“無機(jī)化學(xué)”教學(xué)難點(diǎn)的梳理與辨析

張一兵， 李俏

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

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“無機(jī)化學(xué)”教學(xué)難點(diǎn)的梳理與辨析

張一兵， 李俏

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

針對“無機(jī)化學(xué)”課程特點(diǎn)和大一新生的具體情況，從三個方面對“無機(jī)化學(xué)”中基本概念和基本理論部分的教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行了深層次的梳理與辨析，以期達(dá)到提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果的目的。

無機(jī)化學(xué)；教學(xué)難點(diǎn)；梳理；辨析；大學(xué)新生

“無機(jī)化學(xué)”是我?；瘜W(xué)專業(yè)大一新生的專業(yè)課，由于是第一學(xué)年開設(shè)(第一學(xué)期“無機(jī)化學(xué)”上冊內(nèi)容為：基本概念與基本理論部分，第二學(xué)期“無機(jī)化學(xué)”下冊：元素化學(xué)及配合物等內(nèi)容)。長年的教學(xué)中所遇到的問題主要有如下幾個方面：一是擴(kuò)招后大學(xué)新生基礎(chǔ)普遍薄弱，相當(dāng)部分的學(xué)生中學(xué)化學(xué)知識還沒有過關(guān)；二是新生適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)生活的能力差，角色變換慢；三是對于現(xiàn)在的學(xué)生而言教學(xué)內(nèi)容相對多，課時相對少；四是大環(huán)境下高校對學(xué)生要求低，要求保證有一定的畢業(yè)率和學(xué)位授予率，即要減小掛科率，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，競爭意識弱。經(jīng)過多年的“無機(jī)化學(xué)”教學(xué)，筆者對歷屆學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了較長時間的比較與思考，現(xiàn)就擴(kuò)招下的學(xué)生所顯現(xiàn)的“無機(jī)化學(xué)”上冊中基本概念與基本理論部分的教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行梳理辨析(注：擴(kuò)招前學(xué)生有的可能并不覺得是難點(diǎn))，以期幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，少走彎路，提高學(xué)習(xí)效率，為后續(xù)專業(yè)課程夯實(shí)基礎(chǔ)。

目前我們采用武漢大學(xué)等學(xué)校編寫的“無機(jī)化學(xué)”作為主要教材[1]，本文大致依照此教材上冊中的教學(xué)內(nèi)容的主要編排次序即物質(zhì)的狀態(tài)、原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)初步、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、溶液、電解質(zhì)溶液、氧化還原反應(yīng)，進(jìn)行講述，不足之處敬請專家同行批評指正。旨在拋磚引玉，共同上好“無機(jī)化學(xué)”這門課。

1 原子結(jié)構(gòu)部分

原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)是“無機(jī)化學(xué)”最重要也是最難學(xué)的兩章。由于原子與分子看不見摸不著，屬于微觀世界，大一新學(xué)生普遍覺得原子結(jié)構(gòu)這章內(nèi)容抽象難懂，不易掌握。那么人們是如何知道原子的核外電子運(yùn)動及排布的呢？講解的方法可先給學(xué)生梳理一條由宏觀到微觀、由粗到細(xì)、由現(xiàn)象(化學(xué)性質(zhì))到本質(zhì)(物質(zhì)結(jié)構(gòu))脈絡(luò)(如圖1)，讓學(xué)生先有感性認(rèn)識再到理性掌握，沿著圖1的走向進(jìn)行反向?qū)W習(xí)。

圖1 原子結(jié)構(gòu)講解反向示意圖

由圖1學(xué)生就很快理解為什么教材中要先從氫原子(最簡單的單電子原子)光譜入手，由易到難、由表及里進(jìn)行漸進(jìn)闡述。講解本章內(nèi)容要格外注意幫助學(xué)生建立微觀粒子與宏觀物質(zhì)的運(yùn)動方式截然不同，前者的運(yùn)動具有波粒二象性(符合測不準(zhǔn)原理)，其運(yùn)動行為不能套用宏觀物質(zhì)運(yùn)動的經(jīng)典力學(xué)公式——牛頓定理，而要用統(tǒng)計學(xué)的觀點(diǎn)，以薛定諤方程來描述。

本章節(jié)另一個難點(diǎn)是四個量子數(shù)，即主量子數(shù)n、副量子數(shù)或角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m、自旋量子數(shù)ms。除了幫助學(xué)生理解并掌握4個量子數(shù)的物理意義外，更重要的要掌握各量子數(shù)的功用。如圖2所示，n、l決定多電子原子的電子的能量(其中H原子的電子能量僅由n決定)；n、l、m決定電子的空間運(yùn)動狀態(tài)，即原子軌道、波函數(shù)；n、l、m、ms決定電子在原子核外的運(yùn)動狀態(tài)。我們把原子“軌道” 叫做電子的空間運(yùn)動狀態(tài)，把既有一定空間運(yùn)動狀態(tài)又有一定自旋狀態(tài)的電子稱作具有一定運(yùn)動狀態(tài)的電子。訓(xùn)練學(xué)生必須具備通過關(guān)聯(lián)4個量子數(shù)數(shù)值計算各電子層中可能有的電子運(yùn)動狀態(tài)數(shù)的能力。

