基于課堂實證的分子間作用力對話式課堂構(gòu)建

□李發(fā)順

（寧波濱海國際合作學(xué)校，浙江寧波 315830）

分子間作用力是微粒之間相互作用的反映，難以觀察、測定與表達(dá)，怎樣將微觀世界的作用通過易于理解的途徑表示出來？怎樣實現(xiàn)學(xué)生對分子間作用力的認(rèn)識？怎樣用自己對分子間作用力的認(rèn)識反芻自然現(xiàn)象與學(xué)過的知識？為有效解決上述問題，筆者基于必修要求對分子間作用力進(jìn)行了設(shè)計與教學(xué)實施，下面對五個教學(xué)片段的課堂進(jìn)行實證分析，向讀者介紹“對話式”課堂模型[1]。

一、從共用電子對偏移認(rèn)識分子間作用力

片段1：范德華力的成因與影響因素

以H2、Cl2、HCl、H2O、P4等分子內(nèi)共用電子對與核電荷靜電作用為情境，運用力的合成方法探討H—Cl中共用電子對偏移為研究對象，引起δ+(H)和δ－(Cl)，從而出現(xiàn)不同分子間H原子和Cl原子間的靜電吸引（庫侖力），認(rèn)識分子間作用力（范德華力）。

師：H—H之間的共用電子對不偏向任何一個H原子，是非極性鍵，而H—Cl的共用電子對會在正中間嗎？

生：因為Cl的核電荷大，產(chǎn)生相對較大（斥力和引力）的合力，使得共用電子對偏向Cl。

師：顯示出較弱的負(fù)電性，而此時H原子呢？

生：顯示出較弱的正電性。

生：這樣第一個分子的Cl就可能吸引第二個分子的H，第二個分子的Cl又會吸引第三個分子的H。

投影：物質(zhì)在固、液、氣態(tài)分子間距大小，如圖2。

圖1　HCl分子間作用力形成

師：從上面公式中，我們發(fā)現(xiàn)分子間作用力F與分子間距有什么樣的關(guān)系？與核電荷有什么樣的關(guān)系？

生：F與核電荷大小成正相關(guān)，與分子間距成負(fù)相關(guān)。

師：其實核電荷的大小與相對分子質(zhì)量也是正相關(guān)的，曾經(jīng)的元素周期表就是按相對分子質(zhì)量大小進(jìn)行排列的（盡管現(xiàn)在看來不太合理），在結(jié)構(gòu)相似的分子間，范德華力與核電荷和分子間距大小有關(guān)[2]。

分析與評論：上述教學(xué)過程既從本質(zhì)上認(rèn)識分子間作用力，又沒有深入科學(xué)原理地分析范德華力的成因及影響因素，只是粗略地從電荷多少和分子間距來認(rèn)識靜電吸引（庫侖力），讓學(xué)生明白分子間存在力，而且受到分子間距、相對分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)影響，因為對分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)型，沒有作深層次探討，所以只強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)相同。

片段2：氫鍵的成因與存在

以H2O分子間H—O共用電子對發(fā)生較強(qiáng)的偏移，使得H原子正電性更強(qiáng)，O原子負(fù)電性更強(qiáng)，從而使得分子間的靜電吸引（庫侖力）更大（比范德華力大，但比化學(xué)鍵弱得多），理解氫鍵的成因與存在。

師：若是H—O—H，存在H—O共價鍵，共用電子對偏移情況怎樣？

生：O的非金屬性（原理是電負(fù)性）比Cl更強(qiáng)，這對電子更加偏向O了，所以O(shè)原子的負(fù)電荷更多，而H原子的正電性也更強(qiáng)了，（教師引導(dǎo)觀察）而且有兩對。

師：這會不會導(dǎo)致第一個水分子中的δ－(O)和δ+(H)更大？

生：會不會導(dǎo)致不同水分子之間的范德華力更大了？

師：是的，分子間距更小了。我們把這樣一種分子間作用力叫（ ）力，是科學(xué)家鮑林發(fā)現(xiàn)的，但他在其他地方已經(jīng)有命名了，所以暫時還空著，等待下一位有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家的名字填上去，或許就在我們班，如“小龍力”。目前我們稱為特殊的分子間作用力——氫鍵，其表示如圖3。

