微觀探究促進(jìn)宏觀認(rèn)識?定量研究促進(jìn)定性分析

李笑然　姜影　黃翠英

摘 要：文章以氫鍵教學(xué)為例，通過分析教學(xué)內(nèi)容，確定核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。以問題鏈為教學(xué)支架，借助Gaussian、Chem3D等軟件輔助教學(xué)，著力構(gòu)建微觀探究促進(jìn)宏觀認(rèn)識、定量研究促進(jìn)定性分析的化學(xué)課堂，體現(xiàn)以素養(yǎng)為本的教學(xué)理念，從而促使學(xué)生多角度、深層次地建立基本概念的認(rèn)識思路，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：氫鍵;微觀宏觀;定量定性;素養(yǎng)為本

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 收稿日期：2020-06-29 文章編號：1674-120X（2020）35-0110-02

一、教學(xué)內(nèi)容的分析

氫鍵位于魯科版高中化學(xué)選擇性必修2第二章第四節(jié)“分子間作用力與物質(zhì)性質(zhì)”。學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已掌握了原子結(jié)構(gòu)及共價鍵的定義，初步了解了分子立體構(gòu)型，具備了一定的從微觀角度研究物質(zhì)的能力，初步建立了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解氫鍵的存在、形成、定義、特點、類型及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響和氫鍵在社會生活中的重要意義等知識內(nèi)容，形成“宏觀微觀相結(jié)合，定性定量相結(jié)合”研究物質(zhì)性質(zhì)的思路模型。

二、教學(xué)目標(biāo)

首先，讓學(xué)生通過了解DNA復(fù)制過程，感受氫鍵與人類生命的密切聯(lián)系，體會化學(xué)與生物學(xué)科的交叉滲透。其次，讓學(xué)生通過軟件探究氫鍵概念，建立氫鍵認(rèn)識思路，了解氫鍵的形成條件、定義、特點以及對物質(zhì)性質(zhì)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)認(rèn)識視角。并基于已有事實和數(shù)據(jù)，讓學(xué)生多角度定量地說明H2O的沸點高于HF的本質(zhì)原因，培養(yǎng)學(xué)生的“定量研究促進(jìn)定性分析”的能力。再次，讓學(xué)生根據(jù)鄰、對位羥基苯甲醛沸點類比鄰、對位羥基苯甲酸的沸點大小，培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的素養(yǎng)。最后，讓學(xué)生通過了解羊毛織品水洗后變形的原因及藥物尼氟酸降低關(guān)節(jié)炎發(fā)生的機(jī)理，體會氫鍵與生活的密切聯(lián)系以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究在醫(yī)療中的應(yīng)用，認(rèn)識化學(xué)知識的價值，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。

三、教學(xué)思路

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容及核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)，秉承“從生命走進(jìn)化學(xué)，從化學(xué)走向生活”的設(shè)計理念，通過問題驅(qū)動，提高學(xué)生的課堂參與度，激起學(xué)生的求知欲。并借助視頻、軟件、化學(xué)史料等，化解教學(xué)難點，幫助學(xué)生在思考、探究和討論等活動中建立氫鍵的思路模型，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、“氫鍵”教學(xué)過程

（一）課堂引入——創(chuàng)設(shè)生命科學(xué)情境，建立聯(lián)系

【問題1】播放DNA復(fù)制過程的視頻，思考DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為什么能夠穩(wěn)定存在。

設(shè)計意圖：根據(jù)生物必修一中DNA復(fù)制內(nèi)容，借助視頻創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)與生命的聯(lián)系。

（二）課堂探究——借助軟件探究學(xué)習(xí)，獲取知識

【問題2】Chem3D軟件展示A-T、G-C堿基對球棍模型（紅色：氧原子，白色：氫原子），引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)氫氧原子之間的氫鍵，進(jìn)而提出問題：氫氧原子形成最常見的物質(zhì)是水，水結(jié)冰后體積如何變化，為什么？