多電子原子的核外電子的排布要遵守三個原理及一個補(bǔ)充規(guī)則(俗稱三把半鑰匙)：能量最低原理、保里不相容原理、洪特規(guī)則及其一個補(bǔ)充規(guī)則(全充滿、半充滿、或全空規(guī)則)。其中學(xué)生最難掌握并應(yīng)用的是能量最低原理，因為必須掌握原子軌道的近似能級序，而大多數(shù)人往往是死記硬背。如何讓學(xué)生能輕而易舉的掌握原子軌道的近似能級序呢，筆者采用了如圖3的方法幫助學(xué)生。

圖3的形式是二疊V形，即一個大V字母內(nèi)套一個小V字母，再配上口訣進(jìn)行講解，學(xué)生感覺形象易懂，效果很好。如果萬一忘記了，還可結(jié)合我國著名化學(xué)家徐光憲將原子軌道的能級近似計算公式對能級進(jìn)行排序：(1)對于基態(tài)原子：n+0.7l；(2)對于基態(tài)陽離子：n+0.4l。

圖3的能量最低原理的能級序口訣：1，22，33，434，545，6456，7567，s開始，p結(jié)尾， f靠s，d靠p?？谠E釋義：1(1s)，22(2s2p)，33(3s3p)，434(4s3d4p)，545(5s4d5p)，6456(6s4f5d6p)，(7s5f6d7p)。圖3將能級組、能級組內(nèi)各原子軌道、元素周期表的分區(qū)、各周期的元素數(shù)目等知識有機(jī)地聯(lián)系起來了。

圖2 四個量子數(shù)的功用

圖3 原子軌道的近似能級序

2 分子結(jié)構(gòu)部分

分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵是“無機(jī)化學(xué)”最重要也最難學(xué)的另一章。相鄰原子間通過強(qiáng)烈的作用力(即化學(xué)鍵)形成了分子。由于各原子的性質(zhì)不同，形成了三類不同的化學(xué)鍵即離子鍵、共價鍵和金屬鍵。其中通過共價鍵形成的物質(zhì)最廣泛。為此有關(guān)共價鍵的理論也最多，到目前為止主要有4個，分別是現(xiàn)代價鍵理論(即電子配對理論簡稱VB法)、雜化軌道理論、分子軌道理論(簡稱MO法)、價層電子對互斥理論(簡稱VSEPR理論)。雜化軌道理論應(yīng)用相對更為普遍。各理論的功用各有千秋，通過列表(表1)，便于學(xué)生掌握。

多原子共價分子ABn的極性與其鍵的極性和分子的空間構(gòu)型(即形狀)相關(guān)。如何教授學(xué)生準(zhǔn)確快速把握共價型分子的空間構(gòu)型，是教學(xué)的相對難點(diǎn)。為此筆者將相關(guān)知識聯(lián)系起來梳理成表2，期望有事半功倍之效。表2中的等性雜化，筆者認(rèn)為教材說的不夠全面，應(yīng)符合3個條件：(1)組成中心原子A雜化軌道的原子軌道的成分及能量均相同；(2)中心原子A無孤對電子對；(3)中心原子A與相同的端原子B或配位原子B形成鍵。上述條件如果有一個不符合即為不等性雜化，如BeCl2、BCl3、PCl5、SCl6等是等性雜化，而PCl3、H2O、CH3Cl等是不等性雜化。

表1 四大共價鍵理論的功用比較

表2 共價鍵及其形成分子的極性關(guān)系

雜化軌道理論在解釋分子的空間構(gòu)型時非常好用，應(yīng)用廣泛，尤其為后續(xù)的“有機(jī)化學(xué)”運(yùn)用更多。為此，筆者有意識地對這部分內(nèi)容與VSEPR理論進(jìn)行對應(yīng)比較教學(xué)(表3)，便于學(xué)生消除這方面的難點(diǎn)。

表3 幾類典型的等性雜化軌道形成的完美分子構(gòu)型

分子間作用力即范德華力的作用范圍及產(chǎn)生原因是學(xué)生難以掌握的教學(xué)難點(diǎn)，為此筆者對此部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了梳理并總結(jié)列于表4，以利于學(xué)生的概念澄清，牢固掌握。從表4可知，色散力存在于一切分子之中，而取向力只存在于具有固有偶極的極性分子之間。