圖3　氫鍵成因示意圖

師：除了H—O有強(qiáng)極性外，還有H—N鍵也有很強(qiáng)的極性，所以NH3分子間同樣存在氫鍵。這與和H結(jié)合的另一種非金屬的非極性強(qiáng)弱（電負(fù)性）有關(guān)，非金屬性越強(qiáng)，鍵的極性也越強(qiáng)，所以帶電荷就越多，庫侖力就越大，還有什么非金屬與H形成的共價鍵也可能存在氫鍵嗎？

生：F的非金屬性最強(qiáng)，HF分子間應(yīng)該也有氫鍵。

生：HF和H2O之間是否會存在氫鍵？

師：從氫鍵成因來看，完全可以啊。你們是否記得NH3和HCl都極易溶于水，而且NH3溶解度更大一些？

生：是的，好像NH3是1∶700，而HCl氣體是1∶500，是什么原因？

師：NH3分子和H2O分子間會產(chǎn)生極強(qiáng)的分子間作用力（氫鍵），這樣NH3分子被H2O分子吸入了，所以溶解性更強(qiáng)，雖然H—Cl鍵沒有H—N鍵極性這么強(qiáng)，但也比較強(qiáng)，所以HCl氣體也極易溶于水啊。

展示圖4。

圖4　ⅣA、ⅤA、ⅥA、ⅦA氫化物沸點

師：CH4、SiH4、GeH4、SnH4結(jié)構(gòu)相似，相對分子質(zhì)量增大，所以分子間作用力增大，導(dǎo)致沸點依次升高。而另外三組（第ⅦA、ⅥA、ⅤA）氫化物沸點中有個大折線，為什么？

生：因為H2O、HF、NH3分子間存在氫鍵。

師：其實除了上述三種物質(zhì)間，很多物質(zhì)，特別是有機(jī)物，分子中存在上述三種共價鍵中的某一種或幾種，分子間往往也存在氫鍵。

分析與評論：氫鍵的教學(xué)過程，并沒有顯示神秘，也沒有逐個分析，而是依著范德華力增強(qiáng)慢慢延伸出來，這樣做可以讓學(xué)生更加清晰地理解氫鍵也只是一種分子間作用力，只不過比范德華力更強(qiáng)一點。更有意義的是學(xué)生通過這一內(nèi)容的學(xué)習(xí)，還知道了原來一些物質(zhì)的溶解性特別好，與氫鍵的存在有著密切的關(guān)系。幫助學(xué)生建立了從非極性鍵到極性鍵，隨著鍵的極性增強(qiáng)（這里沒有深入分子極性增強(qiáng)，不作要求），分子間作用力也在增大，導(dǎo)致分子間結(jié)合更加緊密，熔沸點更高，水溶性更大。

二、分子間作用力對物質(zhì)性質(zhì)的影響

片段3：分子間作用力對物理性質(zhì)的影響

問題1：H2O升溫變成氣態(tài)，降溫結(jié)冰成固態(tài)，分子間距和分子間作用力怎樣變化？

生：升溫變氣態(tài)，分子間距變大，分子間作用力變小，降溫結(jié)冰，分子間距變小，分子間作用力變大。

問題2：家里用高壓鍋燉較難煮熟的食物原理是什么？試著從加壓、分子間距、范德華力和水的沸點角度分析

生：加壓使分子間距縮小了，范德華力增大了。

師：增大壓強(qiáng)可以升高物質(zhì)的沸點吧。

生：那水的沸點升高了，食物在里面燉的溫度就肯定比100℃高了，這樣食物容易熟了。

問題3：盛裝可樂的易拉罐打開時，有什么變化？

生：有氣體沖出來。

師：原因呢？

生：打開后減壓，氣體溶解度減小，所以沖出來了。

師：說明密封加壓時，分子間距減小，范德華力增大，所以溶解了更多的CO2在里面，打開減壓，溶解度減小，氣體就沖出來了。

生：是的，就是這樣。

問題4：水結(jié)冰后體積和密度怎樣變化？

生：水結(jié)冰后體積變大，密度變小。

師：水結(jié)冰，分子間距變小，分子間作用力（氫鍵）變大，應(yīng)該體積變小啊。

生：書上說是體積變大，密度變小的。

師：難道分子間作用力（氫鍵）研究得不準(zhǔn)確？

學(xué)生茫然了。

生：按氫鍵分析，體積是減小的，會不會有其他變化？

師：由于分子間作用力特別強(qiáng)，導(dǎo)致H2O締合成更大的（H2O）n，而這些大塊頭的分子堆積時，會出現(xiàn)很多的空隙，導(dǎo)致體積變大，密度變小。