1.氫鍵形成

PPT動畫展示水中氫鍵形成過程（如圖1）。Chem3D軟件展示冰的微觀結(jié)構(gòu)（如圖2），解釋問題2，即冰中每個水分子被四個水分子包圍，形成變形的正四面體。氫鍵使水分子之間形成孔穴，造成冰晶體的微觀空間存在空隙，反映在宏觀性質(zhì)上是水凝結(jié)成冰時，體積變大。

設(shè)計意圖：在學(xué)生學(xué)習(xí)了液體熱脹冷縮這一知識點后，教師用水結(jié)冰后體積變大的宏觀現(xiàn)象來引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。運用PPT動畫使氫鍵的形成直觀化、形象化，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。借助Chem3D軟件，建立冰的微觀結(jié)構(gòu)模型，讓學(xué)生探究水凝結(jié)成冰時體積變大的原因。

2.氫鍵定義

介紹氫鍵定義的發(fā)展過程，從1939年P(guān)auling首次提出氫鍵概念，到2011年IUPAC給出氫鍵準(zhǔn)確的定義，人們一直沿用至今，即氫鍵是由已經(jīng)與電負(fù)性很大的原子形成共價鍵的H原子與另一個電負(fù)性很大的原子之間的作用力，通常用X-H···Y來表示，其中X-H表示H原子和X原子以共價鍵結(jié)合。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生結(jié)合化學(xué)史料，了解氫鍵概念的形成過程，理解氫鍵定義，體會科學(xué)家持之以恒的探索精神，培養(yǎng)學(xué)生積極的科學(xué)態(tài)度。

3.氫鍵飽和性

思考討論一摩水周圍平均有幾摩氫鍵？通過引導(dǎo)學(xué)生觀察冰的微觀結(jié)構(gòu)，說明氫鍵具有飽和性，讓學(xué)生明確一摩水分子周圍平均有兩摩氫鍵。

4.氫鍵方向性

借助Chem3D軟件，量取氫鍵的鍵角均約為176.2°，說明氫鍵具有方向性。

設(shè)計意圖：運用軟件，多次實測水中氫鍵的鍵角，讓學(xué)生深刻認(rèn)識氫鍵的方向性，感受微觀的奧秘。

【問題3】觀察ⅥA主族元素氫化物的沸點曲線，并思考：根據(jù)相對分子質(zhì)量來看，水的沸點應(yīng)該低于硫化氫的沸點，但事實卻相反，為什么？

設(shè)計意圖：從氧族氫化物的沸點變化曲線發(fā)現(xiàn)水的沸點反常，促進(jìn)學(xué)生主動思考。進(jìn)一步追問有助于學(xué)生整合新舊知識，理解氫鍵強(qiáng)度大于范德華力，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識和多方位思考問題的能力。

【問題4】根據(jù)第ⅤA、ⅥA、ⅦA族元素氫化物的沸點，類比H2O，為什么同族氫化物中，HF、NH3沸點也“反常”？結(jié)合電負(fù)性和原子半徑，思考?xì)滏I的形成條件？

設(shè)計意圖：通過說明HF、NH3沸點高于同族氫化物的原因，了解F、N原子易形成氫鍵，發(fā)散學(xué)生思維，培養(yǎng)其知識遷移能力。

【問題5】H2O和HF的分子間都存在氫鍵，為什么水的沸點明顯高于氟化氫？

介紹氫鍵的研究方法。選擇實驗研究方法中的紅外光譜法，即氫鍵的形成使X-H的吸收峰向低波數(shù)方向位移，且氫鍵強(qiáng)度越大，位移程度越大。并借助Gaussian軟件建立模型，分別計算H2O、（H2O）2、HF、（HF）2的紅外光譜。得到吸收峰位移程度：O-H（Δ=64 cm-1）小于H-F（Δ=110 cm-1），說明氫鍵強(qiáng)度：O-H···O小于F-H···F。理論計算結(jié)果表明，O-H···O氫鍵鍵能（18.8 KJ·mol-1）小于F-H···F氫鍵鍵能（28.1 KJ·mol-1）。O、F原子的電負(fù)性分別為3.5、4.0。這些說明氫鍵鍵能、電負(fù)性與紅外光譜的研究結(jié)論一致。借助Chem3D軟件觀察（H2O）n和（HF）n的微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)一摩水周圍平均有兩摩氫鍵，而一摩氟化氫周圍平均只有一摩氫鍵。因此，兩摩O-H···O氫鍵鍵能之積（37.6 KJ）大于一摩F-H···F氫鍵鍵能（28.1 KJ），說明沸點除了與氫鍵鍵能相關(guān)外，還與氫鍵數(shù)量有關(guān)。