表4 分子間作用力作用范圍及產(chǎn)生原因

化學(xué)鍵(原子間作用力)與分子間作用力(包括特殊形式的范德華力—?dú)滏I)的產(chǎn)生原因、產(chǎn)生對象、作用力大小以及力的特征等知識，有的學(xué)生也往往不易掌握，鑒于此，將它們進(jìn)行了梳理比較分析，如表5，讓學(xué)生一目了然，能快速準(zhǔn)確地理解并掌握。

需要指出的是，氫鍵的本性到底是什么，目前說法不一。有的說是靜電引力，因為高電負(fù)性的F或O或N與H結(jié)合形成共價型分子HY，使得H幾乎成為質(zhì)子，此時的H呈現(xiàn)強(qiáng)電正性，易與另一個分子HY中的Y原子即F或O或N接近，產(chǎn)生靜電吸引作用，結(jié)果形成氫鍵，表5暫時采用這一說法；有的說是共價鍵，因為它具有飽和性和方向性的特征，但鍵的數(shù)值太小，沒有達(dá)到化學(xué)鍵范圍，所以又不合理；有的以作用力大小為依據(jù)，認(rèn)為氫鍵是特殊形式的分子間作用力，但讓人不信服的是它又有飽和性與方向性的共價鍵特征。

表5 原子間力與分子間力之比較

由化學(xué)鍵或分子間作用力形成的分子，其晶體往往不同，目前分為4類。為此將4種晶體的性質(zhì)等知識進(jìn)行綜合比較得表6，目的是讓學(xué)生便于厘清與掌握。

表6 四種晶體的性質(zhì)比較

3 其它章節(jié)部分

除了上述最重要的兩章有較多的難點(diǎn)外，其它章節(jié)相對更為容易些。梳理一下主要有如下難點(diǎn)。

3.1 化學(xué)熱力學(xué)初步

狀態(tài)函數(shù)的概念等知識是本章的重要內(nèi)容，由于運(yùn)用蓋斯定律的函數(shù)必須是狀態(tài)函數(shù)，所以學(xué)生要分清哪些是狀態(tài)函數(shù)，哪些是非狀態(tài)函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)主要有：P、V、U、H、S、G等，非狀態(tài)函數(shù)有：W、Q等。注意教授學(xué)生狀態(tài)函數(shù)的集合(和、差、積、商)也是狀態(tài)函數(shù)[2]，即U、H、S和G等也是狀態(tài)函數(shù)。在U、U、H、H、S、S、G、G中，只有S有絕對值，U、H、G則沒有。還要特別提醒S、S與H、G單位的異同。

要教會學(xué)生注意對大學(xué)化學(xué)中熱力學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”和中學(xué)化學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)狀況”這兩個概念區(qū)分(見表7)。前者條件指的是：處于標(biāo)準(zhǔn)壓力1.01×105Pa下的狀態(tài)稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；后者要同時指明壓力與溫度即在標(biāo)準(zhǔn)壓力101.325 kPa和273.15 K(即0 ℃)條件下為標(biāo)準(zhǔn)狀況。

表7 “標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”與“標(biāo)準(zhǔn)狀況”的比較

關(guān)于為何規(guī)定白磷的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱為0的原因，一些學(xué)生弄不明白，為此要進(jìn)行特別講解。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱定義是[2]：“在標(biāo)準(zhǔn)壓力1.01×105Pa和指定溫度下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1 mol該物質(zhì)的等壓熱效應(yīng)”。并規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最穩(wěn)定單質(zhì)的生成熱為0，常用的是298 K的數(shù)據(jù)。但是，紅磷化學(xué)性質(zhì)比白磷穩(wěn)定，為什么規(guī)定白磷作標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱為0而不是用紅磷(紅磷的為負(fù)值)呢？其原因是[2]：(1)到目前為止，人們對白磷的結(jié)構(gòu)研究相對更為成熟。研究表明，在固態(tài)、液態(tài)和673 K以下的氣態(tài)下，白磷均以P4分子形式存在，P4為正四面體，其鍵能、鍵角等參數(shù)業(yè)已確定；紅磷的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在尚未弄清楚；(2)白磷的存在相對更為普遍。人們從磷酸鹽中提取磷蒸氣迅速導(dǎo)入水中冷卻，結(jié)果總是得到白磷而不是其它同素異性體如紅磷、黑磷等。白磷長期放置或在673 K密閉加熱數(shù)小時才轉(zhuǎn)化成紅磷；將白磷高壓下或常壓用汞作催化劑加熱方能得到黑磷；(3)白磷的化學(xué)性質(zhì)相對更為活潑。所涉及白磷的化學(xué)反應(yīng)比紅磷或黑磷多的多。綜上所述，人為規(guī)定白磷的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為0并用以進(jìn)行相關(guān)計算，則顯得更方便、更實(shí)用。長期的教學(xué)經(jīng)驗及實(shí)踐表明，講述標(biāo)準(zhǔn)生成熱定義時，將白磷作為特例作出說明，有利于學(xué)生理解最穩(wěn)定單質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)生成熱等概念，學(xué)會處理矛盾的普遍性與特殊性的關(guān)系，更加理解知識是為人類生產(chǎn)生活服務(wù)的。

