建構(gòu)“化學鍵”認知模型的教學實踐

陳廷俊

摘要：梳理化學鍵理論的建立和發(fā)展脈絡(luò)，研究必修階段化學鍵理論的學習要求，按照“宏觀辨識離子鍵與共價鍵的存在、微觀探析離子鍵與共價鍵的實質(zhì)、深刻理解離子鍵與共價鍵的關(guān)系”的認知順序進行教學實踐；提出化學鍵教學要正確認識化學鍵理論模型與實物模型的不同功能，認真厘清離子鍵和共價鍵的區(qū)別和聯(lián)系等觀點。

關(guān)鍵詞：化學鍵；離子鍵；共價鍵；認知模型

文章編號：1008-0546（2022）12-0062-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.016

一、化學鍵理論的建立和發(fā)展脈絡(luò)

化學鍵是區(qū)別于分子間作用力的一種粒子間強烈的相互作用?；瘜W鍵主要包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵，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鍵理論能夠從微觀層面較好地認識物質(zhì)分類、解釋物質(zhì)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系、理解化學反應(yīng)本質(zhì)與能量變化，是落實宏觀辨識與微觀探析的核心理論。

從貝采里烏斯（1812年）的電化二元學說→富蘭克蘭（1852年）的原子價→維爾納（1893年）的配位理論→科賽爾（1916年）的離子鍵→路易斯（1916年）的共價鍵→海特勒和倫敦（1927年）的價鍵理論（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）的化學鍵理論。[1，2]人們對化學鍵的認識由模糊到清晰、靜態(tài)到動態(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，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)，人們對化學鍵的認識越來越深入，已經(jīng)能夠捕捉到化學鍵形成的過渡狀態(tài)和分子結(jié)構(gòu)，離揭開粒子的真實運動狀態(tài)越來越近。

二、必修階段化學鍵理論的學業(yè)質(zhì)量水平

2017年版（2020年修訂）普通高中化學課程標準必修內(nèi)容要求：認識構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實例認識離子鍵和共價鍵的形成，建立化學鍵概念，能判斷簡單離子化合物和共價化合物中的化學鍵類型。知道分子存在一定的空間結(jié)構(gòu)。認識化學鍵的斷裂和形成是化學反應(yīng)中物質(zhì)變化及能量變化的主要原因。[3]金屬鍵、共價鍵的本質(zhì)與分子空間構(gòu)型、化學鍵特點及物質(zhì)性質(zhì)等將在選修模塊學習。學業(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變化的本質(zhì)特征；【水平2-1】能從構(gòu)成物質(zhì)微粒、化學鍵等方面說明常見物質(zhì)的主要性質(zhì)；能用模型、符號等方式對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化進行綜合表征。

必修階段，化學鍵安排在元素周期表（律）之后，[4]其目的是引導學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認識粒子間的相互作用，從微觀視角分析離子鍵和共價鍵的形成過程，理解化學反應(yīng)本質(zhì)。鑒于此，教學時可選擇學生熟悉的典型離子（共價）化合物為研究對象，根據(jù)學生的認知規(guī)律和知識邏輯，按照“宏觀辨識離子鍵與共價鍵的存在、微觀探析離子鍵與共價鍵的實質(zhì)、深刻理解離子鍵與共價鍵的關(guān)系”的認知順序，讓學生從宏觀辨識走向微觀探析，用證據(jù)揭示化學鍵的強烈相互作用的本質(zhì)內(nèi)涵，通過原子結(jié)構(gòu)特點分析形成化學鍵的類型，運用符號進行表征并解釋物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)本質(zhì)，體會化學鍵的應(yīng)用價值。

三、必修“化學鍵”課堂教學片段

1．宏觀辨識離子鍵與共價鍵的存在

【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，說出其實驗現(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】請解釋NaCI、HCl的水溶液能導電，熔融的NaCl能導電而液態(tài)的HCl不導電的原因。

【生】NaCl、HCl的水溶液，熔融的NaCl導電是因為其電離產(chǎn)生了自由移動的離子，而液態(tài)的HCl不導電說明其沒有電離出自由移動的離子。

【師生】圖1是Na+和CI形成NaCl的堆積模型。每個Na+結(jié)合6個Cl-，每個Cl-結(jié)合6個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；圖4是高溫下，Na+和CI-可以自由移動。

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

設(shè)計意圖：從學生熟悉的物質(zhì)和實驗現(xiàn)象引入粒子間存在相互作用（離子鍵和共價鍵），以NaCl、HCl的導電性實驗作為證據(jù)，啟發(fā)學生思考宏觀現(xiàn)象背后的微觀結(jié)構(gòu)，以此激發(fā)學生的學習興趣并培養(yǎng)其宏觀辨識與微觀探析、模型認知與證據(jù)推理等化學核心素養(yǎng)。

2．微觀探析離子鍵與共價鍵的實質(zhì)