生：（學(xué)生一臉的興奮）原來如此。僅從分子間距看是縮小的，但由于堆積原因，體積變大了。

分析與評論：這里設(shè)計的四個問題，是為了引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識分子間作用力（包括范德華力和氫鍵）對物質(zhì)物理性質(zhì)的影響。問題1是強(qiáng)化分子間作用力與分子間距的關(guān)系，老師同時也鞏固與相對分子質(zhì)量關(guān)系。而問題2從高壓鍋燉食物易熟的原理，讓熟悉的環(huán)境引起學(xué)生討論與思考，其原因是增大壓強(qiáng)，縮小分子間距，增大分子間作用力，提高水的沸點，達(dá)到更高的溫度，易煮熟食物。問題3對于每一位同學(xué)都有過親身經(jīng)歷，所以這個問題出現(xiàn)時，學(xué)生更加容易積極思考，也有很多學(xué)生想過，加壓可以增大氣體溶解度，其實也正是加壓，縮小了分子間距，增大了分子間作用力導(dǎo)致的。問題4，小學(xué)科學(xué)知道水結(jié)冰體積變大，初中科學(xué)知道體積變大，密度變小，到了高中，真正從本質(zhì)上認(rèn)識了其原因，原來就是因為分子間作用力（氫鍵）導(dǎo)致分子締合，其實（等質(zhì)量的）分子總體積是減小的，但由于締合成的(H2O)n體積變大后，再堆積在一起時，大分子中存在很多的空隙，使得冰的體積變大，密度變小。

三、比較微粒間作用的相對強(qiáng)弱

片段4：范德華力、氫鍵、化學(xué)鍵的強(qiáng)弱比較

情境1：

師：水汽化過程其分子發(fā)生怎樣的變化？

生：還是水分子啊，沒有變。（教師引導(dǎo)下）狀態(tài)變了，體積變大了（等質(zhì)量），分子間距大了，分子間作用力也變了。

師：繼續(xù)升溫到1000℃，且持續(xù)加熱，又發(fā)生怎樣的變化？

生：共價鍵斷了，變成自由移動的H、O原子了。

師：這兩種變化，你感覺哪一種更容易進(jìn)行？

生：肯定是汽化，而且看上去條件差異有點大，估計分子間作用力比共價鍵弱得多。

情境2：鹵化氫分子的范德華力和化學(xué)鍵的比較

表1鹵化氫分子的范德華力和化學(xué)鍵的比較

鍵能/kJ·mol－1 432 366 298分子HCl HBr HI范德華力/kJ·mol－1 21.14 23.11 26.00

師：看表1中數(shù)據(jù)，這三種氫化物，結(jié)構(gòu)相似，范德華力①在這里不詳述范德華力、鍵能等概念，只是破壞1mol分子的分子間作用力需要吸收上述能量，破壞1mol相應(yīng)共價鍵需要吸收上述能量，因為到這里的教學(xué)還沒有學(xué)到相關(guān)知識。也是一種能量，和鍵能一樣。

生：這樣看來，鍵能幾乎是范德華力的二十倍。

師：是的，一般在十幾倍到上百倍都有，氫鍵從成因來看，應(yīng)該比范德華力大一些吧，但跟共價鍵鍵能相比還是要小很多。

圖5　范德華力、氫鍵和共價鍵表示

師：所以你們看我在表示時的差異了吧，如圖5。范德華力沒有任何點、線等表示，而氫鍵用虛線表示，共價鍵用實線表示，僅從這里就大致知道其結(jié)合強(qiáng)弱（能量）。

分析與評論：情境1的設(shè)計，讓學(xué)生清楚H2O分子間作用力（氫鍵的破壞）同其共價鍵斷裂相比，容易得多，這就從難易程度上幫助學(xué)生建立分子間作用力比共價鍵小得多。情境2給出定量的范德華力能量和共價鍵鍵能，更加直觀地從數(shù)據(jù)上得出，共價鍵是范德華力的十幾倍到上百倍之大。在氫鍵的形成過程中，氫鍵是范德華力大到一定值后的特殊分子間作用力，說明范德華力比氫鍵弱，兩者與共價鍵相比弱得多。從能量上的差異比較，使學(xué)生有一個定量的數(shù)據(jù)觀念，更能幫助學(xué)生從能量上區(qū)分分子間作用力與化學(xué)鍵。從表示方式上看，更加形象地說明共價鍵比氫鍵強(qiáng)得多（實線對虛線），范德華力更弱（沒有特定的線條表示）。