3.2 溶液

溶液這章除了大綱要求掌握的基本知識外，要提示學(xué)生注意膠體溶液與高分子溶液的異同點(diǎn)，不然就會混淆不清，表8是為此所做的梳理、分析比較。

表8 膠體溶液與高分子溶液的性質(zhì)比較

3.3 電解質(zhì)溶液

有的學(xué)生對四大酸堿理論概念及優(yōu)缺點(diǎn)分不清楚，老師應(yīng)該對此講透(表9)。四大酸堿理論包括酸堿電離理論、酸堿質(zhì)子理論、酸堿電子理論、軟硬酸堿理論(嚴(yán)格上算不上理論，只是經(jīng)驗規(guī)則，它以酸堿電子理論為基礎(chǔ)。教材將此理論安排在下冊的配合物一章，為了知識的綜合歸類，利于學(xué)生對比掌握，故提前在此講解)。其中軟硬酸堿理論是學(xué)生最難掌握的。

表9 四個酸堿理論的比較

軟硬酸堿[4-5]將酸、堿分為“硬” “軟”兩種?！坝病敝妇哂休^高電荷密度、較小半徑的微粒(原子、離子、分子)，它們具有較大的“電荷密度/粒子半徑”的比值；“軟”是具有較低電荷密度、較大半徑的微粒，即具有較小 “電荷密度/粒子半徑” 的比值。“硬” 微粒的變形性(可極化性)較小，但極性較大；“軟”粒子的變形性(可極化性)較大，但極性較小。為此軟硬酸堿的概念如下(主要應(yīng)用于配合物)：

硬酸：正電荷數(shù)、體積小、變形性小，即對外層電子抓得緊的中心原子。如: H+、Li+、Na+、Fe3+、Cr3+，等。

軟酸：正電荷數(shù)低、體積大、變形性大，即對外層電子抓得松的中心原子；如Hg2+、Ag+、Cu+、Cd2+，等。

硬酸和硬堿相互作用力主要是靜電引力，軟酸和軟堿相互作用力則以共價鍵為主。該理論的酸堿結(jié)合的口訣是：軟親軟，硬親硬，軟硬結(jié)合不穩(wěn)定。

4 結(jié)語

針對性地對“無機(jī)化學(xué)”上冊的主要難點(diǎn)進(jìn)行梳理與辨析，學(xué)生覺得這些難點(diǎn)知識掌握起來更容易了，結(jié)果增加了他們對無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)動力，變畏難為主動學(xué)習(xí)，收到了良好的教學(xué)效果。

[1] 武漢大學(xué),吉林大學(xué),等.無機(jī)化學(xué):上冊[M].3版.北京:高等教育出版社,1994.

[2] 徐祖耀，李麟.材料熱力學(xué)[M].4版.北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]吳國慶.無機(jī)化學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2002：229-230.

[4] PEARSON R G.Hard and soft acids and bases HSAB.1.Fundamental principles[J].Journal of Chemical Education,1968,45(9):581-587.

[5] PEARSON R G.Hard and soft acids and bases HSAB.2.Underlying theories[J].Journal of Chemical Education,1968,45(10):643-648.

Differentiating and Analyzing on the Teaching Difficulties ofInorganicChemistry

ZHANG Yibing, LI Qiao

(School of Chemistry and Environmental Science, Shangrao Normal University, Shangrao Jiangxi 334001, China)

According to both the characteristics of theinorganicchemistryand the specific circumstances of college freshman, this paper gives a deep differentiating and analyzing on the teaching difficulties of basic concepts and basic theory ininorganicchemistryfrom three aspects, in order to improve the students' learning interest and effect.

inorganicchemistry; teaching difficulties; differentiating and analyzing; college freshman

2017-02-20

江西省教育廳教改課題(JXJG-16-16-3)；江西省精品課程資助項目(贛教高字〔2011〕74號) ；江西省精品資源共享課程資助項目(贛教高字〔2015〕79號)

張一兵(1963-),男,江西上饒人,教授,碩士,主要從事無機(jī)化學(xué)與無機(jī)材料研究。 E-mail:srxbzyb@163.com

O456

A

1004-2237(2017)03-0090-06

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.03.018