設(shè)計意圖：借助紅外譜圖、氫鍵鍵能和電負(fù)性，多角度定量說明O-H···O氫鍵強(qiáng)度小于F-H···F氫鍵強(qiáng)度，與學(xué)生根據(jù)沸點高低判斷的結(jié)果（O-H···O氫鍵強(qiáng)度大于F-H···F氫鍵強(qiáng)度）相反，從而進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生利用Chem3D軟件微觀探究氫鍵數(shù)量，最終說明H2O沸點高的原因，培養(yǎng)學(xué)生運用定量研究促進(jìn)定性分析的能力。

【問題6】借助Gaussian軟件，觀察鄰、對位羥基苯甲醛二聚體微觀結(jié)構(gòu)。提出二者互為同分異構(gòu)體，為什么沸點卻相差50°C？

測量氫氧原子間的距離，鄰羥基苯甲醛的分子內(nèi)氫氧原子距離（0.175 nm）小于分子間氫氧原子距離（0.201 nm）。由“距離越短，氫鍵強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定”說明鄰羥基苯甲醛傾向于形成分子內(nèi)氫鍵，分子間作用力為范德華力。因“空間位阻”說明對羥基苯甲醛只能在分子間形成氫鍵。得出對羥基苯甲醛的沸點高于鄰羥基苯甲醛。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考鄰、對位羥基苯甲酸的沸點差異。

總結(jié)：氫鍵不僅存在于分子間，也存在于分子內(nèi)，分子內(nèi)氫鍵常見于芳香族化合物。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生觀察鄰、對位羥基苯甲醛二聚體微觀結(jié)構(gòu)，測量氫氧原子間距離，探尋鄰、對位羥基苯甲醛沸點高低的本質(zhì)原因，促進(jìn)學(xué)生了解氫鍵類型及其對物質(zhì)性質(zhì)的影響，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的素養(yǎng)。

（三）課堂提升——關(guān)注社會生活應(yīng)用，鞏固知識

【問題7】世界關(guān)節(jié)炎患者約3.55億人，亞洲平均6人就有1人患關(guān)節(jié)炎。尼氟酸由于具有較好的療效，受到廣大患者的青睞。根據(jù)藥物尼氟酸的結(jié)構(gòu)圖及其與促炎蛋白酶相互作用圖，分析尼氟酸消炎止痛的機(jī)理。

設(shè)計意圖：啟發(fā)學(xué)生用化學(xué)眼光關(guān)注社會生活，通過拓展介紹氫鍵在醫(yī)療中的作用，讓學(xué)生體會化學(xué)與社會生活的密切聯(lián)系，領(lǐng)會化學(xué)學(xué)科的價值，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。

本節(jié)課立足于培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，從生命活動出發(fā)，體現(xiàn)學(xué)科間的交叉滲透。設(shè)計由淺入深、層層遞進(jìn)的驅(qū)動性問題，促進(jìn)學(xué)生思考，發(fā)散學(xué)生的思維。利用軟件輔助教學(xué)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，培養(yǎng)學(xué)生“宏觀微觀相結(jié)合、定量定性相結(jié)合”的思維和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的素養(yǎng)。聯(lián)系社會生活，培養(yǎng)學(xué)生運用化學(xué)概念解決實際問題的能力，落實“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王楊翠香.立足核心素養(yǎng)的化學(xué)基本概念課的教學(xué)實踐與思考——以“離子反應(yīng)”教學(xué)為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（8）：53-54.

[2]王成秩，胡志剛.化學(xué)教學(xué)中的比較邏輯——“氫鍵的形成”教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2015（1）：46-48.