【師】請從微觀視角解釋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個電子達到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，氯原子容易得到1個電子達到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當鈉原子將最外層1個電子轉(zhuǎn)移給氯原子時，鈉原子變成帶1個單位正電荷的Na+，氯原子變成帶1個單位負電荷的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。當引力等于斥力時，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方獲得電子。當氫原子將1個電子和氯原子最外層的1個電子形成共用電子對，圍繞雙方原子核高速運動，氫原子和氯原子都達到穩(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所形成的相互作用稱為共價鍵，以共用電子對形成分子的化合物稱為共價化合物。

【師】氫原子和氯原子對共用電子對的影響程度是否相同？

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

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

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

【師】2015年，美國科學家利用X射線激光第一次看到了化學鍵形成的過渡狀態(tài)：兩個原子開始形成一個弱鍵，處在變成一個分子的過程中，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)計意圖：從Na、Cl、H的原子結(jié)構(gòu)特點，分析NaCl、HCl的形成過程，揭示離子鍵和共價鍵的實質(zhì)、運用符號正確表征其形成過程，從化學鍵視角認識物質(zhì)分類、性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，理解化學反應(yīng)與化學鍵的內(nèi)在聯(lián)系。

3．深刻理解離子鍵與共價鍵的關(guān)系

【師】請推測形成離子鍵、共價鍵的元素的原子結(jié)構(gòu)特點。

【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鍵。稀有氣體原子因為最外層達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，單質(zhì)中不存在化學鍵。

【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鍵的類型，化學家還通過電負性來判斷離子鍵和共價鍵。

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

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

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

【師】提供文獻資料：CsF、NaCl、MgCI：、AICl，、HCl離子鍵百分數(shù)分別約為92%、67%、55%、43%、19%。[6]當成鍵原子離子鍵成分較大時，通常當作離子鍵；當成鍵原子共價鍵成分較大時，通常當作共價鍵。離子鍵可以看作是極性很強的共價鍵，此時共用電子對基本為得電子能力強的原子獨有。

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

四、教學思考

1．正確認識化學鍵理論模型與實物模型的不同功能

化學鍵的理論模型是從微觀視角對粒子間相互作用的本質(zhì)分析，為了幫助學生理解抽象的理論模型，教學時通常采用實物模型來模擬化學鍵。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）。這些實物模型主要是通過直觀模擬來幫助學生理解微粒間的相互作用，化抽象為具體、變微觀為宏觀。教師在使用時要注意靜態(tài)模型與真實運動狀態(tài)之間的差異，引導學生通過觀察靜態(tài)模型去想象粒子動態(tài)的成鍵過程。如，電子式只是一種簡化的圖式，實際上每個電子的具體運動狀態(tài)要用4個量子數(shù)表示，共用電子對要通過電子云重疊來描述，切不可讓學生形成實物模型就是粒子真實運動狀態(tài)的錯誤認識。

2．認真厘清離子鍵和共價鍵的區(qū)別和聯(lián)系

離子鍵和共價鍵是成鍵粒子和成鍵方式不同的兩種化學鍵，具有各自獨特的屬性和特點，二者并不是絕對獨立分割的，這是電子的真實運動狀態(tài)所決定的。系統(tǒng)認識化學鍵，需要準確理解共價鍵和離子鍵之間的區(qū)別和聯(lián)系，電子云重疊形成共價鍵，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。電負性差值和離子鍵百分數(shù)（表1、表2）說明離子鍵和共價鍵沒有絕對的界限。從非極性鍵到極性鍵，共用電子對受成鍵原子的作用程度在改變，從無偏移到發(fā)生偏移，當極性鍵強到幾乎完全為一方原子獨有時就變成了離子鍵。可見，離子鍵和共價鍵是相對而言的，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)必修學習階段化學鍵的認知模型

人們認識物質(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?；衔镏胁煌樱x子）間的數(shù)目比，宏觀表現(xiàn)為化合價，微觀則是電子得失或電子對偏移。根據(jù)化學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)有機物通過共價鍵形成，屬于共價化合物，熔融狀態(tài)不能導電。因此，必修階段化學鍵教學要按照“元素位置→元素原子結(jié)構(gòu)→得失電子趨勢→粒子間的相互作用→化學鍵類型→物質(zhì)類別→物質(zhì)性質(zhì)→化學反應(yīng)本質(zhì)”的認識思路，從宏觀辨識（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)實質(zhì)），符號表征（電子式、結(jié)構(gòu)式、模型）等角度系統(tǒng)建構(gòu)化學鍵的認知模型（見圖9），讓學生真正理解化學鍵的本質(zhì)和價值。

參考文獻

[1]楊承?。瘜W鍵理論的發(fā)展概況[J].化學教育，1997（7）：11-13.

[2]朱玉軍，李宗和．化合價的歷史演變[J]．化學教育，2009（11）：80-82．

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[4]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心．化學（必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社， 2019．

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

[6] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學．無機化學（第四版上冊）[M].北京：高等教育出版社，2002.