四、HCl和NaCl發(fā)生物理變化和化學(xué)變化時微粒間相互作用的破壞

片段5：課堂小結(jié)檢查學(xué)習(xí)效果

問題1：HCl從固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)，破壞了何種微粒間作用力？NaCl從固態(tài)到液態(tài)，又破壞何種微粒間作用力？怎樣實現(xiàn)？上述兩種變化哪一種相對容易發(fā)生？為什么？

生：分子間作用力。

師：NaCl中存在“分子”？

生：沒有分子，是Na+和Cl－，那就只有離子鍵了，只能破壞離子鍵。

生：（教師引導(dǎo)）NaCl從固態(tài)到液態(tài)，是熔化過程，看來是給了熱量破壞了離子鍵。

師：對了，上述兩種物質(zhì)發(fā)生物態(tài)變化，哪一種更容易？

生：離子鍵有陰陽離子，靜電作用應(yīng)該更強(qiáng)，比分子間作用力大很多，所以HCl的變化更容易。

投影表2。

表2　HCl和NaCl氣化需要的能量

師：這里就是讓同學(xué)們知道化學(xué)鍵確實比分子間作用力強(qiáng)得多，而且分子間作用力只存在于分子構(gòu)成的物質(zhì)中。

問題2：若要讓HCl液化，又會有怎樣的能量變化？若要破壞HCl中的H—Cl共價鍵，怎么辦？HCl溶于水，會發(fā)生怎樣的變化？破壞了什么作用？

生：加壓（其實降溫也可以），可以縮小分子間距，增大分子間作用力。

師：從上面NaCl中離子鍵斷裂需要吸收熱量，推測只要給予足夠的熱量，相信也一定能斷裂。還有什么辦法也能使H—Cl共價鍵更容易斷裂？

學(xué)生陷入沉思中。教師引導(dǎo)，如果用兩個力分別向反方向拉H和Cl原子，拉斷共價鍵后，共用電子對就被Cl給帶走了，變成了Cl－。

生：我知道了，HCl溶于H2O，會產(chǎn)生H+和Cl－，H2O就是分別是拉H和Cl原子的物質(zhì)，對嗎？

師：（給予了充分肯定）水分子在這里起到了拉的作用，此時，沒有加熱，同樣也破壞了共價鍵，這就是我們學(xué)過的電離。

分析與評論：問題1的設(shè)計，為達(dá)到四個檢測目標(biāo)：復(fù)習(xí)分子間作用力對物質(zhì)狀態(tài)的影響；知道只有分子構(gòu)成的物質(zhì)存在分子間作用力；離子化合物發(fā)生物態(tài)變化時，也是破壞了離子鍵；離子鍵和共價鍵一樣，其結(jié)合（能量）比分子間作用力強(qiáng)很多。問題2的設(shè)計目的是：以HCl為素材，鞏固分子間作用力影響因素，從比較中明確共價鍵斷裂需要更多的能量，而且知道除了能量能破壞化學(xué)鍵，其他條件（如H2O分子作用）也能幫助破壞化學(xué)鍵，以此重新來看“電離”發(fā)生的原因。很多看似無關(guān)的知識，其實存在著必然的聯(lián)系，這就是科學(xué)本質(zhì)教學(xué)。

學(xué)習(xí)是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識的過程[3]，這個過程包括學(xué)生與自然（文本、現(xiàn)象、實驗）的對話，從自然變化中發(fā)現(xiàn)問題，提出思考；通過學(xué)生與同伴（老師和同學(xué)）對話，在引導(dǎo)下經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)與實證（證實與證偽）過程，在同伴質(zhì)疑與交流中獲得對知識的理解，方法的領(lǐng)悟[4]；通過反芻，自我對知識的理解，尤其是從知其然到知其所以然，這是與內(nèi)心世界的對話，獲得對科學(xué)本質(zhì)的理解與認(rèn)同?！酲?/p>

參考文獻(xiàn)：

［1］王云生.課堂轉(zhuǎn)型與學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)——中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)改革探索［M］.上海：上海教育出版社，2016：51-56.

［2］何慶輝.促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)微觀抽象概念和理論的教學(xué)研究——以“分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)”為例［J］.化學(xué)教育，2014（17）：20-25.

［3］李發(fā)順.教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識的過程［J］.教育研究與評論（課堂觀察），2015（7）：封二.

［4］鐘啟泉.讀懂課堂［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2017：92-94.