]。在介紹了Re—Re四重鍵后，讓學(xué)生自己分析Cr—Cr之間五重鍵的形成。硼是一個(gè)非常獨(dú)特的元素，含硼化合物中的化學(xué)鍵也常常與眾不同。B12H122-中12個(gè)B形成的正三角二十面體是大家非常熟悉的結(jié)構(gòu)，2009年Nature上報(bào)道了第一個(gè)由單一元素組成的具有離子化合物特征的物質(zhì)：B2-B12[7],其中B2帶部分正電荷，B12多面體帶部分負(fù)電荷。及時(shí)吸納這些新的研究進(jìn)展可以向?qū)W生展現(xiàn)化學(xué)鍵的魅力，激發(fā)他們對(duì)化學(xué)的興趣。

納米材料是目前最熱門的研究領(lǐng)域之一。2006年JACS上報(bào)道了納米合金在溶液中奇特的可逆物相轉(zhuǎn)變行為[8]。比如，將具有NiAs型結(jié)構(gòu)的納米PtSn放入SnCl2的四甘醇溶液中，在280℃反應(yīng)40min就可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蠧aF2型結(jié)構(gòu)的PtSn2；如果在K2PtCl6溶液中于260℃反應(yīng)20min則轉(zhuǎn)變?yōu)镻t3Sn。這些反應(yīng)都是可逆的，通過調(diào)整反應(yīng)溶液的組成即可很容易地調(diào)變產(chǎn)物的組成，而一般的固相反應(yīng)需要很高的反應(yīng)溫度。這些奇特的反應(yīng)性能與納米材料的高比表面有關(guān)。我們將這些知識(shí)介紹給學(xué)生，豐富了晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容。

在講授譜學(xué)及衍射原理和方法時(shí)，將教師的相關(guān)科研成果作為實(shí)例讓學(xué)生分析，使他們更切實(shí)地感受這些方法的重要性，正確掌握這些理論和方法的基本原理和使用范圍。這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)到的知識(shí)就不僅僅是停留在書本上，而是能運(yùn)用這些理論和方法去解決實(shí)際問題，為以后的科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

納新和吐故是相輔相成的。我們?cè)诮虒W(xué)中注意恰當(dāng)?shù)靥幚矶叩年P(guān)系。原則是，納入的新內(nèi)容既能作為基本概念和原理的良好載體，又能激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。如此便可實(shí)現(xiàn)“堅(jiān)持基礎(chǔ)，常教常新”。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周公度,段連運(yùn),結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ).第4版.北京:北京大學(xué)出版社,2008

[2] 程九標(biāo),張憲魁,陳為友,物理發(fā)現(xiàn)的藝術(shù).青島:中國(guó)海洋大學(xué)出版社,2003

[3] 劉化章,李小年.中國(guó)科學(xué)(B)輯,1995,25(1):1

[4] Cassidy D B,Mills A P Jr.Nature,2007,449:195

[5] Itatani1 J,Levesque1 J,Zeidler D,etal.Nature,2004,432:867

[6] Nguyen T,Sutton A D,Brynda M,etal.Science,2005,310:844

[7] Oganov A R,Chen J H,Gatti C.Nature,2009,457:863

[8] Cable R E,Schaak R E.JAmChemSoc,2006,128:9588